高坝洲电厂机组型式改造探讨
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摘 要：针对高坝洲电厂机组在运行过程中出现的问题，对高坝洲电厂机组由轴流转桨型式改造为轴流定桨型式的必要性进行了分析，重点论述了机组型式改造的利弊，可供机组型式改造参考。
关键词：高坝洲电厂；机组型式；轴流转桨；轴流定桨；改造
1 概述
高坝洲电厂位于湖北省宜都市高坝洲镇，电厂共安装3台轴流转桨式水轮发电机组，单机容量90MW，机组设备由东方电机股份有限公司制造。
高坝洲电厂机组的运行水头范围为22.3-40m，较好的使用机型主要是轴流式水轮机。原水轮机设计对ZZD32B、ZZA315、HLA551、HLPO45四种型号的水轮机进行了装机3台、4台共8种组合方案的真机技术经济比较，最终得出ZZD32B型号3台机的方案为最优，即满足高坝洲电厂要求的性能参数水平，机组和电站厂房造价低，水轮机效率较高。1996年清江公司采用招标方式，最终采用了东电引进的ZZD231-LH-580型水轮机，该机型是对ZZD32B转轮型号优化选择后得出的，机型的选择上没有问题。
但上述设计仅考虑了轴流转桨与混流式水轮机进行比较，并未对轴流转桨式与定桨式水轮机机型进行比较。高坝洲电厂机组经10余年运行，桨叶操作机构运行出现诸多问题，如曾发生过桨叶密封损坏，机组操作透平油泄漏，调速器油源进水事故，以及受油器浮动环密封破损造成机组操作油大量渗漏而紧急停机的事故，机组检修维护工作量逐年增加，故对机组由转桨式机型改造为定桨式机型进行探讨。
2 机组型式改造的必要性及有利因素
2.1 改造技术上可行
从需改造的设备方面，需对机组桨叶部分、调速器机械液压部分及调速器运行程序进行相应改造。机组桨叶操作机构可采取固定处理或拆除处理，固定转轮叶片安放角度，对调速器主配压阀桨叶操作油管进行拆除，对桨叶操作油路进行封堵，调速器运行程序改为单调机组运行。此项改造在技术上是可以得到保证的，并有成功的经验可以借鉴。
2.2 运行及维护检修方便
定桨式水轮机由于其结构简单，调试简捷，可大大节省调试时间。也由于其结构简单，比转桨式水轮机少一套操作机构，减少了检修维护工作量，运行费用较省。
2.3 减少机组运行事故威胁、减轻环境污染
轴流转桨式转轮常因转桨密封机构的磨损或其它故障而漏油，造成水源污染，高坝洲电厂曾发生过桨叶密封损坏，机组操作透平油泄漏，调速器油源进水事件，以及受油器浮动环密封破损造成机组操作油大量渗漏而紧急停机的事故，而改为定桨式水轮机则可避免上述情况发生。
2.4 减少机组用油量，降低调速器油压装置油泵工作负荷
机组桨叶操作机构的拆除直接减少了机组透平油用量，而操作油源使用量的大幅减少也降低了调速器油压装置油泵工作负荷，油泵频繁启动次数减少，设备损坏可能性减小，厂用电电量降低。
3 机组型式改造需考虑的不利因素
3.1 水轮机效率降低
轴流转桨水轮机桨叶由装在转轮体内的操作接力器控制，可按水头和负荷变化作相应调整，可根据不同水头、流量按照最优协联曲线运行，具有调节性能好、运行范围宽广以及适应性强、效率高等优点。而定桨式水轮机转轮桨叶不能转动，其叶片开口固定，叶片进出口安放角固定，不像转桨式转轮可适应大范围的流量及水流角度变化。表现在水力性能上，其高效运行区要窄得多，适用范围较小，这就给定桨式转轮的选择及运行以很大的局限。无疑将高坝洲电厂转桨式机组改为定桨，水轮机效率将会有所降低。而进行桨叶的固定还需进行专项试验和研究，以寻求桨叶最优固定角度，尽可能加大水轮机运行效率。
3.2 机组运行安全性受到影响
根据相关资料，轴流转桨式机组改作定桨运行主要基于以下2种情况：
（1）洪水期间，水库大量弃水，恰好此时转轮叶片操作机构损坏，若停机检修，造成电能损失，因而在转轮叶片法兰处作临时焊接固定，将转轮叶片固定在某一角度作定桨运行。
（2）机组某些部件制造质量欠佳，机组不能在导叶和转轮叶片协联情况下运行，即协联失效，被迫改为定桨运行。如广西大化电站，曾以手动调桨方式运行。调速器的导叶和转轮叶片的协联不稳定，可能造成失控现象，水轮机转轮叶片可能突然自动关闭，发电机推力轴承瓦温过高，为了避免推力瓦温过高，只能放弃水轮机在高效率的协联关系下运行，手动调节将转轮叶片开度适当增大，以降低转轮水推力，使发电机推力瓦温降低到允许范围内运行。
高坝洲电站出现弃水情况较少，而目前机组运行还较为稳定，导叶与桨叶协联也较理想，机组效率较高，故不满足上述条件。而考虑到机组运行的安全性就必须认识到轴流转桨与轴流定桨运行时水轮机产生飞逸转速的差异不同。
水轮机在运行中因机组故障突然甩负荷，调速器失灵造成导叶不能关闭，轴流转桨式水轮机在导叶和转轮叶片保持协联情况下产生飞逸转速，因导叶开度增大的同时，转轮叶片开度也增大，飞逸转速比较低。而水轮机作轴流定桨运行时，在比较小的叶片角，如叶片角在O0和-50时，水轮机产生飞逸转速时的撞击损失和涡流损失要在比较高的转速才到最大值，水流功率与机组能量损失才相平衡，故飞逸转速远比导水叶与轮叶协联情况的飞逸转速要大。高坝洲电厂机组如要考虑将转桨改为定桨运行需要制造厂家对机组飞逸转速进行重新计算校核，以保证机组即使产生飞逸转速时不会对机组造成大的损害。而水轮发电机组的零部件的制造是按飞逸转速进行校核的，一般保证机组在设计飞逸转速下运行不超过2分钟。按轴流转桨式飞逸转速设计的发电机转子，改为轴流定桨运行时产生的飞逸转速更大，超过发电机转子的设计强度，即使产生飞逸转速机率很小，但是一旦发生，可能使发电机转子甩出，使发电机定子线圈全部烧损。
3.3 需要对桨叶及操作机构、调速器相关设备进行改造
如进行改造，需要考虑定桨转轮叶片能够适应的水头变化范围，是否对转轮的重新选型更换，或者采用不更换转轮体，根据计算和通过机组试验确定转轮叶片运行的最优运行角度（效率高、稳定工况、不振动、无气蚀等），固定原操作接力器活塞，将转轮5个叶片焊接牢固，桨叶固定在最优工况点运行，转轮改造完成后，对机组受油器进行相应改造处理，另还需对调速器桨叶操作机构及调速器液压系统进行改造处理，更改调速器运行程序等。以上部分改造的实施有一定的难度，且需要一定的经费支持。
3.4 需要对电网调度运行方式进行重新论证
水轮机需避开机组振动区运行，转桨改为定桨后，机组出力范围需重新进行试验确定。原设计资料显示，高坝洲电站为上游隔河岩电站的反调节水库，为保证下游河道通航，电站最少应下泄120m3/s流量，相当于发4万千瓦基荷，电站又需满足电网系统调峰要求，如进行改造，需对上述问题进行进一步研究。
4 结束语
以上是对高坝洲电厂机组型式由转桨机组改造为定桨机组的必要性分析，对改造需要考虑的各个方面进行了论述，对改造的有利和不利因素进行了探讨。考虑到机组运行效率、运行安全、以及技术经济方面的要求，建议不作机组型式改造，如确需改造，需进一步权衡利弊，以得出最佳结论。
参考文献
[1]刘大恺.水轮机（第三版）[M].北京：中国水利水电出版社，1997.
[2]陈造奎.水力机组安装与检修[M].北京：中国水利水电出版社，2002.
[3]GB8564-2003.水轮发电机组安装技术规范[S].