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1 概况
南告水电厂位于广东省汕尾市陆河县境内，电站原装机容量为3×15 MW，并于1982年全部投产。后又加装小机1×6.5 MW，并于1996年投产。
电站为混合式高水头电站。从进水口至调压井中心压力隧洞及压力明管总长3 120 m，管径3 m，调压井后为总长约800 m的高压钢管，管内径同样为3 m。首先到4号岔管，然后依次为3 号、2号、1号岔管。三台主机的支管在球阀前后直径均为1 m，经水轮机排出的尾水，通过 矩形人工尾水渠道排至下游。
本电站水库为年调节水库，设计多年平均发电量为134 GWh。从1983年至1998年实际年平均发电量为145 GWh，至1996年为140 GWh。
机组主要参数如下：
a)水轮机
型 号 HL100-LJ-140
最大水头 291.8 m
最小水头 250 m
设计水头 265 m
加权平均水头 278 m
额定流量 7.2 m3/s
额定功率 15.8 MW
转 速 750 r/min
飞逸转速 1 300 r/min
吸出高度 -2 m
水轮机生产厂家提供的功率-效率保证值为：
功率百分数 100% 90% 75% 50%
效率百分数 87% 87% 86% 77%
转轮及导水叶材质均为1Cr18Ni9Ti不锈钢，按设计要求甩100%负荷时转速上升率小于47.5%，压力上升值大于27.3%。
b)发电机
型 号 TS260/116-8
额定容量 18.75 MVA
额定功率 15 MW
额定电压 6.3 kV
额定电流 1.72 kA
功率因素 0.8
发电机效率 96.6%
推力总负荷 804 kN
绝缘等级 B级(定子、转子绕组)
c)调速器
1号、2号机为TDSWT-100双微机调速器，3号机为TDBWT-100步进电机PLC调速器。
2 改造的目的及内容
根据广东省电力试验研究所于1987年在引水压力钢管上用超声波流量计测流对三台水轮机效率测试结果，三台水轮机的最高效率如表1所示。
表1 三台水轮机实测最高效率
机组
发电机
功率/MW
水轮机
功率/MW
流量/
(m3.s-1)
水轮机
效率/%
1号
14.896
15.420
6.975
85
2号
15.530
16.077
7.262
85.2
3号
15.642
16.193
7.917
86.5
标准HL100
转轮
15.047
15.577
6.57
91.2
表1中试验时工作水头为267.5～273.5 m，试验单位已转换为本水轮机的设计水头265 m，测流量误差≤±1.5%，效率试验综合误差≤2%。
从表1中看出三台水轮机的效率都不高，其中3号机比l号、2号机约高了1%。如果将效率试验的综合误差考虑进去，都能达到厂家所提出的87%保证值要求。但从表1我们可以看到，HL100转轮在额定功率时的效率可达91.2%，表明厂家制造精度未达到模型综合特性要求。这可能是由于当时是70年代末期，受制造水平限制，无法达到高效率。90年代我国水轮机在设计、制造工艺和材质水平上都有了飞跃的进步。因此，如果只将原转轮更换成一个效率高的，而要求水轮机其它部件不改变，预计三台机的平均效率应可提高3%～4%。同时，如果保证过机流量为7.2 m3/s不变的话，则机组功率有望增加9.5%左右，为将来发电机增容打下了 良好的基础，并可更加明显地发挥电站在汕尾市电网中担负峰荷的作用。
3 新转轮选择
对新转轮的要求，除了稳定性好、抗空蚀破坏性能好和效率高以外，还要考虑适合原有水轮机的流道，不改动或尽量少改动其它水轮机结构，投资尽可能节省，但工效又要快。因此，就国内产品中与本电站水头、转速相接近，性能较好的有L100，A542和D54。现将这三种转轮的性能和主要尺寸分别列于表2和表3中。
表2 三种转轮性能比较表
转轮型号
水轮机
效率/%
水轮机
功率/MW
发电机
功率/MW
空化系
数σ
HL100
91.2
17.074
16.489
0.02
A542
92.4
17.275
16.708
0.02
D54
91.5
17.126
16.544
0.025
注：在设计水头265 m，额定流量7.2 m3/s条件下比较。
表3 三种转轮主要尺寸对比表
转轮型号
导叶高
度b0
导叶分
布圆D0
导叶
只数
尾管
高度
尾管
长度
HL100
0.1D1
1.18D1
16
2.1D1
3.5D1
A542
0.12D1
1.2D1
20(负
曲率)
2.32D1
4.762D1
D54
0.12D1
1.2D1
20
2.2D1
3.5D1
注：D1--转轮进口尺寸。
从表2及表3可以看出A542性能优于HL100，D54比HL100略微好一点，但A542和D54两种转轮导叶高均为0.12D1，如果用在原有流道上，由于流道上各部分尺寸不相匹配，则需更换顶盖、底环，导叶以及尾水管进口部分均需改动，再者效率末必比HL100高。
因此认为仍选取HL100较理想，但是新的HL100要求质量一定要高，且完全可以在制造工艺和材质上达到其最佳效率标准。如材质选用OCYl3Ni5Mo (该种材料的抗空蚀破坏性能及焊接性能均优于原使用的1Cr18Ni9Ti)；工艺上要求叶片采用模压(二次热弯成型)，其表面粗糙度Rn≤1.6 μm。再看HL100转轮在设计水头(265 m)时的功率-效率关系(表4)。
表4 HL100转轮在设计水头(265 m)时的功率-效率
流量/
(m3.s-1)
水轮机
功率/MW
发电机
功率/MW
水轮机效率
η/%
3.92
8.48
8.2
83.2
5.58
12.5
12.47
89.2
7.20
17.07
16.49
91.2
7.66
18.26
17.58
91.4
7.90
18.77
18.13
91.4
9.73
22.18
21.43
87.7
注：1)发电机效率ηG=0.966；
2)Δη按Modlg公式系数取2/3修正。等效率修正，Δη=1.2%。
从表4可以看出，由于水轮机的效率提高了，在原有额定流量不变的情况下，发电机功率可达16.49 MW，如果不受引水系统和发电机功率等条件限制的话，本转轮的水轮机最大功率为22.18 MW，发电机功率为21.43 MW。因此说选用HL100较理想，且由于以上诸多因素的限制，目前以维持原设计流量为宜。
4 更换转轮后效果分析
经过可行性研究的比较，进入规划实施阶段。首先在几个厂家范围内选择了实力和技术较雄厚的哈尔滨大电机研究所作为制造单位，并于1997年11月利用机组大修阶段首先更换了3号水轮机转轮，然后又于1998年3月和12月份，分别更换了2号机和1号机转轮。在3号机转轮更换前后均由水利部农村电气化研究所进行了机组原型效率测试及技术分析。测量方法如下：流量Q的测量采用国际上先进的超声波技术进行，主要依据声波在水中通过时受水流速度影响不等，顺水和逆水水流时超声波传播的时间差推算流速，进而算出流量。这一系列工作全部由仪器本身完成，自动打印出流量值。
在现场，四对外贴式探头安装在总压力钢管( 2.2 m)的外壁直线段(此段钢管管径不变段共约30 m以上，完全满足超声波测流要求)，流量测量误差≤±1.5%，效率试验综合测量误差≤2%。
根据更换转轮前后实测机组段效率，并考虑到由于尾水管的测压管堵塞(1987年试验亦如此)，对水轮机效率影响约为+0.2%，计算了在额定负荷附近几点的水轮机效率，见表5、表6和图1。
表5 更换转轮前水轮机效率计算表
导叶开
度/%
机组功
率/MW
水轮机功
率/MW
流量/
(m3.s-1)
工作水
头/m
水轮机
效率/%
归算到工作水头288.5 m
水轮机功
率/MW
流量/(m3.[1] [2] 下一页
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