中小型水電站水輪機發電機組技術增容改造設計的必要性和可行性,峨眉山建南水電設備制造有限公司專注水輪機研發生產近60年，是一家專注水電站發電設備的專業生產高新企業。

一、我國中小型水電站的發展現狀
       建國以來，我國水電建設取得了巨大成就，據統計我國常規水電裝機容量已達到7700×104ｋＷ，其中，中小型水電站4．5×104余座，擁有機組 7×104余臺，總裝機容量達2020×104ｋＷ，有近一半為50～60年代制造的設備①。由于當時條件限制，這些電站的水輪機多數是應用前蘇聯 40～50年代的技術，制造技術落后，效率較低，過流能力差，總的能量指標偏低。加上大部分國產機組生產于特殊年代，不按電廠各種條件而硬性套用定型圖紙，或僅按模型試驗的特定角度硬性規定設計，致使原來水力效率不高的轉輪又偏離了高效率區。還有性能指標較低，如高效區狹小、振動區范圍大、空化性能差等，對機組的安全穩定運行產生了嚴重的影響，很大程度上降低了電站設備的運行管理水平和效益。

       另外，由于大部分電站已運行了三四十年，機組設備在性能和結構方面都已陳舊、事故增多、檢修頻繁。長期運行已使過流部件磨損，特別是轉輪、導葉等部件由于空蝕和磨損，葉型遭到破壞，間隙增加而使效率下降。根據國外有關資料介紹，效率下降約為２％。特別是有些電站或由于當年是套用機組，或由于電站參數發生變化，使機組長期在低效率下運行，浪費能源，亟待早日解決。與此形成鮮明對比的是，近年來，隨著國民經濟的發展和人民生活水平的不斷提高，電力負荷峰谷差愈來愈大，增大中小型電廠在電網系統中的調峰、調頻能力也愈顯重要。而電力系統越來越多地要求水電機組特別是中小型水電機組擔負調峰、調頻和事故備用任務，這樣就增加了機組啟動、停機次數，致使水輪機部件動

中小型水電站水輪機轉輪改型設計的必要性和可行性
一、我國中小型水電站的發展現狀

建國以來，我國水電建設取得了巨大成就，據統計我國常規水電裝機容量已達到7700×104ｋＷ，其中，中小型水電站4．5×104余座，擁有機組 7×104余臺，總裝機容量達2020×104ｋＷ，有近一半為50～60年代制造的設備①。由于當時條件限制，這些電站的水輪機多數是應用前蘇聯 40～50年代的技術，制造技術落后，效率較低，過流能力差，總的能量指標偏低。加上大部分國產機組生產于特殊年代，不按電廠各種條件而硬性套用定型圖紙，或僅按模型試驗的特定角度硬性規定設計，致使原來水力效率不高的轉輪又偏離了高效率區。還有性能指標較低，如高效區狹小、振動區范圍大、空化性能差等，對機組的安全穩定運行產生了嚴重的影響，很大程度上降低了電站設備的運行管理水平和效益。
另外，由于大部分電站已運行了三四十年，機組設備在性能和結構方面都已陳舊、事故增多、檢修頻繁。長期運行已使過流部件磨損，特別是轉輪、導葉等部件由于空蝕和磨損，葉型遭到破壞，間隙增加而使效率下降。根據國外有關資料介紹，效率下降約為２％。特別是有些電站或由于當年是套用機組，或由于電站參數發生變化，使機組長期在低效率下運行，浪費能源，亟待早日解決。與此形成鮮明對比的是，近年來，隨著國民經濟的發展和人民生活水平的不斷提高，電力負荷峰谷差愈來愈大，增大中小型電廠在電網系統中的調峰、調頻能力也愈顯重要。而電力系統越來越多地要求水電機組特別是中小型水電機組擔負調峰、調頻和事故備用任務，這樣就增加了機組啟動、停機次數，致使水輪機部件動載荷增加，運行條件變得苛刻，對那些設備陳舊的老電站，擔負這樣任務顯然力不從心。同時，近幾年大電網對地方電網實行峰谷差價和峰電超計劃加價政策，讓電網中調節性能較好的水電站實行頂峰發電，多發電必將會顯著提高地方電網的負荷率和經濟效益。
二、水輪機轉輪改型的必要性和可行性
1、水輪機轉輪改型的必要性
從我國水電事業的發展現狀來看，大批水電站存在的主要問題及產生的嚴重后果主要是長期以來水輪機轉輪的設計制造與使用條件相脫節，主要表現在下面幾個方面〔2〕：
（１）水輪機轉輪效率低。水輪機效率是水輪機性能的重要指標，據統計從50年代至今，水輪機效率每10年提高一個百分點，我國有一大批機組水輪機轉輪系國內50、60年代產品，與90年代國內外先進轉輪相比，差距很大，真機效率約低 2％～5％以上。造成可利用能源的巨大浪費。

（２）水輪機與水輪發電機選型不合理。“六五”以前安裝的水輪發電機組，由于設計條件限制，有些電站選擇水輪機與發電機偏于保守，使水能不能充分利用，有些電站選擇水輪機與發電機容量匹配不當，從而大大限制了機組出力。

（３）水輪機運行可靠性差。水輪機受當時設計、制造水平限制，水輪機抗空化、抗磨損、抗振動性能差，經幾十年運行，一些機組空化、磨損、振動嚴重，運行條件惡劣、事故隱患不斷增加。嚴重影響水輪機的可靠運行。

（４）自然條件的變化。近年來隨著經濟的發展，有些電站的上游大力發展耗水量較大的農業企業，工農業用水量突飛猛進。另外，隨著人們生活質量的提高，生活用水、環境用水、生態用水等過去設計電站時忽略的部分消耗也一天比一天增多。這樣部分水輪發電機組經幾十年投運，上、下游水位已發生較大變化，原有轉輪運行已大大偏離設計工況，甚至無法正常運行。

綜上所述，８０年代以前建設的一大批電站，由于機電設備落后，技術老化，機組設計水平低，制造工藝差，技術參數低。以及部件老化機組出力受阻和自然條件的變化，已不能充分利用已開發的水力資源，從而造成水力資源的再度浪費。再加上電網調峰的迫切需要。如何提高已開發的水力資源的經濟效益和社會效益成為許多老水電廠面臨的重大課題。

       眾所周知，水輪機轉輪水電站的核心設備。水輪機的水力性能、振動與空化主要取決于轉輪性能，轉輪性能的優劣對合理開發利用水能、保證電網可靠性方面有著巨大影響。因此，對老的水輪機轉輪的更新改造勢在必行。通過對水輪機轉輪的改型，可提高機組效率，增加電站容量，改善機組運行的安全穩定性。

2、水輪機轉輪改型的可行性

首先，從經濟的角度分析，開發新電站投資大、周期長，而進行水輪機轉輪的增容改造由于不需要再建大壩等水工建筑物，故投資很少，見效很快，經濟效益很高。一般認為，對老電站的增容改造其單位千瓦投資要比新建電站低２/３以上〔３〕。

因此，水電站水輪機轉輪的改型是一項投入少產出多效益顯著的項目，是提高水電站運行可靠性和經濟性的最主要方向，已成為許多國家解決能源短缺問題的手段之一。

其次，從技術上來說，近年來計算機與計算技術、流體機械三維流動分析與設計理論、通訊與傳感器技術、現代控制理論和機械加工技術等都已取得了很大的進步。使得現代轉輪的設計、測試和制造方面都取得了長足的進步。這些新的技術主要表現在造成可利用能源的巨大浪費。

（２）水輪機與水輪發電機選型不合理。“六五”以前安裝的水輪發電機組，由于設計條件限制，有些電站選擇水輪機與發電機偏于保守，使水能不能充分利用，有些電站選擇水輪機與發電機容量匹配不當，從而大大限制了機組出力。
（３）水輪機運行可靠性差。水輪機受當時設計、制造水平限制，水輪機抗空化、抗磨損、抗振動性能差，經幾十年運行，一些機組空化、磨損、振動嚴重，運行條件惡劣、事故隱患不斷增加。嚴重影響水輪機的可靠運行。
（４）自然條件的變化。近年來隨著經濟的發展，有些電站的上游大力發展耗水量較大的農業企業，工農業用水量突飛猛進。另外，隨著人們生活質量的提高，生活用水、環境用水、生態用水等過去設計電站時忽略的部分消耗也一天比一天增多。這樣部分水輪發電機組經幾十年投運，上、下游水位已發生較大變化，原有轉輪運行已大大偏離設計工況，甚至無法正常運行。
綜上所述，８０年代以前建設的一大批電站，由于機電設備落后，技術老化，機組設計水平低，制造工藝差，技術參數低。以及部件老化機組出力受阻和自然條件的變化，已不能充分利用已開發的水力資源，從而造成水力資源的再度浪費。再加上電網調峰的迫切需要。如何提高已開發的水力資源的經濟效益和社會效益成為許多老水電廠面臨的重大課題。
眾所周知，水輪機轉輪水電站的核心設備。水輪機的水力性能、振動與空化主要取決于轉輪性能，轉輪性能的優劣對合理開發利用水能、保證電網可靠性方面有著巨大影響。因此，對老的水輪機轉輪的更新改造勢在必行。通過對水輪機轉輪的改型，可提高機組效率，增加電站容量，改善機組運行的安全穩定性。
2、水輪機轉輪改型的可行性
首先，從經濟的角度分析，開發新電站投資大、周期長，而進行水輪機轉輪的增容改造由于不需要再建大壩等水工建筑物，故投資很少，見效很快，經濟效益很高。一般認為，對老電站的增容改造其單位千瓦投資要比新建電站低２/３以上〔３〕。
因此，水電站水輪機轉輪的改型是一項投入少產出多效益顯著的項目，是提高水電站運行可靠性和經濟性的最主要方向，已成為許多國家解決能源短缺問題的手段之一。
其次，從技術上來說，近年來計算機與計算技術、流體機械三維流動分析與設計理論、通訊與傳感器技術、現代控制理論和機械加工技術等都已取得了很大的進步。使得現代轉輪的設計、測試和制造方面都取得了長足的進步。