刘建波，董云丰，毛军丽、付万珊，武金辉

（海委引滦工程管理局大黑汀水库管理处，河北 唐山064300）

1 概况

1.1 基本情况

大黑汀水电站包括渠首电站和河床电站，其中渠首电站位于引滦总干渠渠首，安装天津发电设备厂生产的4 台（1～4 号机组）单机容量为3 200 kW的轴流转桨式水轮发电机组，向天津、唐山两大城市供水时发电。水轮机型号为ZZ560-LH-250，发电机型号为TS425-32/32。2014 年通过电站增效扩容改造工程，将2 号和4 号机组由轴流转桨式机组更新改造为轴流定桨式机组，更新了新型轴流定桨式转轮，机组容量由3 200 kW 增容至3 500 kW。

1号机组是天津发电设备厂1975年制造的产品。

水轮机主要技术数据：型号ZZ560-LH-250，额定出力3 370 kW，设计水头11 m，最大水头14 m，最小水头6 m，额定流量37 m3/s，额定转速187.5 r/min，飞逸转速437 r/min。

发电机主要技术数据：型号TS425/32-32，额定功率3 200 kW，额定电压6 300 V，额定电流366.6 A，额定频率50 Hz，功率因数0.8，额定励磁电压100 V，额定励磁电流447 A，额定转速187.5 r/min。

1.2 1 号机组存在的主要缺陷

2019 年5 月12 日20：35，1 号机组在运行过程中，出现滑环处甩油现象，20：45 机组停机。检查后综合分析确认，发电机组的主轴内操作油管路发生严重串油现象，机组已无法正常运行。

2 1 号水轮机转桨改定桨改造方案

当时正值供水发电期间，机组停运可能造成弃水，损失经济效益。正常检修相当于机组扩修，费工费时，错过放水发电时机。经综合研究决定对机组进行抢修处理。

电站采取在不扩修的情况下，现场机坑内将转轮由转桨改为定桨运行，即断开了转轮桨叶操作油源，又解决了转轮漏油问题。具体做法：将桨叶和转轮体焊死，同时对调速器和测速装置进行相应改造，在原转轮的基础上进行现场实施，尽快恢复机组正常运行。

3 转桨改定桨建议的合理性基础

此前2 号、4 号机组已经由轴流转桨改为轴流定桨，额定水头12.5 m，运行稳定。根据统计分析，大黑汀水库春、秋供水期，库水位在130.0～132.5 m区间概率较大，在11 m 水头下，设计1 号机组轴流定桨转轮桨叶角度，可以满足渠电机组在不同水头下正常运行。

由于大黑汀水库是由上游潘家口水库进行水位调节，供水期间水库水位变化不大。电站可以由1台轴流转桨机组和3 台轴流定桨机组组合运行。运行时将定桨机组和转桨机组优化组合，合理运用，可以收到较好的经济效益。

4 转桨改定桨桨叶角度技术分析

4.1 分析采用的基本计算公式

我们采用水轮机通用的计算公式如下：

4.2 水轮机额定工况的计算确定

目前2 号、4 号机组转轮型号为ZDJP502-LH-250，额定水头12.5 m，最大水头14.5 m。

根据轴流转桨式水轮机的运行模式，在不同水头H及过流量Q情况下，水轮机应按照某一给定的最优规律曲线运行，转轮叶片的安放角β与活动导叶的开度α随工况变化来进行调节，是实现这一运行规律的必要条件和手段。

在电站水轮机实际运行中，调速机构对转轮叶片的安放角β和活动导叶开度α均是按最大值的百分比来显示（即相对开度）。为了能相对比较准确的确定水轮机额定工况（H=11 m、Nr=3 370 kW）条件下，转轮叶片的安放角βr值，我们根据ZZ560-46水轮机模型综合特性曲线进行计算，可得到表1 能量数据。

从图1 可以查得，在电站设计额定水头Hr=11 m（额定点单位转速nr11=141.33 r/min）、水轮机发额定出力Nr=3 370 kW 情况下，水轮机额定点效率为ηrh=85.55%（本计算中暂不进行效率修正），计算额定点流量为Qr=36.58 m3/s（额定点单位流量Qr11=1.765 m3/s），从而查得额定工况点水轮机桨叶实际位置度为βr≈14°，此时活动导叶的绝对开口为Tr≈170 mm（模型与真机活动导叶数均为24 片），根据图纸查出，电站实际活动导叶的最大绝对开口为217 mm。依此推算：额定工况对应仪表显示100%的活动导叶开度αr≈80%。则：

额定工况桨叶实际位置度为βr≈+14°；

额定工况活动导叶相对开度为αr≈80%。

表1 额定水头Hr=11 m 时能量指标计算

图1 H=11 m 水轮机能量曲线

4.3 根据2 号机组真机试验桨叶角度校核计算角度

2011 年12 月13 日由汀管处、北京中水科工程总公司、天津发电设备总厂科技开发中心联合进行的2 号机组转桨改定桨真机试验结果，进一步验证了理论计算确定的桨叶角度为14°（H=11 m）时，机组运行出力和运行工况是比较合适的。

2011 年12 月13 日上午开始正式试验，试验时电站上游水位为131.43 m，下游水位为119.1 m，毛水头约H毛=12.33 m，在试验过程中毛水头H毛在12.0～12.5 m之间变化。根据大黑汀机组过流通道损失计算，机组在额定工况发电时，计算工作水头约为Hg=10.9～11.2 m 范围，为方便我们取工作水头Hg=11 m 做比较分析，按2 号机组现设定的协联关系进行运行，机组带负荷至3 200 kW 时，桨叶开度βr≈14°（与计算结果基本吻合），根据此结果确定试验浆叶β≈15.5°、14°、13.5°、12°这4 个角度下进行定桨试验，能量试验数据见表2。

表2 不同桨叶角度能量试验数据

定桨启动导叶开度α≈33～35°范围，机组改为定桨运行后，机组启动开度会相应增大2%～3%左右。

机组定桨运行时导叶开度50%范围附近有不稳定工况出现，在55%～60%时消失。

5 转桨改定桨现场实施工艺措施

5.1 改定桨转轮叶片角度的定位分析

本次转桨改定桨的基本要求是保持现转轮结构以及叶片不变，在原有轴流转桨式转轮基础上进行。

根据水力计算分析以及现场试验确定的转桨改定桨叶片角度，该角度的定位是根据改造前试验测量的接力器活塞位置与采用测量工具来确定叶片的这一角度。然后采用U 型定位块将叶片和转轮体焊接在一起的方法固定（见图2 中“1”），使叶片在设计给定的角度下定桨运行。

图2 定桨叶片角度焊接固定示意图

5.2 焊接材料

大黑汀电站转轮叶片的材料为ZG1Cr13 铸钢，转轮体的材料为ZG25Ⅱ铸钢，由于ZG1Cr13 属于马氏体型不锈钢可焊性差，故在U 型定位块与转轮体和叶片焊接时分别采用两种焊条进行焊接。U 型定位块与转轮体的焊接，采用的是E5516 焊条。U 型定位块与叶片焊接，焊条采用E1-30-9 不锈钢焊条。

5.3 改定桨叶片角度定位的技术措施

转轮叶片角度确定：将桨叶角度调至按试验确定的角度（在桨叶上用千斤顶动作桨叶至桨叶开度14°），然后采用专用测量工具或组合样板，准确调整桨叶角度至设计确定的角度。

首先将不同直径圆钢塞焊于桨叶进水边与转轮体之间的空隙，然后沿桨叶周边把焊接U 型定位块与转轮体焊接在一起，把桨叶与U 型定位块焊接在一起。

5.4 调速器及测速装置改造

（1）调速器改造

为了保证机组转轮由转桨运行改成定浆运行，还要适当对调速器进行改造。将双调节调速器改为单调节调速器，改造部位如下：

液压随动系统中切断配压阀壳体内浆叶受油器油路，改造部位：浆叶主配压阀衬套、辅助活塞等。

（2）测速装置改造

操作油管油路切断后，受油器轴瓦无油润滑，需要拆除轴瓦。为了防止小轴摆度超标，拆除永磁机花键，永磁机无法提供测速信号，需要在小轴上安装1 套齿盘测速装置，用来测量机组转速，将测速信号送入LCU，实现机组实时监控。

6 实施效果及经济效益分析

2019 年9 月6 日17：30，1号机组开始往天津供水发电，9 月9 日16：00 停机，9 月16 日上午9：00开机，2019 年10 月10 日10：00 结束，期间累计运行27 d，累计发电158 万kW·h。1 号机组结合往天津供水进行带负荷发电，在供水期间机组运行稳定，各项参数及运行数据正常。1 号机组运行参数如下：有功：3 100 kW；无功：1 300 kW；励磁电流：390 A；坝前水位：131.92 m；尾水位：119.1 m；导叶开度：90%。

1 号机组转桨改定浆现场实施投资共3.6 万元，2019 年9 月6 日至2020 年4 月28 日，已安全运行966 h，累计并网发电270 万kW·h，按现行的电价（0.42元/kW·h），共创收113.4万元，取得了很好的经济效益。

7 结语

运行实践证明：大黑汀水电站1 号机组转桨改定浆是成功的，机组稳定性、效率、出力等均达到了改造的预期效果。1 号机组转桨改定桨成功实施，即解决了操作油管串腔问题，又解决了转轮多年漏油问题，短时间内恢复了机组运行，投资少，见效快，取得了良好的经济和社会效益。

（1）对城市生活供水水质要求越来越高，而轴流转桨式水轮机常因转桨密封机构的磨损或其他故障而漏油，易造成水源污染，对水轮机进行轴流转浆改定桨改造是解决漏油问题、清除油污染的有效方法。

（2）对于原设计电站由多台单一轴流转桨式机组，根据实际运行工况，通过机组改造为由轴流定桨式和轴流转桨式机组混合运行方式，可以优化电站的运行方式，提高效率，减少电站的运行维护成本。