余慧慶

(浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江 衢州 324000)

1 機組概況

湖南鎮(zhèn)水電站#5機組是在湖南鎮(zhèn)水電站大壩預(yù)留的5.4 m壓力鋼管基礎(chǔ)上擴建而成的。水電站采用壩后全封閉廠房，按“無人值班、少人值守”設(shè)計。擴建工程于1994年12月28日正式開工，1996年10月29日進(jìn)入72h試運行，1997年1月29日正式移交浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠。#5機組由重慶水輪機廠設(shè)計制造，水輪機固定部分及發(fā)電機轉(zhuǎn)子、大軸等部件由杭州發(fā)電設(shè)備廠分包。

HLD85－LJ－380型水輪機的主要技術(shù)參數(shù)為:設(shè)計水頭，80 m;最大水頭，110.7 m;最小水頭，64.9 m;設(shè)計出力，102.5 MW;額定轉(zhuǎn)速，187.5 r/min;額定流量，140.4 m3/s;轉(zhuǎn)輪直徑，3.8 m;活動導(dǎo)葉，24片。

SF100－32/8360型發(fā)電機的主要技術(shù)參數(shù)為:額定容量，114.25 MV·A;額定功率，100 MW;最大容量，120 MV·A;最大功率，105 MW;定子額定電壓，13.8 kV;定子額定電流，4 782 A;功率因數(shù)，0.875(滯后);絕緣等級，B級;冷卻方式，自循環(huán)空氣冷卻。

2 改造原因

2.1 水輪機運行狀況

由于條件限制，湖南鎮(zhèn)水電站#5機組設(shè)計時套用某電站轉(zhuǎn)輪，設(shè)計水頭為80 m，電站實際運行水頭大多在90 m以上，機組額定輸出時的導(dǎo)葉開度為60%～80%。在運行過程中主要存在4個方面的問題。

(1)轉(zhuǎn)輪裂紋。1996年機組投運初期，發(fā)現(xiàn)尾水管壓力脈動嚴(yán)重超標(biāo)，2000年小修時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪有3條裂紋。每次檢修發(fā)現(xiàn)都有轉(zhuǎn)輪裂紋，經(jīng)過多次檢修與處理，轉(zhuǎn)輪裂紋未得到徹底消除。2006年10月，在#5機組中修時發(fā)現(xiàn)了更多的轉(zhuǎn)輪葉片裂紋，主要有:#1葉片裂紋長度為170 mm;#4葉片裂紋長度為300 mm;#5葉片裂紋長度為350 mm;#6葉片裂紋長度為400 mm;#7葉片裂紋長度為200 mm;#12葉片裂紋長度為400 mm;#13葉片裂紋長度為300 mm。水輪機轉(zhuǎn)輪由于長期運行條件惡化和材料疲勞，近年來裂紋不斷擴大且出現(xiàn)一定空蝕，停機修補頻繁，嚴(yán)重影響了電廠的安全運行。因此，轉(zhuǎn)輪亟需更換。

(2)機組各部的振動、擺度。機組的振動測量結(jié)果見表1，即使機組在部分負(fù)荷或者在尾水管壓力脈動作用下運行，機組各部的振動、擺度仍在正常范圍內(nèi)。

表1 機組振動測量記錄 mm

(3)短管補氣的補氣量明顯減少。機組投運初期，短管補氣進(jìn)口有明顯的補氣聲，后來逐漸消失。補氣短管加固后，運行初期有較響的補氣聲，后來也變小了。以上情況說明，短管補氣對消除尾水管壓力脈動能起到一定作用。隨著補氣管的損壞，補氣量明顯減少。

(4)壓力脈動情況。水輪機在較大水頭運行時，特別是在高水頭小開度運行時，尾水管內(nèi)水壓脈動劇烈，伴有渦帶破裂時的“放炮聲”。尾水管進(jìn)口真空壓力表指針在0.1 MPa以上擺動。1999年7月，浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠委托河海大學(xué)對該廠湖南鎮(zhèn)水電站#5機組進(jìn)行了機組振動測試，對尾水管壓力脈動進(jìn)行定量測定記錄，具體結(jié)果見表2。尾水管壓力脈動的主頻率為0.75 Hz，正好是機組轉(zhuǎn)頻的1/4。由表2可知，水輪機較高水頭輸出功率在80MW以下時，壓力脈動振幅均較大，開度越小，幅度越大。1997年機組小修時，檢修人員發(fā)現(xiàn)尾水管補氣短管全部折斷，1998年小修時，檢修人員發(fā)現(xiàn)3根補氣管再次折斷，1999年10月小修時，檢修人員又發(fā)現(xiàn)2根補氣管再次折斷，尾水管壁有一處裂縫。

2.2 發(fā)電機運行狀況

2005年9月24日，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機定子129槽至130槽之間的鐵芯下端部第1段有松動現(xiàn)象，出現(xiàn)一片斷裂區(qū)域，斷裂的硅鋼片形狀為不規(guī)則狀，邊緣比較光滑，面積約1.8cm2。此斷裂的硅鋼片將A相第130槽上層線棒絕緣割破，引起線棒對鐵芯接地。對定子做全面仔細(xì)檢查，定子鐵芯下端部第1段與129槽至130槽的相同部位，有松動現(xiàn)象的有28處。

2006年10月16日，湖南鎮(zhèn)水電站#5發(fā)電機組停役小修和預(yù)試，在進(jìn)行定子繞組泄漏電流和直流耐壓試驗時，發(fā)現(xiàn)定子A相繞組第208槽、C相繞組第209槽線棒絕緣不合格。轉(zhuǎn)子吊出后，檢查發(fā)現(xiàn)定子鐵芯及繞組存在嚴(yán)重缺陷。

對鐵芯硅鋼片松動原因進(jìn)行了分析，筆者初步認(rèn)為有以下4個方面的問題:

(1)發(fā)電機定子鐵芯存在先天不足，鐵芯下端部硅鋼片沒有粘合成整體或粘合質(zhì)量差，經(jīng)過多年運行中振動的影響，下端部硅鋼片之間松動、摩擦，破壞硅鋼片的絕緣層。

(2)發(fā)電機定子鐵芯在裝配時就存有缺陷，對28處鐵芯松動進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)所有松動的鐵芯兩邊與線棒之間存在較大的間隙，鐵芯生銹現(xiàn)象嚴(yán)重。#5機組廠房是封閉式廠房，環(huán)境相對潮濕，加劇了鐵芯的生銹。

(3)由于機組要承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰和守口子的任務(wù)，機組啟、停特別頻繁，根據(jù)近幾年的統(tǒng)計結(jié)果分析，機組每年平均開機次數(shù)達(dá)1500多次。在啟、停機過程中，機組振動最大，加快了硅鋼片松動、腐蝕和斷裂的速度。

(4)#5機組在AGC運行方式下，調(diào)節(jié)頻繁，暫態(tài)過程多，有時甚至?xí)谡駝訃?yán)重的工況點運行，致使鐵芯松動程度加劇。

對于鐵芯下端部分硅鋼片松動及片間絕緣腐蝕缺陷而言，現(xiàn)場處理方法是將各硅鋼片間的銹蝕用酒精布擦干凈，用熱風(fēng)吹干后，在每片硅鋼片間涂上環(huán)氧樹脂固化，修后各端齒固定可靠。

3 技術(shù)分析及論證

浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠根據(jù)湖南鎮(zhèn)水電站#5機組存在的問題，開展了一系列測試和論證工作。1999年，由河海大學(xué)完成機組振動測試;2000年，由哈爾濱大電機研究所完成《湖南鎮(zhèn)水電站#5機組減振增容改造論證報告》，主要論證點如下:

(1)水輪機參數(shù)核算。

1)水輪機功率。增容后，機組額定功率為125 MW，發(fā)電機效率按97%計算，水輪機額定功率為128.8MW。額定水頭由80.0m 提高到95.3m，轉(zhuǎn)速為72.99 r/min，流量約 1 056 L/s，小于限制工況的流量。

2)水輪機流量。經(jīng)計算，增容后水輪機額定流量為148.4 m3/s，小于壓力鋼管設(shè)計最大引用流量160 m3/s。

3)空化安全余量。改造前，在額定功率及額定水頭工況下，裝置空化系數(shù)σp對應(yīng)額定工況模型空化系數(shù)σM，其比值為1.40。改造后，在額定水頭和額定功率工況下，其比值為1.38，同改造前相當(dāng);在最大水頭、額定功率工況下，其比值為1.32，空化安全余量較大。

4)導(dǎo)葉開口。改造前，導(dǎo)葉在額定水頭Hr=80 m，水輪機功率Pr=102.5 MW時，導(dǎo)葉的開口最大，對應(yīng)模型開口為25.0 mm;改造后，導(dǎo)葉在額定水頭Hr=95.3 m，水輪機功率Pr=128.8 MW 時，對應(yīng)模型開口為23.6 mm，小于25.0 mm。因此，改造后導(dǎo)葉開口不需增大。

表2 壓力脈動檢測記錄

(2)水輪機部件和輔助設(shè)備核算。

2)調(diào)速器。調(diào)速器主配直徑為0.1 m，導(dǎo)葉關(guān)閉時間7 s，計算油流速3.285 m/s，油流速一般允許4～8 m/s，調(diào)速器容量合適，不用更換。

3)油壓裝置。壓力油罐容器為4 m3，是導(dǎo)葉接力器容積的22.1倍，超過一般要求(18～20倍)，不用更換。

4)調(diào)保計算。蝸殼前引水管路長度與速度的乘積(LTvT)不大于1588 m2/s，機組轉(zhuǎn)動慣量在導(dǎo)葉關(guān)閉有效時間為7s的情況下，計算得出機組甩負(fù)荷時最大速率上升45%，蝸殼內(nèi)最大壓力不超過1550 kPa，滿足要求。

(3)結(jié)構(gòu)論證。

1)主軸強度核算。主軸采用45號鋼整體鍛造，中空結(jié)構(gòu)，下端法蘭與轉(zhuǎn)輪的聯(lián)接采用鍵傳遞扭矩，上端法蘭與發(fā)電機軸采用銷子螺釘聯(lián)接。計算得出:主軸剪應(yīng)力為31.500 MPa，拉伸應(yīng)力為7.374 MPa，綜合應(yīng)力為34.000 MPa，主軸強度滿足要求。

2)水輪機軸與發(fā)電機聯(lián)接螺釘強度核算。螺釘材料為35CrMo鍛鋼，屈服極限為750.000 MPa，許用剪切應(yīng)力為144.34 MPa。計算得出，螺釘剪切應(yīng)力為57.27 MPa，螺釘滿足要求。

2）從行業(yè)分布來看，以戶外運動為主。由于戶外運動參與人數(shù)眾多，消費群體廣，像足球、滑雪、自行車等有著充足的參與力量，使戶外運動在小鎮(zhèn)建設(shè)中有良好的資源基礎(chǔ)；

3)轉(zhuǎn)輪與主軸鍵傳遞扭矩強度核算。鍵材料為45號鋼，屈服強度為355.000MPa，許用剪切應(yīng)力為68.300 MPa，許用擠壓應(yīng)力為201.17 MPa。計算得出，鍵受剪應(yīng)力為 57.900 MPa，擠壓應(yīng)力為123.300 MPa，鍵滿足要求。

4)軸中心補氣。哈爾濱大電機研究所的論證認(rèn)為，根據(jù)湖南鎮(zhèn)水電站#5機組的主軸情況，選擇直徑350 mm的補氣管和補氣閥是可行的。

5)頂蓋剛度、強度計算。對頂蓋法蘭支反力及頂蓋上的徑向力矩、截面最大切向應(yīng)力、過流面鋼板應(yīng)力、法蘭強度、頂蓋剛度在各種工況(正常工況、緊急停機、止漏環(huán)破壞)下進(jìn)行核算;對頂蓋座環(huán)螺桿應(yīng)力進(jìn)行核算;計算得出，頂蓋強度滿足要求，剛度稍差。

6)尾水錐管。重新安置新的不銹鋼板尾水錐管。

7)尾水進(jìn)入門。尾水進(jìn)入門，焊加強肋板進(jìn)行加固。

2003年，浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠委托東方電機股份有限公司(以下簡稱東電)開發(fā)了適用于#5機組改造的新轉(zhuǎn)輪，東電通過CFD流體分析和多次優(yōu)化，設(shè)計了D378和D385 2個轉(zhuǎn)輪，并在DF－28水力機械試驗臺上進(jìn)行了能量、空化、飛逸和壓力脈動等模型試驗。

2007年，華東勘測設(shè)計研究院完成《湖南鎮(zhèn)水電站#5機組減振增容改造可行性論證報告》。經(jīng)過對湖南鎮(zhèn)#5機組增容改造后的水輪機轉(zhuǎn)輪特性參數(shù)選擇和穩(wěn)定性分析，在機組以120 MW額定功率輸出的條件下，對機組各結(jié)構(gòu)件剛度和強度(增加導(dǎo)葉剛強度、定子、轉(zhuǎn)子、下機架剛強度論證)、調(diào)速系統(tǒng)工作容量、輔助系統(tǒng)設(shè)備(技術(shù)供水系統(tǒng)、空冷器)容量、出口母線熱穩(wěn)定性、斷路器、隔離開關(guān)、機組保護(hù)等結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行了復(fù)核計算和評估分析，華東勘測設(shè)計研究院的論證結(jié)果認(rèn)為，#5水輪發(fā)電機組在提高額定水頭到93 m，保持流道基本不變的條件下，通過改造轉(zhuǎn)輪、大軸補氣裝置、定子和空冷器等部件，機組額定輸出功率可增大至120 MW，機組在相應(yīng)額定工況下均可安全、穩(wěn)定運行。

4 改造實施

2009年，結(jié)合機組大修對#5機組進(jìn)行了增容改造。主要進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪更新、頂蓋及底環(huán)止漏環(huán)改造、尾水管改造、補氣裝置改造和定子改造等項目。

(1)轉(zhuǎn)輪更新。型號為HLD385－LJ－390新轉(zhuǎn)輪由東電設(shè)計制造，主要參數(shù)如下:最大水頭，110.7 m;額定水頭，93.0 m;最小水頭，64.9 m;額定功率，122.45 MW;轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，13 片;額定轉(zhuǎn)速，187.5 r/min;飛逸轉(zhuǎn)速，＜373 r/min;額定流量，143.04 m3/s;額定效率，94.03%;活動導(dǎo)葉數(shù)，24片。新轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為ZG0Cr13Ni5Mo，轉(zhuǎn)輪葉片采用VOD精練成型，數(shù)控加工，在轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)直接加工止漏環(huán)，提高了轉(zhuǎn)輪整體性能和質(zhì)量。采用“X”葉片，轉(zhuǎn)輪出口下移，轉(zhuǎn)輪不設(shè)泄水錐，能量指標(biāo)和回收性能優(yōu)異。

(2)底環(huán)及頂蓋止漏環(huán)改造。它與新轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)配套，對頂蓋、底環(huán)止漏環(huán)重新加工。其中，將原有底環(huán)車去一部分，重新鑲套新止漏環(huán)。兩者與新轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)單邊間隙均為3 mm左右。

(3)尾水管改造。它為與新轉(zhuǎn)輪配套，總體改造分3段，直立基礎(chǔ)環(huán)和2段斜尾水管，將原尾水錐進(jìn)口段110 mm高度不銹鋼割除，對混凝土進(jìn)行修鑿，焊接4瓣基礎(chǔ)環(huán)，內(nèi)圓增大到? 4270 mm。原填充環(huán)下移85 mm，與新填充環(huán)焊接一體的10塊20 mm厚斜不銹鋼尾水管上部與基礎(chǔ)環(huán)焊接，下端與12 mm厚過渡段斜不銹鋼新里襯焊接，焊接后新填充環(huán)法蘭內(nèi)徑? 4094 mm。

(4)補氣裝置改造。原大軸中心補氣由8個法蘭盤(? 50 mm)的小補閥補氣，改造后在機組軸端安裝? 250 mm補氣球閥，外接管路從廠外補氣，大大地增強了補氣量，同時減輕了廠房內(nèi)補氣產(chǎn)生的噪音。中心補氣裝置分3段，分上、中、下補氣管，分別與機組上軸、轉(zhuǎn)子、下軸各聯(lián)接法蘭盤平齊，由? 273 mm×10 mm補氣管、聯(lián)接法蘭盤、250自由浮動式中心孔補氣閥等部件組成。

(5)定子改造。型號為SF120－32/8360新定子由東電設(shè)計制造，主要參數(shù)如下:額定功率，120 MW;額定容量，133.33 MV·A;額定電壓，13.8 kV;額定功率因數(shù)，0.9;額定轉(zhuǎn)速，187.5 r/min;定子絕緣等級，F(xiàn);定子繞組溫升，59.5 K;定子鐵芯溫升，59.5 K;發(fā)電機效率，98.43%。

5 機組改造后試驗和運行情況

(1)效率試驗。實測效率值與理論計算得出的效率值規(guī)律是一致的。改造后，水輪機效率比改造前有明顯提高。在平均水頭為92.92 m時，改造后的水輪機最高效率達(dá)95.78%。

(2)穩(wěn)定性試驗。振動及噪聲穩(wěn)定性試驗見表3，試驗結(jié)果表明，其穩(wěn)定性符合設(shè)計要求;擺度穩(wěn)定性試驗見表4，試驗結(jié)果表明，其穩(wěn)定性符合設(shè)計要求。

表3 振動穩(wěn)定性試驗 μm

表4 擺度穩(wěn)定性試驗 μm

(3)噪聲及壓力脈動。從機組發(fā)電機層、蝸殼及吸出管處最大噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄可知，發(fā)電機層噪聲最小，吸出管處噪聲最大;在4種不同運行方式下，同一監(jiān)測點的噪聲變化不大;發(fā)電機層最大噪聲為97.4 dB，蝸殼最大噪聲為104.8 dB，吸出管處最大噪聲為113.5 dB。尾水管在各工況下，基本無脈動現(xiàn)象。

(4)調(diào)保負(fù)荷試驗。甩負(fù)荷試驗(100 MW)導(dǎo)葉開度為67%，轉(zhuǎn)速上升率為17.96%，水壓上升率為38.8%。各部擺度、振動、間隙、溫度均正常。

(5)溫升試驗。2010年11月，#5機組在#3主變壓器改造完成情況下，進(jìn)行了72 h溫升試驗，在功率為120 MW的工況下，溫升試驗結(jié)果如下:鐵芯溫度最高75.3℃，最低60.6℃;線圈溫度最高81.1℃，最低61.0℃;熱風(fēng)溫度平均54.0℃，冷風(fēng)溫度平均35.5℃;推力軸瓦平均溫度38.70℃，上導(dǎo)軸瓦平均溫度39.58℃，水導(dǎo)軸瓦平均溫度40.96℃。

(6)空蝕狀況檢查。截至2010年11月底，電廠技術(shù)人員對轉(zhuǎn)輪體、葉片正背面進(jìn)行了3次檢查，沒有發(fā)現(xiàn)空蝕，可初步認(rèn)定改造后轉(zhuǎn)輪空化性能得到了改善。

6 結(jié)論

18個月的運行實踐結(jié)果表明，湖南鎮(zhèn)水電站#5機組減振與增容技術(shù)改造是成功的，機組穩(wěn)定性、效率、出力等達(dá)到了增容改造的預(yù)期目的。#5機組的減振增容改造，為烏溪江水力發(fā)電廠實施其他同類型機組的增容改造工作積累了成功的經(jīng)驗，同時，也提出了新的課題。湖南鎮(zhèn)水電站機組投入AGC運行，對設(shè)備安全、可靠運行影響極大，對轉(zhuǎn)輪的水力穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)輪強度、補氣效果、AGC運行出力調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)頻率及機組頻繁啟/停機造成的影響等問題有待進(jìn)一步研究。只有全面掌握機組的運行特性，才能保證減振增容改造后的機組安全、可靠運行，從而產(chǎn)生更大的效益。