林 順 邢丁丹

黃河三門峽水電站1#～5#機組增容改造設計

林 順 邢丁丹

三門峽水電站1#～5#機組機電設備為20世紀70年代初制造，已達到設備設計運行年限。系統(tǒng)地介紹了在不改變電站運行方式、機組運行方式、機組機型及附屬設備配置的情況下，將水輪發(fā)電機組由50 MW增容到60 MW，可為其他同類工程設計提供一個有益的借鑒。

水輪機 發(fā)電機 增容 磨蝕 三門峽水電站

1 工程概況

三門峽水利樞紐是黃河干流上修建的第1座大型綜合水利工程。工程于1957年4月開工興建，水電站原設計安裝8臺單機容量為145 MW的混流式水輪發(fā)電機組。1960 年9月水庫開始蓄水運用，1961年4月大壩建成，1962年2月第1臺機組試驗發(fā)電，后因水庫淤積問題進行改建。

1969年底至1978年，打開了8個施工導流底孔，并將1#～5#機組進水口高程降低13 m，安裝了 5臺國產(chǎn)單機容量為50 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組。

自1973年底第1臺機組投入運行，1978年底5臺機組全部投人運行以來，截止到2011年底，共發(fā)電407億kW·h，為促進豫西地區(qū)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和緩解河南地區(qū)缺電狀況起到了不可忽視的作用。

由于三門峽水庫非汛期存在較多棄水，而河南電網(wǎng)電力供應緊張，因此，從1992年起水電站開始擴建安裝6#、 7#兩臺混流式機組，單機容量為75 MW，擴建機組只在非汛期清水時運行，6#機于1994年4月并網(wǎng)發(fā)電，7#機于1997年4月并網(wǎng)發(fā)電。

1997年4月經(jīng)水利部外資辦和德國政府簽訂合作協(xié)議，利用德國政府贈款，德國VOITH公司為三門峽水電站設計新轉(zhuǎn)輪ZZK7，用于三門峽1#機組改造，水輪機改造的主要部件有轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪室及活動導葉等。1#發(fā)電機由哈爾濱電機廠有限責任公司負責改造，更換的部件有：發(fā)電機定子鐵芯、線棒及附件；發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極線圈絕緣等級及附件；發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子絕緣等級由原B級提高到F級；巴氏合金推力瓦更換為HDH型彈性金屬塑料瓦。

由于水輪機轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪室及活動導葉等部件的改造和發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子線圈絕緣等級的提高，有效地增加了1#水輪發(fā)電機組的效率，使得在不改變原有的水電站運行方式、機組運行方式、機組機型、流道尺寸以及附屬設備的配置的情況下，機組容量由原來的50 MW增至60MW。1999年11月水電站開始安裝1#水輪發(fā)電機組，2000年12月30日順利通過72 h試運行和階段驗收，正式并網(wǎng)進入商業(yè)運行。

2 1#～5#機組改造的必要性

（1）水輪機過流部件磨蝕嚴重，經(jīng)過30多年的運行與多次檢修 （每臺機組檢修都在8次以上），運行工況越來越差，過流部件（轉(zhuǎn)輪室、葉片等）經(jīng)多次大修，大面積反復施焊，造成材料疲勞，金相組織惡化，磨蝕加劇，以致造成機組效率下降約10%。

（2）由于三門峽水電廠水輪機是20世紀70年代初制造的產(chǎn)品，受當時設計和制造水平的限制，水輪機能量指標較低，過流部件翼型較差，效率低。

（3）葉片裂紋頻繁產(chǎn)生，受現(xiàn)場環(huán)境條件的限制，處理工藝不能達到一個理想狀態(tài)，使得葉片抗裂性能越來越差。

（4）主軸密封和活動導葉漏水量過大。

（5）發(fā)電機電氣絕緣老化，1#～5#發(fā)電機定子線棒和轉(zhuǎn)子線圈絕緣均為B級，抗老化性能相對較差，經(jīng)多年運行絕緣下降，定子鐵芯疊片及通風溝制造工藝落后，散熱效果不理想，致使溫度升高，加速線圈絕緣老化。

（6）長期經(jīng)受機械和電磁影響，定子鐵芯松動，振動加劇，漏磁增大，磁力不平衡，噪音增大等。

（7）轉(zhuǎn)子磁軛變形，造成機組振動擺度增大，2#機組尤為突出。

由于1#～5#機組存在以上的諸多問題，使機組檢修量增加，檢修費用大幅度增加，設備可靠性降低等，且機組已經(jīng)基本達到設備的使用年限，因此對1#～5#機組進行改造非常必要。

3 水輪機改造

1#～5#機組水輪機改造的主要任務是選擇性能優(yōu)良的水輪機，提高機組效率，適當增加機組發(fā)電容量，解決水輪機葉片裂紋問題。通過優(yōu)化水力設計，減輕水輪機空蝕，提高水輪機在高含沙水流中的抗磨蝕性能。解決水輪機主軸密封和活動導葉漏水量過大問題。1#～5#水輪機轉(zhuǎn)輪改造進一步優(yōu)化了水力設計，新的水力設計將更換轉(zhuǎn)輪 （包括葉片和輪轂體）、轉(zhuǎn)輪室、活動導水葉、底環(huán)、頂蓋抗磨板和槳葉操作機構(gòu)等。1#～5#水輪機結(jié)構(gòu)改造方案為：

（1）水輪機轉(zhuǎn)輪槳葉采用不銹鋼材料。

（2）為改善轉(zhuǎn)輪進口流態(tài)，轉(zhuǎn)輪葉片中心線高程由275.20 m降為275.00 m，轉(zhuǎn)輪安裝采用在機坑內(nèi)由輪轂泄水錐下支撐結(jié)構(gòu)。

（3）轉(zhuǎn)輪室由半球形改為全球形，轉(zhuǎn)輪室中環(huán)與底環(huán)做成整體。

（4）為改變轉(zhuǎn)輪進口處水流流態(tài)，重新設計活動導水葉。并為改善座環(huán)進口的繞流條件，在無蝶形邊的座環(huán)上下環(huán)外圓焊接半圓形的導流板。

（5）新轉(zhuǎn)輪減少輪轂比，由原0.55減為0.53。相應的槳葉操作機構(gòu)除活塞及活塞軸以外全部更換。

（6）水輪機轉(zhuǎn)輪室采用上下分體、上部可拆卸的結(jié)構(gòu)。

4 發(fā)電機改造

三門峽水電站1#～5#發(fā)電機是哈爾濱電機廠20世紀70年代生產(chǎn)的B級絕緣電機，因受當時制造水平的限制，并經(jīng)受了長期機械、電氣、熱各種負荷運行的影響，電氣絕緣趨于老化，線棒和槽絕緣受電腐蝕較為嚴重、且溫升較高，線圈絕緣日趨老化，線棒的并頭套都不是銀焊、而是采用舊式的錫焊工藝。經(jīng)過40多年的運行，鐵芯松動和振動加劇，雖經(jīng)修補和壓緊處理，仍然運行狀況不佳，因此，對發(fā)電機的改造已迫在眉睫。

4.1 發(fā)電機更換繞組絕緣的技術(shù)方案

對于已經(jīng)運行將近40年老化的舊機組，繞組絕緣質(zhì)量和溫升情況是約束機組容量最關(guān)鍵的問題，本次改造將1#～5#發(fā)電機更換為F級新型絕緣系統(tǒng)。按國家標準規(guī)定，F(xiàn)級絕緣繞組采用高等級絕緣樹脂的絕緣結(jié)構(gòu)，使絕緣和線棒成為無空隙的嚴密而均勻的整體，絕緣結(jié)構(gòu)受熱產(chǎn)生適當?shù)膹椥?，使線圈具有無損傷地放入線槽或取出的性能，整個線圈能承受潮氣而無損傷，并使用半導體物質(zhì)作完善的電暈屏蔽，從而能承受規(guī)定的連續(xù)溫度而無損傷。根據(jù)1#機組改造時哈爾濱電機廠電磁計算和結(jié)構(gòu)校核的結(jié)果，當定轉(zhuǎn)子繞組全部更換為F級絕緣后，機組有功最大出力增容到60 MW、功率因數(shù)為0.875時，定轉(zhuǎn)子繞組溫升的計算值低于80 K；然而在功率因數(shù)為0.85時運行，定轉(zhuǎn)子繞組溫升理論計算值已臨近80 K，考慮到理論計算值應留有10 K裕度 （因是按理想狀態(tài)的假設條件下計算出的）。改造后的機組應作溫升實測試驗，雖然絕緣已由B級更換為F級，但按照世界上的慣例，正常運行時仍應按B級絕緣溫升限控制，而最大出力作為調(diào)峰時允許稍高于B級絕緣溫升限5～10 K運行，但仍要比F級絕緣溫升限值留有一些溫升裕度才合理，因此，改造后的1#～5#發(fā)電機采用F級絕緣，而溫升按照B級絕緣考核。

絕緣全部更換后，視在功率和電流值最大可以增容12.9%（60 MW 有功出力，cosφ=0.85，視在功率為 70.6 MVA）。隨著電磁負荷的增加，發(fā)電機的電抗標么值也相應有些增加，短路比值稍有下降。X″d是與視在容量成線性比例增加 (也為12.9%)。受磁路飽和度的影響，X′d和短路比的變化比例要小些。雖然短路比下降了不到8%，但其值仍能維持在較髙水平（超過1.1）。由于原機組的裕度較大，增容后的參數(shù)變化幅度較小，故對系統(tǒng)不會帶來不利影響。無功功率仍能維持在原有水平上。當cosφ=0.875時，發(fā)電機輸出最大無功就已超過33 Mvar，完全能滿足與系統(tǒng)配合的要求；當cosφ=0.85時無功功率為37 Mvar，達到舊機cosφ=0.80時最大無功功率值，因此，改造后 1#～5#發(fā)電機的功率因數(shù)無論cosφ=0.85或cosφ=0.875都能滿足機組向系統(tǒng)輸送無功的要求。

4.2 提高機組功率因數(shù)的必要性

1980年以前，我國電力網(wǎng)相對薄弱，電能管理尚未走上正軌，供用電矛盾異常突出，用電缺口很大，電網(wǎng)電壓和頻率水平都較低，主網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱，事故發(fā)生頻繁。由電網(wǎng)所要求的發(fā)電機額定功率因數(shù)也定得較低。在20世紀70年代投產(chǎn)的1#～5#機組，按當時電網(wǎng)狀況確定的額定功率因數(shù)為0.80。目前電網(wǎng)部門明確要求：電網(wǎng)的無功補償基本上要按就地平衡的原則考慮，避免經(jīng)長距離線路或多級變壓器傳送無功功率。自20世紀80年代起，電力工業(yè)的發(fā)展超過了其他經(jīng)濟部門的增長速度，我國裝機容量和發(fā)電量突飛猛進的增長，特別是隨著大批水電站和500 kV主網(wǎng)的投運以及廣泛采用計算機在線實時控制，調(diào)度快速準確，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)牢固、頻率穩(wěn)定、電壓水平高，功率因數(shù)水平也較高，目前已基本做到無功就近補償，而線路上主要作有功傳輸。

從上述分析可以看出，1#～5#機原來的額定功率因數(shù)定在0.80不符合現(xiàn)在和今后實際運行情況，在增容后更有必要提高其額定功率因數(shù)數(shù)值，充分挖掘機組的潛力，發(fā)揮機組的最大經(jīng)濟效益。實際上，2000年改造的1#機發(fā)電機的額定功率因數(shù)值定為0.85，而實際運行的功率因數(shù)比額定功率因數(shù)更高些。老機組增容后的功率因數(shù)應按今后實際運行水平來取值，這樣就能在有功出力增大的情況下，對主變、勵磁及其他電氣設備的影響盡可能最小，使改造費用最經(jīng)濟、合理；因此，應適量提高機組的額定功率因數(shù)，以取0.85值比較合理，在實際運行中可提高至0.90左右的功率因數(shù)下運行。應控制發(fā)電機和主變的超出力，平時發(fā)電機和主變等電氣設備都應在額定值以內(nèi)運行。盡量充分多發(fā)、多送有功容量，既有利于電網(wǎng)運行，更有利于原本設備陳舊的三門峽老機組的經(jīng)濟可靠地運行。增容后的發(fā)電機運行方式，在非汛期應增大調(diào)峰的力度，充分發(fā)揮調(diào)峰效益，盡量在髙功率因數(shù)下運行，多帶有功負荷。而在汛期除去7月下旬至8月上旬排沙期之外，盡量渾水發(fā)電帶基荷，以取得電量效益。

4.3 改造后發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

5 控制保護

三門峽水電站1#～5#機組的電氣二次設備已陸續(xù)進行過一些更新改造，但許多設備元件已出現(xiàn)老化或性能不穩(wěn)定的情況，目前機組運行只能維持現(xiàn)狀。隨著1#～5#機組改造項目的實施，與之相關(guān)的機組二次設備有些已不適應機組改造后的自動化運行要求，因此，需要對相關(guān)的二次設備進行更換或完善。

水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)因為投入的時間較長，PLC的各種模塊的技術(shù)性能已經(jīng)不穩(wěn)定，并且I/O模塊的點數(shù)沒有余量。隨著本次機組改造自動化元件的更新和增加，機組控制流程的變化，機組LCU在容量和速度上已不能滿足機組改造后運行的需要，在原LCU的基礎上擴容并重新編制控制流程難度較大、成本也相應較高，因此，在本次機組改造時連同機組LCU同時改造，更換為新的機組LCU。

機組保護盤和勵磁變及自用變保護盤由于運行時間較長，電子器件已經(jīng)老化，為機組運行安全考慮，機組改造時對相應的繼電保護裝置進行更換。

全廠現(xiàn)有2組DC220 V鉛酸蓄電池，其總?cè)萘繛?30 Ah。本次機組改造沒有增加新的控制設備，直流負荷沒有變化，因此，本次設計不再改動原有的直流電源系統(tǒng)。

1#～5#機組的勵磁調(diào)節(jié)柜和勵磁變由于運行時間較長，其功能和元器件已經(jīng)老化和落后，再加上本次機組改造后單機容量可達60 MW，因此，對 1#～5#機組的勵磁設備同步進行更換。

1#～5#機組改造的同時，涉及到的機組輔助設備有機組火災報警設備、機組測量、制動、端子箱和自動化元件等，均需要隨機組改造的同時進行更換。

6 結(jié)語

目前電站1#和4#機組已經(jīng)改造完成，投入商業(yè)運行，機組各主要參數(shù)均在設計范圍內(nèi)。在不改變電站及機組運行方式的前提下，降低改造成本，發(fā)電機出力增加約12%，經(jīng)濟效益比較顯著。這對同行業(yè)水輪發(fā)電機組的增容改造，具有積極的借鑒作用。

TV734

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1007-6980（2015）04-0030-03

2015-08-07）

林 順 男 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

邢丁丹 女 助理工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222