陳岳松，曾 揚，黃洪輝

（湖南省酒埠江水電站，株洲 412313）

1 酒埠江水電站概況

酒埠江水電站位于湖南省株洲市攸縣境內(nèi)的湘江二級支流攸水上游。工程1958年動工，1960年電站建成發(fā)電。水庫控制流域面積625km2，水庫正常水位164.0m，總庫容為2.65億m3，是一座具備年調(diào)節(jié)性能的大型水利樞紐，樞紐開發(fā)以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益。

電站為壩后引水式電站，裝設3臺3.0MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組。采用單隧洞鋼筋混凝土一管三支的引水方式，在每臺機組蝸殼入口前裝設DN1750mm電動蝶閥，蝸殼為半埋入式鑄鐵蝸殼。電站水輪發(fā)電機組均系上個世紀50年代國產(chǎn)設備，水輪機為仿蘇PO-263-BM，發(fā)電機為TS325/44-22，B級絕緣。機組設計水頭為31.7m，單機額定流量為11.88m3/s。由于當時生產(chǎn)工藝及制作水平有限，經(jīng)過52年運行，機組效率低，出力已不足設計值的70%。同時，機組出現(xiàn)了機械部件磨損、銹蝕，電氣設備絕緣老化等問題，機組運行安全性、穩(wěn)定性下降。

電站2011年被列為全國首批農(nóng)村水電增效擴容改造試點，2012年11月底，電站3臺水輪發(fā)電機組全部更新改造完畢，并投入運行。

2 機組選型

2.1 基本原則

1）保持現(xiàn)有水工建筑物基本不變，水輪發(fā)電機組必須與現(xiàn)有的水工建筑物及尾水流道相配合；

2）根據(jù)國家試點要求，機組增效擴容改造額定工況下水輪發(fā)電機組的綜合效率達到81%以上，電量增加10%以上。

2.2 基本參數(shù)要求

根據(jù)上述原則，結合電站水工樞紐建筑物相關特性，增效擴容新機組必須滿足下列參數(shù)要求：

1）特征水頭不變（最大水頭38.5m，額定水頭31.7m，最小水頭24.5m）；

2）水輪機轉(zhuǎn)輪直徑基本不變，即1.30m≤D1＜1.34m；

3）機組調(diào)節(jié)保證值要滿足機組設備安全、穩(wěn)定運行的要求，即機組額定流量≤11.88m3/s，發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量≥50t·m2；

4）水輪機在額定水頭3 1.7 m 時出力≥3.48MW；發(fā)電機額定出力為3.3MW，最大出力為4.125MW；

5）發(fā)電機冷卻方式由自然通風冷卻改為密閉空氣循環(huán)冷卻方式，通風方式應滿足機墩基本不動的要求，空冷器的尺寸滿足現(xiàn)有發(fā)電機機坑尺寸的要求。

2.3 機組容量選擇

根據(jù)電站上述參數(shù)計算及增效擴容改造工作要求，改造后單機容量（P=9.81×11.88×31.7η，考慮綜合效率η取90%）可提高到3.3MW。

2.4 水輪機方案選擇

根據(jù)電站水頭范圍，以及電站高水位時多為灌溉期，要保證灌溉流量，而在低水位沒有灌溉任務時，必須以發(fā)電效益為主的運行特點，改造機型仍選擇立軸混流式水輪機。

經(jīng)咨詢相關水輪發(fā)電機組制造廠商，符合電站改造要求的水輪機有4種（見表1）。

經(jīng)比較，轉(zhuǎn)輪HLA551C的模型效率及額定點效率最高，HL240效率最低，且HL240單位流量偏小，設計工況偏離最優(yōu)工況較大，參數(shù)不夠理想。 HL280模型效率較HLA551C低，且額定流量較大。綜合來看，HLA551C型模型轉(zhuǎn)輪比較理想，且HLA551C轉(zhuǎn)輪是一種技術比較成熟的轉(zhuǎn)輪型號，應用也較普遍，運行效果理想。經(jīng)綜合比較，本次改造選用HLA551C模型轉(zhuǎn)輪。

表1 水輪機技術改造方案比較表

根據(jù)模型的效率曲線(見圖1）分析，HLA551C-132的額定點效率比HLA551C-134高，HLA551C-132在31.7m及以下水頭高效率區(qū)比較寬，在高水頭運行時又能增加機組的過流量，更符合電站調(diào)度運行實際。原機組的吸出高度為+1.0m，HLA551C-132的吸出高度為+5.47m，在保持現(xiàn)有的安裝高程（126.5m）不變的情況下，水輪機的空蝕特性更好。通過綜合比較，水輪機選用HLA551C-132。

考慮到電站原水輪機蝸殼、導水機構都是鑄造件加工粗糙，流道不理想，本次改造一并更換成與轉(zhuǎn)輪相匹配的鋼板壓制蝸殼，以便優(yōu)化轉(zhuǎn)輪進、出水角度。并更換540mm長尾錐管和尾水補氣部分，更好減少流道水能損失，提高尾水能量回收。

2.5 發(fā)電機選擇

根據(jù)電站現(xiàn)有參數(shù)計算，機組改造后單機容量可提高到3300kW。同時，考慮到電站地處湘東幕阜山暴雨中心，在極端天氣情況下，水庫調(diào)蓄能力不足，調(diào)度手段有限，為增加電站發(fā)電消落能力，提高水資源利用效益，本次改造要求發(fā)電機具備10%的過負荷能力。綜合上述因素，發(fā)電機選擇了與水輪機相匹配的SF3300-16/3050，相關參數(shù)見表2。同時為合理有效利用原有基礎，發(fā)電機機座不變，以保證發(fā)電機結構尺寸與現(xiàn)有水工結構相匹配。

發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由原來的273r/min提高至現(xiàn)在的375r/min，機組重量減輕，荷載減小。發(fā)電機絕緣由B級改為F級絕緣，提高了機組的絕緣等級。冷卻方式由開敞式風冷更改為封閉式水冷，不僅可降低定子線圈的溫度，還可提高機組的過載能力。

3 技術改造方案優(yōu)化

3.1 發(fā)電機冷卻系統(tǒng)改造

1）冷卻方式選擇：原有發(fā)電機是B級絕緣，原自然風冷卻冷卻方式冷卻效果很不理想，在3.0MW額定負荷運行時，定子溫度長期超過100℃，加快了線圈絕緣的老化，而且在停機過程中發(fā)電機線圈較易受潮，嚴重影響了機組運行的可靠性、穩(wěn)定性。針對上述問題，本次改造，將原開敞式自然風冷卻改成封閉式空氣冷卻器冷卻方式，外加輔助加熱器。

表2 改造后發(fā)電機主要參數(shù)

2）空冷器設計：由于原來機坑通道寬僅600mm，空間十分有限，不利于冷卻系統(tǒng)布置。為了保證通道有足夠空間，方便檢查維護，將定子外壁掛空冷器處做成直邊形，同時冷卻器改由紫銅、銅鎳合金的無縫管與合金金屬疊片組成，以增加散熱面積，提高冷卻效果?？绽淦骱穸戎挥?70.0mm，通道空間最小處有430.0mm，最大限度地節(jié)約了空間。運行實際表明，在3.4MW負荷運行時，空冷器的熱風58.3℃，冷風22.52℃，定子溫度最高只有84.6℃，遠低于F級絕緣允許的最高溫度140℃，冷卻效果非常理想。同時，輔助加熱器還很好地解決了線圈受潮的問題。

表3 酒埠江電站改造前后效能指標對照表

3）定子內(nèi)部風道優(yōu)化：常規(guī)情況下，改成封閉式空冷后，為了保證定子內(nèi)部的通風道，在原有土建結構不作損壞的情況下，定子踏腳板的高度必須抬高，這樣勢必會出現(xiàn)通風道高度的一個臺階，影響發(fā)電機層外觀的整體性。由于電站廠房寬度有限，內(nèi)空僅9.0米，為滿足機組運行安全和維護操作的方便，設計時在不降低定子本身強度的前提下，將定子承重支架的線圈上、下端部改成V型鋼板支架結構，以增加風道，同時，擋風板采用玻璃鋼壓制成流線形導風圈，固定在上、下機架的支臂上。運行實際表明，通過改造，既保證了發(fā)電機風路中壓力損失低、通風順暢，又減少了漏風和通風損耗，同時其較高的剛度還有效的防止通風引起的機械振動噪音，確保了廠房安全通道的暢通和整體性。

3.2 主軸密封的改造

傳統(tǒng)的水輪機主軸密封主要是采用盤根密封，易磨損，漏水，正常維護量大。本次改成巴氏合金無接觸式密封，結構簡單，維修方便。主要是以巴氏合金材料作為密封件，巴氏合金密封與主軸始終似接觸非接觸狀態(tài)，而在頂蓋密封與尾水補氣箱下部用一根Φ150mm無縫管連接一起，利用頂蓋漏水旋轉(zhuǎn)離心力與尾水真空的吸力，達到將主軸密封滲水排至尾水管內(nèi)的目的。這種密封可自我調(diào)整，不但密封效果好，而且減少了機房內(nèi)的滲水量。

4 增效擴容的效果

湖南省湘電試驗研究院有限公司對改造后新機組進行了試驗，技術報告評價如表3。

根據(jù)試驗測試的結果，水輪機出力及效率、流量等各項指標均優(yōu)于設計值，達到且超過預期效果。

5 結語

在不改變水工建筑物的情況下，對老舊電站的增效擴容改造，選擇適合電站水位特征的水輪機型號是增效擴容改造的關鍵。根據(jù)電站實際對機組局部結構進行優(yōu)化，并選擇安裝維護簡便、性能優(yōu)越的軸承、冷卻器等新產(chǎn)品，不僅可以提高機組運行的可靠和穩(wěn)定性，降低機組運行、維護成本，確保增效擴容改造成效，還可有效縮短工期，較快恢復電站的正常運轉(zhuǎn)。

[1]左光璧.水輪機[M].北京: 中國水利水電出版社,1995.

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[4]SL168-96 小型水電站建設工程驗收規(guī)程[S].