摘要：近10年来老电站改造工作开展得如火如荼，以经济、简便、合理的方法进行这类机组的改造，具有不可小视的节能减排社会效益，同时还可以提高贫困地区农村小水电经济效益。

关键词：全生命周期;水轮机;导水机构;改造费

0引言

近年来国内投运30年左右的水电站已经陆续进入到技术改造的周期内，且由于建设期的设备缺陷、设备故障、与现行规范不符等原因，部分2000年以后投产的水电站也已陆续开始进行技术改造工作[1]。但是，由于水电行业内关于技术改造的规范较少，各个水电站均是根据运行维护经验来开展相关技改工作，以消除设备故障、缺陷、安全隐患为目的，缺乏整体规划和通盘考虑，普遍存在“头痛医头、脚痛医脚”的问题。马艳丽等[2]指出，“传统的水轮发电机组检修方式有定期检修、状态检修或预知性检修。定期检修，单纯以时间间隔为依据对设备进行检修，容易产生过度维修，造成人力、财力、物力的浪费，甚至还会引发维修故障。”此外，部分水电站在改造方案的选择上只顾眼前利益，比如为了“省钱”，而选择一次性投资低、但改造效果一般的方案，虽然短期内能基本解决问题，但往往几年后又要面临再次改造的困境。最终导致部分水电站的改造工作普遍存在改造效果差、多轮次反复改造等问题，造成严重的资源浪费。因此，为了确保电站的改造投入能达到较好的效果，有必要从全生命周期的角度来进行方案拟定、成本费用分析与核算，经过详细对比后，最终遴选出最优的改造方案。

1水电水轮机改造的必要性

1.1转轮效率低

效率是水轮机性能的重要指标，据统计，从五十年代至二十一世纪初，水轮机效率每十年提高约1%，目前我国农村小水电机组的转轮大多数为国内五六十年代产品，与现在性能优良的转轮相比，真机效率约低5%～7%以上，造成大量水力资源的浪费。

1.2机组设计与选型不合理

五六十年代“大锅饭”的思想以及体制上的种种原因导致技术人员的积极性严重不足，不按电厂的实际条件进行设计，直接照猫画虎，生搬硬套，使得水轮机与电机容量相差过多，机组出力大大受限。

1.3运行可靠性差

由于设计、制造水平不足，几十年前的水轮机性能指标较低，如高效区狭小、汽蚀性能差、振动区范围大等，对机组的安全性和稳定性产生了严重的影响，极大程度地降低了电站设备的运行时长和效益[3]。大部分电站经过几十年的运行，水轮机叶型遭到破坏，过流部件间隙扩大而造成大量水力损失，机组振动严重、运行条件恶劣、设备事故增多、机组检修频繁，已无法可靠运行。

1.4自然条件变化

随着经济的快速发展，部分水电站周边的工农企业用水量大大提升。另外，日常生活和生态发展用水等过去忽略的部分消耗也逐渐增多[4]。经几十年运行，上、下游水位发生较大变化，机组已无法在原定工况下运行，甚至停机弃水。

2基于全生命周期的方案比选

设备全寿命周期成本分析主要从改造一次性投入、运行成本、检修成本、故障成本及退役处置成本等几方面综合考虑。其中故障成本方面，从本电站近年的运行记录来看，非计划性停机次数及累计停机时间不多，且非计划性停机时间差别也较难预测，因此无需进行比较。

2.1比选边界条件

2.1.1进口边界条件

在商用软件FLUENT中，进口边界有三种：速度进口边界条件（velocity-inlet）：适用于不可压缩流体;速度标量值;压力进口边界条件（pressure-inlet）：不可压缩流体和可压缩流体均适用;压力标量值。质量流量进口边界条件（mass-flow-inlet）：适用于可压缩流体。

2.1.2出口边界条件

当流体不可压缩时，通常有两种出口边界条件可供选择：压力出口边界条件（pressure-outlet）;自由出流边界条件（outflow）。

压力出口边界条件是针对已知具体的流场来设置的，必须要有准确的出口面上静压值。若不能得到具体的出口压力和流动状态信息，可设置出口边界条件为自由出流边界条件，若为单一出口面，将流量比重设置为1，这种情况下有一个弊端，当出口为变截面的扩散段时，流速过大会形成管内回流，导致计算精度下降。因此，需要假设物理场的流动趋于稳定，出口段的流动已经完全充分发展，只有这样，才能保证所设置的边界条件不会对上游物理场的流动产生影响。因此，本文研究过程中选择出口边界条件为自由出流。

为方便比较，需明确以下边界条件：

（1）由于4号机组水轮机主要部件已经于2004年完成改造工作，其改造后的水轮发电机组整机设计寿命按30a考虑，目前剩余寿命约为15a。因此本改造项目的全寿命周期成本、效益的计算时间跨度按水轮发电机组剩余寿命考虑，即15a。15a后方案1的导水机构使用寿命还剩下15a，方案2已经超期服役多年，按报废处理。

（2）机组检修周期为每5a1次A或B级检修（A、B轮换），每年年度检修可能存在的检修级别组合为：A+D、B+D、C+D。（3）报废设备的残值，目前并无正式规定，一般可取固定资产的5%。假设导水机构改造后全部转成固定资产。

2.2一次性投入费用

（1）对于整体更换方案：一次性投入主要由设备采购、安装等费用组成，整体更换方案总投资约为543.66万元。

（2）对于大修方案：大修投入主要包括拆装、调试试验、耗用相关的材料、备品备件等费用。参考近五年来本水电站机组的导水机构检修实际发生费用，估算导水机构大修一次性投入费用为35万元。

2.3运行成本

（1）对于整体更换方案：导水机构进行整体更换后，将降低导叶漏水量，提高水资源利用率，根据其他已改造机组的改造合同，导水机构改造后的导叶漏水量保证值为0.27m3/s，按照4号机组每年备用时间按5540h计算，每年因导叶漏水损失的电量约为102万kWh，电价暂按0.3元/kWh计算，则4号机组每年因导叶漏水损失电量约为30.6万元。

（2）对于大修方案：导水机构进行整体大修后，只能改善设备部分区域的气蚀状况，对于设备可靠性提高不大，而且导叶漏水量依然存在，经过测试，4号机的漏水量达到0.75m3/s，按照4号机组每年备用时间按5540h计算，每年因导叶漏水损失的电量约为283万kWh，电价暂按0.3元/kWh计算，则4号机组每年因导叶漏水损失电量约为85.0万元。

2.4运行成本

（1）对于整体更换方案：更新改造后，设备状况得到彻底改善，维修项目很少。费用包括导水机构的日常维修、D级、C级、B级、A级检修费用等。

（2）对于大修方案：大修后，设备状况未能得到彻底改善，维修费用依然很高。费用包括导水机构的日常维修、D级、C级、B级、A级检修费用等。

3总结

水轮机增容改造的主要方法是更换性能较优的新型转轮来提升机组出力，若无法找到合适的新型转轮，可重新设计一个与当前实际条件和固有流道尺寸相匹配的转轮，再通过流场模拟对其性能进行预估后，即可制造一个新转轮来达到增容改造目的。

参考文献

[1]马艳丽、周强、任江涛.水轮机水压式端面工作密封的改造分析[J].机械设计与制造工程，2021，50（02）：107-111.

[2]马艳丽、周强、任江涛.黑河水电站水轮机主轴密封的优化改造[J].液压气动与密封，2021，41（02）：35-38.

[3]刘阳、潘利坦、孟鹏、韦正鹏.基于流固耦合的混流式水轮机转轮裂纹改造分析[J].水电能源科学，2021，39（01）：151-154+163.

[4]裴剑辉.竖井贯流式水轮机组主轴密封改造实践[J].云南水力发电，2021，37（01）：145-147.