云南水力发电 第２８卷 ＹＵＮＮ＾ＮＷＡＴＥＲＰＯＷＥＲ 第２期 马鹿塘水电站一期工程水轮机改造研究及实践 姚建国 （中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南昆明６５００５１） 摘要：马鹿塘水电站一期工程水轮机改造的水力参数选择、前后期的有效结合、结构设计和改造方案等，随着马鹿塘水电站二期 高坝工程的建设，一期工程运行水头大幅提高，水轮发电机组需进行改造。改造的原则是仅改造水轮机，并保持水轮机埋入部件、 机组额定转速和单机容量不变，发电机及机墩土建结构不改造。马鹿塘水电站一期工程水轮机改造于２００７年ｌ０月开始实施， ２０１０年８月两台水轮机改造完成并重新投入发电，机组运行平稳，机组出力、效率等指标满足要求，水轮机改造取得了经济效益和 社会效益的双赢。 关键词：马鹿塘水电站；水轮机；运行水头；大变幅；改造；实践 中图分类号：ＴＫ７３０；ＴＫ７３０．２；ＴＫ７３０．３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００６—３９５１（２ｏｌ２）０２—００２８—０５ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—３９５１．２Ｏ１２．０２．００８ １工程简介 ２改造问题的由来 马鹿塘水电站位于云南省文山州麻栗坡县境内 马鹿塘水电站二期工程以发电为主要开发目 盘龙河上，系盘龙河梯级开发中的第八个梯级，电站 的，采用混合式开发，首部位于一期大坝下游约４００ 分两期开发建设。 ｉｎ处的盘龙河与畴阳河汇口下游峡谷入口处，坝型 一期工程以发电为主要开发目的，采用低坝引 为混凝土面板堆石坝，最大坝高１５４ ｍ，水库正常蓄 水式开发，首部位于盘龙河右岸支流畴阳河口下游， 水位６２７．００ ｍ，死水位５５５．００ ｍ，总库容５．３６×ｌ０８ 坝型为混凝土重力坝，最大坝高４０ ｎｌ，水库正常蓄 ，调节库容４．２２ Ｘ ｌｏ＇ ，具有年调节能力。 水位５１５．００ ｍ，死水位５０８．００ ｍ，总库容４．１５×１０６ 二期高坝建成蓄水后，一期工程整个首部枢纽 ，调节库容为２．７２×ｌＯ６ ｍ３，具有周调节能力。引 建筑物处于二期正常蓄水位之下，全部废弃，进水 水系统布置于盘龙河右岸，由坝式进水口、引水隧 口、引水隧洞及调压井亦将废弃。一、二期电站共用 洞、调压井及钢管道组成，采用一管两机的布置方 新建的二期大坝、进水口、引水隧洞及调压井，并在 式。厂区枢纽位于猛洞河上游盘龙河右岸，主厂房 调压井后设连接隧洞向一期电站供水发电。一期钢 内装设两台混流式水轮发电机组及其附属设备，水 管道已按二期建成后的水头条件设计。一期发电厂 轮机蜗壳进口前设有进水球阀装置。电站装机容量 房位于二期厂房上游，两者尾水位互不影响。一期 ２×５０ ＭＷ，多年平均发电量６．９７×１０ｓ ｋＷ・ｈ，年利 电站运行水头大幅提高，前、后期主要特征参数变化 用小时数６９７０ ｈ，保证出力３９．２ ＭＷ。一期工程于 见表１。 ２００２年１月开工建设，两台机组分别于２００４年１０ 一期工程后期水轮机最大水头、额定水头、最小 月和２００５年１月相继建成并投产发电。 水头分别比前期提高了１１３．３ ｍ、９８．５ ｍ、６１．５ ｍ，在 一期工程水轮发电机组及其附属设备由原通用 如此大的水头变幅下，如果将一期工程的水轮发电 电气亚洲水电设备有限公司设计制造，水轮机主要 机组原封不动地过渡到后期运行，水轮机运行范围 参数为：型号：ＨＬ（Ｆ）一ＬＪ一２３０；公称直径：２．３６１ 变化见图１，将存在以下问题： ｍ（Ｄ，）／１．６４ｍ（Ｄ ）；最大水头：２４８．００ｍ；额定水头： １）水量损失大。额定点单位转速ｎ 由６８ ｒ／ ２２１．５０ ｍ；最小水头：２１８．００ ｍ；额定流量：２５．７１ ｍ３／ ＩＩｌｉｎ（以转轮直径Ｄ 计，以下同）降低至５６．６ ｒ／ａｒｉｎ， ｓ；额定效率：９２．３％；最高效率：９４．０６％；额定出力： 单位流量 由０．３１ ｍ３／ｓ降低至０．１８ ｍ３／ｓ，水轮机 ５１．５５ ＭＷ；额定转速：４２８．６ ｒ／ｍｉｎ；飞逸转速：７１５ ｒ／ 运行范围大大偏离高效稳定运行区域，效率大幅降 ｍｉｎ；吸出高度：一５ ｍ； 低，常年运行水量损失大、不经济； 收稿日期：２０１Ｉ一０７—２２ 作者简介：姚建国（１９７０一），男，人，高级工程师，主要从事水电站水力机械设计工作 姚建国 马鹿塘水电站一期工程水轮机改造研究及实践 ２９ 表１一期工程前后期主要特征参数比较表 流量０ｌｌ／（ｍ ／ｓ） 图１水轮机运行范围变化图 ２）加速水轮机导叶磨损。由于偏离最优工况 过远，额定出力时导叶开度仅为原来的５０％左右， 水轮机在这样小开度下运行，会带来压力脉动、机械 振动及空蚀等不安全因素，并造成导叶绕流速度提 高，加速导叶的磨损破坏； ３）工况点偏离。水轮机运行工况点偏离最优 工况过远，无法满足运行调度要求。 如此大水头变幅，原一期电站两台水轮发电机 组的运行条件发生了极大改变，已不能满足运行水 头大幅提高后的安全稳定运行需要，必须进行改造。 ３改造的基本原则 根据马鹿塘水电站的水能资源及建设单位对马 鹿塘水电站一期工程改造的基本要求，一期工程改 造需维持一期电站机组台数及单机容量５０ ＭＷ不 变，以工程量节省、工期短为设计原则。 机组设备的改造途径： １）改造水轮机，不改造发电机。具体方案是： 一期工程水轮机过流部件按兼顾一、二期设计，强度 按后期水头考虑，二期工程建设时更换合适的转轮 及部分水轮机部件，使水轮机在最优工况附近运行， 并保持机组额定转速和单机容量不变。此方案的优 点是机组设备改造投资较少，缺点是：①要保持水轮 机埋人部件（包括蜗壳、尾水肘管等）、机组额定转速 和单机容量不变，发电机及机墩土建结构不改造，水 轮机流道不可能完全匹配，转轮选择及性能保证较 为困难，水轮机改造有很大难度；②前、后期转轮的 导叶高度不同，需进行座环改造，实施较为困难。 ２）水轮机、发电机同时改造，具体化方案是：一 期工程水轮机过流部件按兼顾一、二期设计，强度按 后期水头考虑，二期工程建设时更换合适的转轮及 部分水轮机部件，使水转机在最优工况附近运行；同 时更换发电机，机组额定转速由４２８．６ ｒ／ｍｉｎ提高至 ５００ ｒ／ｍｉｎ，单机容量维持５万ｋＷ不变。此方案的优 点是水轮机转轮选择相对容易，缺点是：①机组设备 改造投资较大；②一期工程建设时发电机基础设计 需兼顾一、二期发电机结构需要，发电机设计有很大 难度；③前、后期转轮的导叶高度不同，需进行座环 改造，实施较为困难。 结合一期工程建设的实际情况，经技术、经济综 合比较，确定机电设备改造的原则是仅改造水轮机， 并保持水轮机埋入部件、机组额定转速和单机容量 不变，发电机及机墩土建结构不改造。 ４水轮机改造的水力参数选择 ４．１比转速／／， 和比速系数Ｋ的分析及选择 根据二期高坝建成后一期工程的特征参数及水 轮机改造的基本原则，经综合分析研究，要保持机组 额定转速和单机容量不变，相应的水轮机比转速 ／２ ＝７２ ｍ・ｋＷ，比速系数Ｋ＝１ ２８８。 ４．２模型水轮机 。、 和叩选择 经综合分析研究，若水轮机改造时保持原转轮 直径不变，所需模型转轮参数为：最优单位转速 ｎｑ。＝５５～５８ ｒ／ｍｉｎ，工况单位流量Ｑ ＝０．１８～ ０．２ ｒＩ】３／ｓ，要达到如此参数是很困难的。 适合该电站后期水头范围的混流式转轮型号有 Ａ１７８、Ａ１７９、Ａ１８０、Ａ５４２、Ｄ５４、ＨＬ（Ｅ）、Ｄ３７２、ＨＬ（Ｃ） 等，其模型参数见表２，按统计公式计算的／１， ¨ｎ 。 和９ 值见表３。 根据高水头水轮机的特点及二期工程建成后的 一期工程特性，结合目前适合该电站后期水头范围 的混流式水轮机模型转轮参数及按统计公式计算的 ／／， ／／，ｔ１０和Ｑ 数值，经多方案分析研究，在一期工 云南水力发电 ２０１２年第２期 程水轮发电机组设计时对水轮机进行适当改型，后 水头分别比前期提高了１１３．３ ｍ、９８．５ ｍ、６１．５ ｍ，在 期改造时通过增加原型转轮直径和降低导叶高度， 将最优单位转速ｒｔｔｌＯ提高到５７～６３ ｒ／ｍｉｎ，工况 单位流量Ｑ 降至０．１７—０．２ ｍ３／ｓ是可能的，能满 足改造要求。 表２水轮机模型转轮参数表 如此大水头变幅下对水轮机进行改造，并保持水轮 机埋入部件（包括蜗壳、尾水肘管等）、机组额定转速 和单机容量不变，发电机及机墩土建结构不改造，水 轮机改造有很大难度。 为满足二期工程建设时一期工程水轮机改造的 需要，在一期工程设计时，充分考虑了二期工程建设 时对一期工程改造的可能性，事先对水轮发电机组 设计及水轮机改造问题进行了针对性研究，充分考 虑了后期水轮机改造的需要，对水轮发电机组及附 属设备的结构、参数等进行了改进，主要表现在以下 方面： １）一期工程水轮机流道设计考虑了二期工程 建设时更换合适转轮的需要，为兼顾后期的导叶分 布圆和尾水锥管进口直径变化的要求，事先将顶盖 稍放大，尾水锥管设计成可拆式。 ２）一期工程对蜗壳、座环、尾水肘管等预埋过 流部件，按兼顾后期运行条件设计，且按二期建成后 水头来制造。后期改造时，新转轮用于一期尺寸较 计算值 统计公式 ｌ ｎ １ｏ Ｑ １ 备注 大的蜗壳、较大较深的尾水管中，性能容易保证。 ３）一期工程水轮机吸出高度一５ ｍ，能满足后 期改造时新转轮的需要，尾水渠不需改造。 ４）发电机按兼顾后期飞逸转速和水推力的需 要进行设计和制造。 ／（ｒ／ｒａｉｎ）／（ｒ／ｒａｉｎ）／（１／ｓ） ５）进水球阀装置及附件（含伸缩节、凑合节和 前后接管等）按兼顾后期进行设计，且按二期建成后 水头来制造，工作压力为４．５ ＭＰａ。 ６）调速系统按兼顾后期运行要求进行设计和 制造。 ６水轮机改造的总体方案 根据一期电站机组设备现状及水轮机改造需达 到的参数要求，确定水轮机改造的总体方案如下： 综合考虑各方面因素，对马鹿塘水电站一期工 程水轮机改造转轮的效率提出如下要求：模型最高 效率＇７ Ｉ＞９２％，模型额定点效率 ≥９０％。 据此，确定水轮机改造的水力参数范围如下：比 转速：／７， ＝７２ ｍ・ｋｗ；比速系数：Ｋ＝１ ２８８；最优单位 转速：ｎ 。＝５７～６３ ｒ／ｍｉｎ；工况点单位流量： １）更换水轮机转轮。由于水轮机最大水头由 ２４８．００ ｍ增加到３６１．３０ ｍ，额定水头由２２１．５０ ｍ增 加到３２０．００ ｍ，水轮机转轮必须更换。新转轮选择 的原则：①运行范围需满足后期水头条件并安全稳 定运行；②转轮选择要综合考虑能量指标、抗空蚀、 抗磨蚀和稳定性等因素；③由于安装高程不能改造， Ｑ，－＝０．１７—０．２ ＩＩｌ３，ｓ；模型最高效率：叩 ≥９２％； 模型额定点效率：呀 Ｉ＞９０％。 新转轮要求的吸出高度不能超过一５ ｍ；④原导叶高 度为３２６ ＩＴＩｎｌ，新转轮导叶高度应等于或稍小于３２６ ｍｉｎ，以利于固定导叶处的修型改造，使水流流态平 稳；⑤新转轮最大飞逸转速应小于７１５ ｒ／ｍｉｎ，最大水 推力应小于９８０ ｋＮ，以满足发电机特性要求。 ５一期工程建设为水轮机改造创造的条件 一期工程后期水轮机最大水头、额定水头、最小 姚建国 马鹿塘水电站一期工程水轮机改造研究及实践 ２）更换尾水锥管。根据新转轮的要求更换尾 叶片，具有效率高、抗空蚀、抗磨蚀、稳定性优良的综 合性能，已在国内外多个电站使用，具有成熟经验。 ｃ转轮应用于一期工程水轮机改造具有以下优点： １）流道尺寸与原一期工程采用的经过修正后 的Ｆ转轮比较接近。一期工程的导叶分布圆直径 水锥管，并保证尾水锥管与尾水肘管连接处水流流 态平稳。 ３）铺设钢板。水轮机安装高程保持不变，预埋 过流部件（包括蜗壳、座环、尾水肘管等）已按兼顾二 期工程建成后的运行条件设计并按后期水头制造并 埋设，蜗壳、尾水肘管不需改造。在座环固定导叶上 下端处铺设适当厚度的钢板，使座环开口高度满足 新转轮的需要。 ４）更换导水机构、顶盖、底环、固定上下止漏 ２２８６ ｍｍ已比纯Ｆ转轮的导叶分布圆略微放大，现 改造采用的ｃ转轮要求的导叶分布圆直径为２ ２８５ ｍｌＴｌ，两者仅相差１ ｎｌｌｎ。这就实现了在原有的座环 空间内，完全按ｃ转轮的要求布置转轮和导水机构 的需要。 ２）运行区域优越，经计算，水轮机转轮直径 Ｄ１＝２．５５ ｍ／Ｄ２＝１．３９６ ｍ，额定转速４２８．６ ｒ／ｒａｉｎ时， 水轮机运行范围见图３，真机运行区域包括最优区， 环、导叶、导叶套管、导叶磨擦装置、连板、控制环、导 叶接力器、主轴密封等部件，使水轮机满足二期高坝 建成后的运行要求。顶盖设计充分考虑现有机坑里 衬及定子尺寸，以保证顶盖能顺利吊出。 ５）水轮机轴和水导轴承已按兼顾后期设计，应 尽量不改造。 运行范围内效率高，模型最高效率９２．５％，额定工 况点效率９１％，空蚀性能和运行稳定性能优越。 ７６ ６）机坑里衬、接力器坑衬不改造。 ７）发电机已按兼顾后期飞逸转速和水推力的 需要进行设计制造，不改造。 ８）进水阀装置及附件已按兼顾后期运行条件 进行设计制造，不改造。 ９）调速系统已按兼顾后期运行要求进行设计 制造，不改造。 水轮机改造的总体方案见图２。 ７３ ６９ 星６ ６２ ５８ ５４ ５１ ４７ ０．０３ ０．０４５ ０．０６ ０．０７５ ０．０９ ０．１０５ Ｏ．１２ ０．１３５ ０．１５ ０．１６５ ０．１８ ０．１９５ ０ｎ／（ｍ３／ｓ） 图３改造转轮运行范围图 ３）ｃ转轮要求的导叶高度为２２６ ｍｍ，略低于原 Ｆ转轮的导叶高度，便于固定导叶处的修型改造，使 水流流态平稳。 ４）Ｃ转轮要求的吸出高度仅一２．７５ ｍ，水轮机 安装高程满足要求，尾水渠不需改造。 ５）Ｃ转轮的最大飞逸转速为７１５ ｒ／ｍｉｎ，最大水 推力为６５０ ｋＮ，满足发电机特性要求，能保证发电机 图２水轮机改造总体方粟图 不需要改造。 ７．２座环改造 ７水轮机改造实践 马鹿塘水电站一期工程水轮机改造于２００７年 １０月开始实施。水轮机改造设备由杭州杭资通用 由于改造选用的ｃ转轮座环开口高度比一期 工程的座环开口高度低，所以需对座环进行改造，改 造方案如下： 发电设备有限公司制造供货。 水轮机改造的实施方案如下： ７．１转轮 １）整圆环状垫板。在制造厂内按ｃ转轮要求 的座环开口高度并与一期座环环板接合处水流平顺 加工垫板成整圆环状，然后分２瓣运至工地，垫板材 料为Ｑ２３５。 改造转轮选用ｃ转轮，该转轮带有“ｘ”形长、短 ３２ 云南水力发电 ２０１２年第２期 ２）上、下环垫板。垫板上与固定导叶相接处在 ４）垫板设塞焊孔与连接。在垫板中间位置设 现场按固定导叶实际尺寸配割成上、下环垫板各１６ 置塞焊孔，以保证垫板与原座环环板连接可靠。 块，配割间隙控制在３ ｌ／ｌｌｎ之内。 ５）焊接完成后将焊缝及过流面打磨光滑，并按 ３）垫板割缝与焊接。在每一块垫板的中间适 规范进行检查。 当位置割开约１０ ｉｎｎｌ，该割缝底部与座环环板焊接， ６）焊接中监控座环上、下平面变形，必要时修 顶部焊接深１０ ｒａｉｎ，中间部分加垫，垫板与原座环环 复座环平面，达到ＧＢ／Ｔ８５６４要求。座环改造方案见 板及固定导叶连接处进行封焊。 图４。 、 Ｂ－Ｂ旋转 Ｃ－Ｃ旋转 图４座环改造方案图 ７．３尾水管 ３）机坑里衬、接力器坑衬不改造。 尾水管为弯肘型，由尾水锥管和尾水肘管（含扩 ４）机坑外部的油、水、气管路已埋设，不需要改 散管）组成。尾水肘管已按一期工程改造的承压要 造，机坑内管路采用高压软管与埋设管路连接。 求设计和埋设，不需要改造。 ７．５水轮机改造后的主要参数 改造选用的Ｃ转轮出口直径为１ ３９６ⅡⅡｎ，小于 水轮机改造后的主要参数：型号：ＨＬ（ｃ）一ＬＪ一 原一期工程Ｆ转轮的出口直径，尾水锥管需更换。 ２５５；转轮直径：２．５５０ ｍ（Ｄ ）／１．３９６ ｍ（Ｄ２）；最大水 新尾水锥管的进口直径按Ｃ转轮要求确定为１ ４０２ 头：３６１．３０ ｍ；额定水头：３２０． ｍ；最小水头：２７９．５０ ｌｎｌｎ，出口直径按与已预埋的尾水肘管连接并保持水 ｍ；额定流量：１７．８５ ｍ３／ｓ；额定出力：５１．５５ ＭＷ；额定 流流态平稳确定为１ ８８１ ｍｉｌｌ，此时尾水锥管的锥度 效率：９２．２９％；额定转速：４２８．６ ｒ／ｍｉｎ；飞逸转速７１５ 约为５．２ｏ，满足高水头水轮机对尾水锥管锥度的要 ｒ／ｍｉｎ。 求，能保证水轮机的各项性能指标。 水轮机改造后的运转特性曲线见图５。 ７．４其它改造内容 １）按ｃ转轮的要求更换导水机构、顶盖、底环、 ８结语 、 固定上、下止漏环、导叶、导叶套管、导叶磨擦装置、 ２００９年９月，马鹿塘水电站一期工程两台水轮 连板、控制环、导叶接力器、主轴密封等部件，使水轮 发电机组开始停机进行水轮机改造。２０１０年８月， 机满足二期高坝建成后的运行要求。 两台水轮机改造完成并重新投入发电，机组运行平 ２）水轮机主轴、水导轴承能满足改造后的水轮 稳，机组出力、效率等指标满足要求。马鹿塘水电站 机运行要求，不改造。 一期工程水轮机改造取得了很大成功。 （下转第４４页） 云南水力发电 ２０１２年第２期 公（Ｄｅｎｅｐｏｘ４０）三家单位对溪洛渡水电站导流洞 工程出现的应力和温度裂缝进行化学灌浆加固处 理，保证了工程按期截流，溪洛渡水电站导流洞工程 目前运行良好。 表６环氧胶泥和环氧砂浆的轴向拉伸粘结强度试验结果表 注：带＊者为混凝土母材本身存在微裂纹。 ÷｝＿｛・｝｛・Ｈ・｝＿｛・｝＿｛・Ｈ・｝＿｛・｝．｛－｝＿｛・｝＿｛・｝｛・Ｈ・｝＿｛・｝．｛・Ｈ・｝＿｛・｝＿｛・｝｛・｝＿｛・｝＿｛・Ｈ・Ｈ・｝＿｛・｝＿｛・｝．｛・Ｈ・Ｈ・｝＿｛・｝＿｛・Ｈ・Ｈ・Ｈ・｝＿｛・Ｈ・｝＿｛・｝＿｛・｝＿｛・｝＿｛・｝．｛－｝＿｛・｝＿｛・｝＿｛・Ｈ・Ｈ・｝＿｛．｝ （上接第３２页） 马鹿塘水电站一期工程水轮机改造总投资约 ４００ ３８０ ３６０ ３４０ ３２０ ３ｏ０ ２８０ １ ６００万元。采用的改造方案保证了发电机及机墩 土建结构不需要改造，不仅节约发电机改造投资约 ３ ０００万元，还节约了土建工程改造的投资，经济效 益十分明显。 马鹿塘水电站一期工程水轮机改造的成功实 施，保证了电站分期开发建设的顺利实施及改造后 机组的安全稳定运行，具有很好的社会效益。 ２６０ ２４Ｏ 图５水轮机改造后运转特性曲线图
