张灵锋

(怀化市水利电力勘测设计研究院，湖南 怀化 418000)

1 电站概况

舞水是沅水的一级支流，舞水干流共规划有26级开发，其中湖南境内有10级，春阳滩水电站是舞水流域在湖南境内规划的第三级电站；位于湖南省怀化市芷江侗族自治县新店坪镇，建于1977年，1982年投产发电并入电网运行。

春阳滩水电站枢纽工程由泄洪闸、右岸非溢流坝、右岸连接段、左岸坝后式发电主副厂房、升压站等建筑物组成，工程兴建的主要任务是发电、旅游兼顾航运。坝址控制流域面积7 741 km2，占全流域面积的74%，坝址处多年平均流量136 m3/s，总库容0.429亿m3，是1座具有旬调节性能的水库。

电站共安装4台水轮发电机组，总装机容量为4×8 800 kW=35 200 kW。其中，1～2号机组水轮机型号ZZ105—LH—300，发电机型号TS425—79/32，额定水头18.5 m，额定流量62.0 m3/s；3～4号机组水轮机型号ZD460—LH—300，发电机型号TS425—79/32，额定水头18.5 m，额定流量62.0 m3/s。调速器型号为2台ST—100与2台BDT—100；2台主变压器型号为SFL7—20000/110。

电站原设计年平均发电量为13 540万kW·h，年利用小时为3 847 h。根据该站提供的改造前近5 a发电量统计，年平均发电量为12 130万kW·h，年利用小时为3 446 h。

2 增效扩容改造原因

2.1 电站现状与存在的问题

2.1.1 水头变化

春阳滩水电站下游为蟒塘溪水电站，2001年蟒塘溪水电站投产发电。春阳滩水电站尾水位受蟒塘溪水库水位顶托，春阳滩水电站以及蟒塘溪水电站水库均按设计调度运行，进行长系列复核计算，扣除发电输水系统水头损失后，春阳滩水电站实际运行净水头为：最大水头23.1 m，比原设计23.5 m减小0.4 m；加权平均水头18.45 m，比原设计21.5 m减小3.05 m；最小水头12.0 m，比原设计12.25 m减小0.25 m；而电站水轮机的额定水头为18.5 m，因此水轮机会长期不在较优运行工况下运行。

2.1.2 主要设备

(1)水轮机

水轮机为20世纪80年代初产品，由于当时设计、制造水平、生产工艺等条件限制以及春阳滩水电站尾水位受蟒塘溪水库水位顶托，使得水轮机参数与电站实际设计参数不相匹配；另外埋入混凝土中的4台机组转轮室中发现1～2号和4号转轮室混凝土存在剥落现象，运行中经常出现转轮与转轮室刮擦声音。以上主要问题造成水轮机运行转动部件磨损，过流部件气蚀严重，机组振动、摆动值偏大，使得水轮机效率大大降低，电站运行维护和检修工作量大大增加，设备运行安全不能保证。

(2)发电机

4台发电机经过多年运行，绝缘已严重老化，绝缘等级为B级；发电机定子温度长期偏高，当发电机在额定负荷运行时经常会出现温度过高报警或事故跳闸停机现象，严重影响电站安全运行。

(3)调速器及油压装置

2台ST—100与2台BDT—100额定油压为2.5 MPa。调速器由于当时设计、制造水平等条件限制，配置过于简单，灵敏度较低，操作不可靠，经常出现卡阻现象；调速器及油压装置采用三分布置(压油槽、压力罐、操作柜分开布置)，既不方便操作又影响发电机层整体美观；调速器的配置不能满足电站“无人值班(少人值守)”的自动化要求。

2.2 电站增效扩容改造的必要性

(1)春阳滩水电站运行多年，电站主要机电设备受当时设备设计、制造水平、生产工艺等条件限制，存在许多不足，与现阶段我国设备生产厂家生产的产品存在较大性能差别。另外，流域梯级电站的开发使得电站上、下游水位变化较大，导致水轮发电机组主要性能参数与电站实际运行参数不相匹配。

(2)根据电站多年运行情况以及流域上游18座梯级电站基本开发完毕来看，目前电站装机容量与来水量相比存在扩容空间，丰水期存在大量弃水。

(3)春阳滩水电站水库属旬调节水库，合理联合调度流域梯级电站及充分利用水能资源将给下游流域梯级电站创造较好的效益。

3 增效扩容改造方案拟定

3.1 明确增效扩容改造内容

根据电站现在实际情况，结合电站管理单位的意见，本工程大坝除险加固2013年已完成，在满足大坝现有防洪保安、取水口取水等要求，在不改变原主副厂房尺寸、结构的情况下更换所有主要机电设备和附属设施，使电站的装机容量尽量利用水能资源，实现电站增效扩容改造后“无人值班(少人值守)”的运行模式，从而降低运行成本，创造电站最大效益。

经过对电站多年水文、水能复核以及运行情况综合分析比较，本次增效扩容改造主要内容是对进水口拦污栅、水轮机、发电机、调速器、变电设备、电气控制设备及相应辅助设备进行更新改造；对电站厂房进行维修改造，完善管理设施，增设必要的工情及水力监测设施。春阳滩水电站增效扩容改造后，总装机容量为4×10 000 kW，设计年保证出力(保证率P=90%)7 800 kW，多年平均发电量为15 580万kW·h，年利用小时为3 895 h。

3.2 设计方案拟定

(1)水轮机

4台水轮机全部更换，包括水轮机转轮、大轴、顶盖、导水机构、转轮室、底环等。增效扩容水轮机改造很关键，水轮机的选型既要充分选择适合水电站运行参数现状，又要与现状蜗壳、尾水管实际流道基本相吻合的高效率水轮机。由于春阳滩水电站水头变幅较大，所以根据国内现有水轮机型谱以及招投标最后选定适合水电站的水轮机转轮型号为ZZ550E。

水轮机设计参数的拟定：根据水能资源复核计算结果和水轮机转轮直径现状，最大水头23.1 m，最小水头12.0 m，加权平均水头18.45 m。原4台水轮机转轮直径3.0 m，额定水头18.5 m，额定转速187.5 r/min。原水轮机额定水头与电站实际运行水头范围等参数不完全相适应。依据增效扩容后拟定水轮发电机组容量为4×10 000 kW和选定的水轮机转轮型号ZZ550E模型综合特性曲线，认为选择额定水头17.5 m较合理；为加权平均水头的95%，并对额定转速187.5 r/min和200 r/min做综合比较(见图1)。

从曲线上可以看出，当额定转速为200 r/min时，最大水头23.1 m对应的单位转速为124.8 r/min；当额定转速为187.5 r/min时，最大水头23.1 m对应的单位转速为117 r/min。根据同类机型多电站多年来的运行经验，电站稳定运行，对于水头变幅较大的电站，其额定转速选择时，使其最大水头对应的单位转速不能偏移最优单位转速过多，最好使其单位转速大于或等于0.95倍的最优单位转速。一者可得到较高的运行效率，二者则可以改善水轮机的运行性能，避免进口水流冲角过大

图1ZZ550E模型综合特性曲线(真机D1=3m)

造成头部脱流，减少空蚀与附加涡带产生，并提高运行稳定性；对于水头变幅较大的电站，至少也要使其最大水头对应的单位转速大于或等于0.9倍的最优单位转速。当额定转速为200 r/min时，最大水头23.1 m对应的单位转速为124.8 r/min，而ZZ550E转轮的最优单位转速为134 r/min，比值为0.931，接近0.95；当额定转速为187.5 r/min时，最大水头23.1 m对应的单位转速为117 r/min，其与最优单位转速的比值为0.873，小于0.9。同时，春阳滩水电站最大水头与最小水头比值为1.925，属于水头变幅相对较大的电站。因此，综合本电站的水能复核计算成果等参数，认为额定转速为200 r/min比187.5 r/min对于本电站更合理。最后选定4台水轮机转轮直径3.0 m，额定水头17.5 m，额定流量66.5 m3/s，额定转速200 r/min(见图2)。

水轮机安装高程复核：根据选定的模型综合特性曲线，水轮机最大允许吸出高度为-1.86 m。新选定的水轮发电机组安装高程为：

因为原座环属预埋承重固定件不可拆卸更换，导叶中心高程不变，所以机组安装高程无法改变，为276.17 m。新水轮机安装高程复核主要取决于转轮最大吸出高度，而最大吸出高度主要决定于转轮模型气蚀系数。从计算的结果可以看出，增容改造后机组安装高程比原实际安装高程高1.10 m，按原实际安装高程更有利于机组抗气蚀。为防止因机组安装高程的变化影响厂房结构巨大变化，确定增容改造后机组安装高程维持原安装高程276.17 m不变。

水轮机部分其他特别要求：根据电站原水轮机部分气蚀的严重性等情况，要求水轮机转轮为不锈钢材料，水轮机过流部件(除尾水管外)表面镀不锈钢材料厚度不小于5 mm；更换的活动导叶与原固定导叶的配合必须达到国家技术规范要求；更换的新转轮室需增设足够的加强筋板以及埋入混凝土部分有足够多的T型钉；更换的新转轮室与原尾水锥管直管段需平滑过渡。

图2修正后水轮机的运转特性曲线

(2)发电机

4台发电机全部更换，包括发电机定子、转子、大轴、轴承、上机架、下机架等。增效扩容发电机的改造需重点注意以下几点要求：发电机的绝缘等级由B级改为F级；适当增加发电机转动部分重量，使转动惯量能满足调保计算要求；复核原发电机定子基础螺栓强度，尽量利用原定子基础螺栓，防止破坏原发电机机墩结构。

发电机设计参数的拟定：根据水轮机的选型，水轮发电机组同步转速选定4台发电机的型号为SF10—30/4250，额定转速200 r/min，额定电压6.3 kV，额定电流1 145.5 A。

(3)调速器及油压装置

4台套调速器及油压装置全部更换，调速器与油压装置采用组合式结构(即将原布置方式采用三合一形式)，型号为CVZT—100—4.0，油压为4.0 MPa。调速器为PCC智能式型双调节微机调速器，主阀采用逻辑插装阀结构，调速器的配置中要求增设事故配压阀和分段关闭装置。这种调速器灵敏度以及可靠性较高，占地小，整体美观且操作方便。

(4)电气部分

变电设备、电气控制设备及相应附属设备进行全面更新改造，电气部分的更新基本属现行常规的配置，原设备布置的空间及位置均满足更新改造后新设备要求。电气设备的选择应本着节能降耗以及满足“五防”要求为原则，实现电站增效扩容改造后“无人值班(少人值守)”的运行模式。

(5)其他附属设施

因调速器与油压装置采用组合式结构(即将原布置方式采用三合一形式)，原发电机层设备布置做适当调整，在满足设备布置和土建结构要求的情况下做到设备操作方便且发电机层整体美观；3～4号机组水轮机由定桨式改为转桨式，增设调速器至受油器3根油管通道；起吊设施满足起重要求，只需简单维护。

4 增效扩容改造实施

春阳滩水电站增效扩容改造属湖南省“十二五”第一批实施项目，为了在增效扩容改造实施中不影响正常发电，尽量利用水资源，改造工程实施根据电站要求以及改造工程量和工期的需要，工程实施要求在枯水季节进行，且跨两个年度枯水季节完成。2013年8月利用自筹资金完成了全部设备招标，2013年10月至2014年3月完成了所有电气设备和1～2号水轮发电机组施工，2014年10月至2015年2月完成了3～4号水轮发电机组施工，2015年3月增效扩容改造工程全部实施完成。项目改造实施还特别注意了以下几点：

(1)设备招标采用主要设备必须是专业厂家并分别采购，充分考虑设备制造周期、土建施工以及机电设备安装施工周期。比如，为了不影响3～4号水轮发电机组2014年1月的正常发电，2013年10月至2013年12月完成了所有电气设备安装施工；同时完成了1～2号水轮发电机组转轮室、底环基础开挖、撤除以及与原尾水锥管直管段平滑过渡等施工，并完成了转子叠片、定子下线等组装工作。2014年2月完成了1～2号水轮发电机组及其附属设备施工安装任务，1～2号水轮发电机组改造完成投入商业运行。2014年10月至2014年12月完成了3～4号水轮发电机组转轮室、底环基础开挖、撤除以及与原尾水锥管直管段平滑过渡等施工，并完成了转子叠片、定子下线等组装工作。2015年2月完成了3～4号水轮发电机组及其附属设备施工安装任务，3～4号水轮发电机组改造完成投入商业运行。

(2)电站原有4台机组，其中水轮机2台为轴流转桨式，另两台为轴流定桨式，改造后为4台轴流转桨式机组。转轮室、底环的更换至关重要，不仅事关整个工程进度，而且直接影响本电站增效扩容改造成功与否，因此转轮室、底环的施工特制订以下施工方法：

①转轮室及底环的拆除

在尾水管适当位置搭设拆装平台，用电弧刨从没有筋板处逐一割破，整个转轮室切割成窗口形式；切割成的转轮室对称窗口用拉紧螺杆焊接，再用拉紧螺杆或手动葫芦将转轮室逐件拆除。用风刨或电锤先将筋板周围的混凝土去除，后将所有筋板全部割除。按设计图纸尺寸要求将转轮室四周的混凝土凿除(凿除深度320 mm)，先割除底环与转轮室的连接螺栓，再逐步拆除底环及凿除底环内的混凝土；凿除混凝土的深度需满足设计图纸尺寸要求。

②转轮室及底环的安装

转轮室安装：在座环上部的适当位置搭设组装平台；将分瓣转轮室分别吊入组装平台上进行把合组装，校正转轮室相关尺寸参数；清理座环与转轮室把合面及把合孔。转轮室组装完成后吊起，拆除组装平台，预装转轮室并校核与座环把合孔位置；组装座环与转轮室把合螺栓，定位后将把合螺栓的螺帽与座环点焊牢固；把转轮室吊入适当位置，焊接一定数量的拉锚。吊装转轮室入位，校正转轮室中心及高程，在转轮室内用百分表监测并加焊一定数量支撑；将转轮室与座环把合螺栓全部把紧并点焊；将转轮室与尾水管点焊，待转轮室外混凝土养护期满后全部满焊并打磨光滑；拆除转轮室支撑，打磨光滑并复测转轮室尺寸直至达到设计规范要求。

底环的安装：为保证底环与顶盖的同心度，由主机厂提供1套定位工装(8件假导叶)；在转轮室上方搭设底环组装平台；将分瓣底环吊装至平台上进行组装，校正底环相关尺寸参数，拆除组装平台后吊装入位；组装顶盖并吊装入位；均布组装8件定位工装，校核、调整顶盖与底环的同心度；将底环与转轮室把合螺栓全部把紧点焊；钻铰底环与转轮室4个定位销孔，并装销钉；拆除顶盖及底环定位工装。

③转轮室混凝土浇筑与结构强度要求

底环安装前在转轮室外部分段浇筑C30混凝土应随时监测转轮室的变形情况；待转轮室外混凝土养护期满后在转轮室上、下方对称均布8个φ20灌浆孔；转轮室外需按设计要求布置环形钢筋；转轮室与原混凝土采用足够强度的拉筋连接。

(3)其他土建施工必须对原有建筑物进行结构强度的复核，尽可能利用原有建筑物，减小拆除重

建工作量。拆除部分重新浇筑的混凝土强度必须加强，以满足改造后结构强度要求。

5 改造效果

春阳滩水电站增效扩容改造完成后可谓是焕然一新：设备性能、综合自动化、发电效益、生产、生活环境均得到很大提高和改善。

(1)春阳滩水电站2015年3月4台机组改造完成后所有设备运行优良且可靠。

(2)春阳滩水电站属老国有企业，在职与离退休人员近400人。改造完成后实现了“无人值班(少人值守)”的运行模式，运行人员由改造前10班每班8个人值班改为现在8班每班2个人值守，值守人员在恒温舒适的环境下工作，大大节省了人力资源。

(3) 电站装机容量由35 200 kW增至40 000 kW，丰水季节4台机组长期带42 000～44 000 kW负荷能安全运行。2015—2017年每年的发电量分别为15 787、16 809、15 195万kW·h，改造后3 a平均年发电量达到15 930万kW·h，年利用小时为3 983 h。相比改造前水头减少10%以上，而装机容量增加13.6%，年均发电量增加31%以上，电站效益得到显著提高。

6 结 语

通过对春阳滩水电站的增效扩容改造，在运行工况、水头、机型、现行电站安全运行标准等发生变化和特定要求下，给80年代时期运行的老电站增效扩容改造提供了很好经验，提高了水能资源的利用，增加了发电收益。同时，提高了设备质量和可靠性与自动化水平，电站管理及运行人员的技术水平有了一个质的飞跃，取得了很好的经济效益和社会效益。