王劍瑜（福建環(huán)三億能電力工程有限公司，福建 寧德 352100）

金溪電站水輪發(fā)電機(jī)組的技改增容

王劍瑜
（福建環(huán)三億能電力工程有限公司，福建 寧德 352100）

金溪電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率低下，技術(shù)狀況差 ，裝機(jī)容量偏小，亟需技改增容。改造方案是將原裝機(jī)容量2× 2 500 kW增大至2×3 200 kW，具體措施是將水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換為高效能轉(zhuǎn)輪，增加水輪機(jī)的出力；更換定子、轉(zhuǎn)子線苞并增大線徑，使發(fā)電機(jī)容量增加，以保證水輪機(jī)出力增大后發(fā)電機(jī)能有足夠的功率輸出，取得很好的效果。圖2幅，表3個(gè)。

關(guān)健詞：水電站；水輪機(jī)；發(fā)電機(jī)；增容改造

1　工程概況

金溪電站投產(chǎn)于1987年7月，該電站系金溪流域第三級(jí)徑流式開發(fā)電站 ，電站流域跨越兩縣轄區(qū)。電站裝機(jī)容量2×2 500 kW，水輪機(jī)型號(hào)為HL126—WJ—71，發(fā)電機(jī)型號(hào)為 SFW—K—2500—6/1430，工作水頭132 m，額定流量2.48 m3/s，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

2　增容改造的原因

2.1電站水資源條件的校核

電站的水庫流域面積78 km2，海拔高程196 m，水庫總?cè)萘?5萬m3，屬徑流式開發(fā)水電站，水庫基本不具備調(diào)節(jié)能力，設(shè)備的年利用小時(shí)在3 500 h左右；而現(xiàn)在規(guī)劃新建水電站設(shè)備的年利用小時(shí)都在5 000 h以上。近年由于上游一級(jí)電站興建中型龍頭調(diào)節(jié)水庫并增加裝機(jī)容量，上游電站機(jī)組一開機(jī)，金溪電站大壩就出現(xiàn)大量水溢流過壩，每年4 ～9月份累計(jì)棄水時(shí)間超過1 500 h。由于HL126型水輪機(jī)的過流能力小，機(jī)組超發(fā)能力受到限制。

2.2水輪機(jī)存在的問題

因水輪機(jī)經(jīng)過25 a的長(zhǎng)期運(yùn)行，葉片磨損嚴(yán)重、表面粗糙，轉(zhuǎn)輪受到嚴(yán)重氣蝕損壞，雖經(jīng)多次補(bǔ)焊，葉片型線仍有較大異變，已偏移最優(yōu)高效區(qū)，其效率有了很大下降，進(jìn)而也限制了工況點(diǎn)的單位流量，即使導(dǎo)葉開度開至最大，發(fā)電機(jī)也只勉強(qiáng)帶滿2 500 kW負(fù)荷。

轉(zhuǎn)輪上冠減壓孔直徑偏大，下環(huán)的水壓反推力超過上冠水壓正推力，導(dǎo)葉開度超過90%以上運(yùn)行時(shí)會(huì)時(shí)常發(fā)生推力軸承反向顫振，甚至發(fā)生過負(fù)推力瓦面被燒毀的事故。轉(zhuǎn)輪上冠錐度與主軸嚙合接觸面不足40%，轉(zhuǎn)輪下環(huán)出水道有60mm長(zhǎng)的非工作段會(huì)增加水力摩擦損失。尾水錐管進(jìn)水口周圍有一個(gè)高出過流面10mm、長(zhǎng)度達(dá)30mm的凸臺(tái)，影響尾水的過流能力和效率回收。

HL126—型水輪機(jī)系捷克20世紀(jì)50年代初的科研成果，捷克的型號(hào)為F13，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低，模型最優(yōu)效率僅為86%，較我國現(xiàn)有水輪機(jī)模型最優(yōu)效率低6～8個(gè)百分點(diǎn)，早屬淘汰產(chǎn)品。據(jù)估算，因轉(zhuǎn)輪效率低下這一項(xiàng)原因，每年就給金溪電站造成140萬kW·h的電能損失。

2.3發(fā)電機(jī)存在老化現(xiàn)象

發(fā)電機(jī)絕緣出現(xiàn)老化，絕緣層性能較差且容易受潮，機(jī)組停機(jī)超過24 h發(fā)電機(jī)線圈的絕緣電阻就接近于機(jī)組升壓所規(guī)定絕緣值的最低臨界點(diǎn) ，而且絕緣層大部分出現(xiàn)裂紋以及槽契綁扎松動(dòng)等現(xiàn)象。定子線苞絕緣脫殼，股線松散，接地電阻、匝間絕緣電阻及相間絕緣電阻則無法達(dá)到相關(guān)規(guī)定的最低耐壓標(biāo)準(zhǔn)。

3　增容改造方案的技術(shù)設(shè)計(jì)

電站引水系統(tǒng)不變，機(jī)組單機(jī)容量由原來的2 500 kW增容至3 200 kW，轉(zhuǎn)輪的改造、選型、設(shè)計(jì)及加工技術(shù)工藝方面，選擇由中國水利水電科學(xué)研究院機(jī)電所承擔(dān)。

機(jī)組輔助設(shè)備和油、水、氣管路不改造。調(diào)速器可繼續(xù)使用WYT—1000型，因?yàn)樗啓C(jī)的工作水頭、導(dǎo)葉高度、轉(zhuǎn)輪直徑不改造，調(diào)速功仍有10%～15%的余量。

為了配套技改，原主變?yōu)镾L7—3150/10.5兩臺(tái)，己老化屬高耗能產(chǎn)品，改造為4 000 kVA、S10兩臺(tái)型節(jié)能。

水輪機(jī)的蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、尾水管繼續(xù)保留使用，只選擇高效率、空載特性優(yōu)良、運(yùn)行穩(wěn)定性好的新型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行更換。

3.1首先校核水輪機(jī)主軸的剛度

在2臺(tái)2 500 kW增容至3 200 kW的方案討論時(shí)，考慮過發(fā)電機(jī)容量增加對(duì)主軸所承載的機(jī)械剛度有一定的要求，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)校核計(jì)算結(jié)果如下：

（1）機(jī)組的臨界飛翼轉(zhuǎn)速1 630 r/min（檢測(cè)時(shí)）。

（2）飛輪處的撓度0.064mm。

（3）發(fā)電機(jī)中心撓度0.032mm。

檢測(cè)結(jié)論：機(jī)組主軸機(jī)械剛度滿足增容要求。3.2 新轉(zhuǎn)輪葉片型線及水力計(jì)算分析

由于轉(zhuǎn)輪直徑都不改變 ，水輪機(jī)出力確定后，水輪機(jī)的運(yùn)行區(qū)域就基本確定，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速和最優(yōu)單位流量的選擇要根據(jù)電站的加權(quán)因子分布進(jìn)行合理的調(diào)整，以保證電站有較高的加權(quán)平均效率，能獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

由于電站水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組增容幅度大 ，要保證水輪機(jī)具備有較大的超發(fā)能力，新轉(zhuǎn)輪的葉片型線設(shè)計(jì)和選型就成為最關(guān)鍵的主題內(nèi)容，經(jīng)過多方面的實(shí)地考查與驗(yàn)證，最終選擇中國水利水電科學(xué)院機(jī)電所研發(fā)的HLJF501型轉(zhuǎn)輪。選擇HLJF501型轉(zhuǎn)輪是因?yàn)樗圃簱碛袊H先進(jìn)的高精度水輪機(jī)模型試驗(yàn)臺(tái)，具備有計(jì)算機(jī)水力設(shè)計(jì)、流場(chǎng)計(jì)算、水輪機(jī)性能預(yù)估等優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，其中HLJF1501型水輪機(jī)的模型經(jīng)測(cè)試最優(yōu)效率預(yù)估可達(dá)93.5%，對(duì)水輪機(jī)空化和穩(wěn)定性要求比較高，能滿足金溪電站增容改造的技術(shù)要求。轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)采用以下水力優(yōu)化方案：

（1）選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。

（2）葉片設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整型線，提高轉(zhuǎn)輪效率。

（3）調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口形狀以適應(yīng)原有導(dǎo)葉的出口流態(tài)。

（4）調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉片出口形狀以使得轉(zhuǎn)輪出口流速分布均勻，適應(yīng)原有的尾水管，并改善內(nèi)部的流態(tài)，提高尾水的能量回收效率，增進(jìn)水力穩(wěn)定性。3.3 發(fā)電機(jī)的改造方案

極數(shù)不變，定子、轉(zhuǎn)子線圈更換，改造后發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)為0.85，在發(fā)電機(jī)出口增設(shè)高壓電容無功補(bǔ)償智能柜，達(dá)到電網(wǎng)供電要求。

定子線圈絕緣采用5438—1特級(jí)混云母材料，提高絕緣能力，降低絕緣厚度，以便于增加定子線圈的線徑，達(dá)到發(fā)電機(jī)增容的目的。更換定子線圈的輔料及配件 （含槽楔、半導(dǎo)體墊層、引出線、絕緣制品及測(cè)溫元件）。發(fā)電機(jī)定子配置的電阻溫度計(jì)為鉑100，定子槽內(nèi)設(shè)9個(gè)測(cè)點(diǎn) （3個(gè)鐵芯，6個(gè)線圈）。

改造通風(fēng)系統(tǒng)加大通風(fēng)量，將原來繞簧式的發(fā)電機(jī)空氣冷卻器更換成拉片式，使冷卻器功率從原來的85 kW增大至93 kW，為實(shí)現(xiàn)在機(jī)組增容至3 200 kW時(shí)能有效地降低發(fā)電機(jī)溫度，以保證增容后發(fā)電機(jī)溫升不致于過高。

發(fā)電機(jī)增容后性能與參數(shù)都將改變，因此必須提供技術(shù)參數(shù)供水電站進(jìn)行短路、繼電保護(hù)計(jì)算及整定各種保護(hù)定值，如勵(lì)磁電流、電壓、發(fā)電機(jī)效率、定子線負(fù)荷、定轉(zhuǎn)子氣隙磁密度、允許溫升、短路比、定子漏抗等。

4　改造的技術(shù)措施

4.1水輪機(jī)改造方法

涉及技改增容的按 “水輪機(jī)發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件 （GB 7894—87）”執(zhí)行，機(jī)組改造安裝的技術(shù)要求按 “水輪發(fā)電機(jī)組安裝規(guī)范 （GB 8564—87）”執(zhí)行，機(jī)組改造部份試驗(yàn)方法按 “三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法 （GB 1029—80）”相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

在改造轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工過程中為解決改造前機(jī)組推力軸承反向顫動(dòng)的問題，在新轉(zhuǎn)輪上采用的辦法是加大改造轉(zhuǎn)輪下環(huán)出水側(cè)的迷宮間隙0.5mm，以此降低反推力。同時(shí)，采取減小轉(zhuǎn)輪上冠的減壓孔直徑 ，以此增大在上冠上的水壓力；辦法是把轉(zhuǎn)輪上冠的減壓孔從6×φ32mm改為6× φ24mm，減少了過流截面的25%，有利于減輕泄水錐表面氣蝕和降低作用在上冠的水壓力。

4.2發(fā)電機(jī)定子改造方法

原發(fā)電機(jī)定子線圈線苞每根為5.0mm× 2.0mm，2根線圈并繞10匝，3個(gè)支路電流密度 J1 =4.95 A/mm2，主絕緣B級(jí)云母帶絕緣層較厚。改造時(shí)發(fā)電機(jī)主要尺寸不變 ，額定電壓、轉(zhuǎn)速保持原值。新的線圈線苞每根為5.3mm×2.6mm，6根銅線并繞3匝，1個(gè)支路電流密度 J1′=4.26A/mm2；線圈聯(lián)接方式采用RLT聯(lián)接，減少了附加損耗，以滿足改造時(shí)加大新繞組線徑的需要。

由于受發(fā)電機(jī)定子槽尺寸裕度限制 ，對(duì)增容所需增大線徑存在一定局限性 ，一是考慮到新線苞比舊線苞導(dǎo)線截面積增大，所以對(duì)新線圈要進(jìn)一步減薄絕緣層厚度，采用了高耐壓高絕緣性能、介質(zhì)損耗低的5438—1特級(jí)混云母絕緣的新型絕緣材料，絕緣等級(jí)從B級(jí)提高到F級(jí)，絕緣減薄后盡量騰出槽內(nèi)空間尺寸裕度；二是考慮到增容后定子線圈端部承受的電磁力會(huì)增大 ，會(huì)使線圈發(fā)生扭曲、變形、破壓和發(fā)生匝間短路 ，甚至造成整臺(tái)發(fā)電機(jī)的重大事故，因此定子線圈加工及浸漆烘焙工藝將作為關(guān)鍵技術(shù)措施之一。

在浸漆工藝上采用了特有的強(qiáng)迫流動(dòng)浸漆烘焙工藝，確保填充線圈間和線圈與鐵芯的空隙浸漆透徹，在烘焙上采用了循環(huán)熱風(fēng)打入電機(jī)進(jìn)行循環(huán)加熱，使之能達(dá)到整個(gè)電機(jī)線圈受熱均勻、固化程度高的工藝要求，進(jìn)而也會(huì)提高絕緣熱傳導(dǎo)系數(shù)，增加線圈的散熱能力。

清潔定子鐵芯及機(jī)座 ，鐵芯槽部噴130號(hào)半導(dǎo)體漆。對(duì)梆線及保護(hù)帶噴1032絕緣漆，定子線圈端部及鐵芯內(nèi)圓噴1321號(hào)灰磁漆。打完槽楔后工頻耐壓15.75 kV，發(fā)電機(jī)總裝后對(duì)定子線圈烘干固化，進(jìn)行13.6 kV工頻耐壓試驗(yàn)及定子繞組匝間絕緣介電強(qiáng)度試驗(yàn) （1.3 Un，5 min）。

4.3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子改造方法

轉(zhuǎn)子進(jìn)行磁極線圈更換，全部更換磁極線圈，一般來說發(fā)電機(jī)容量增加20%～25%時(shí)，其空載勵(lì)磁功率并沒有增加，只是由于定子電流增加后才引起的部分勵(lì)磁功率，只要將勵(lì)磁功率提高10%左右就可以滿足發(fā)電機(jī)在20%～25%的增容需要。舊線圈扁銅線規(guī)格2.8mm×35mm，新線圈采用扁銅線，規(guī)格2.8mm×40mm；這是考慮到技改后空載勵(lì)磁電流從198 A提高到209 A的原因。

因磁極高度有限線圈只能加寬不加厚，磁極線圈采用低電阻率的TDR銅帶繞制而成，匝間采用F級(jí)絕緣。磁極線圈的上、下端采用F級(jí)的整體絕緣托板與線圈和極身絕緣熱壓成一個(gè)堅(jiān)固的整體 ，使磁極的機(jī)械性能和電氣性能極大提高。轉(zhuǎn)子相應(yīng)的配件更換，具體有：磁極撐塊、撐板、并頭套、線夾、引線電纜、接頭、引線絕緣材料等 （見表1）。

表1　增容改造后發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

5　改造后試驗(yàn)情況及運(yùn)行狀況

5.1依據(jù)水輪機(jī)模型試驗(yàn)情況

增容所選擇的模型經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果，與改造前后水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力性能相比較具有以下特點(diǎn)：

（1）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪綜合水力參數(shù)得到很大的提高。

（2）水輪機(jī)具有較高的效率水平，在最優(yōu)工況點(diǎn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型最高效率提高6.0%～13.5%（見圖1）。

（3）水輪機(jī)具有較大的出力裕度，在設(shè)計(jì)凈水頭以內(nèi)發(fā)電時(shí)水輪機(jī)具有較好的水力穩(wěn)定性。

（4）水輪機(jī)模型試驗(yàn)結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)輪各項(xiàng)性能指標(biāo)都可以滿足金溪電站增容改造的技術(shù)要求。

圖1　水輪機(jī)技術(shù)改造前后機(jī)組出力與效率曲線

5.2水輪機(jī)改造后運(yùn)行狀況

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明 ，改造后的機(jī)組出力均有大幅度的增加，而且運(yùn)行平穩(wěn)，尾水噪聲有明顯降低，速率和壓力上升值能滿足規(guī)程規(guī)定要求 ，導(dǎo)葉開度87%時(shí)的出力就達(dá)到3 000 kW，導(dǎo)葉開度90%時(shí)出力已達(dá)3 150 kW，導(dǎo)葉開度96%時(shí)發(fā)電機(jī)出力超過3 200 kW，且仍處在上升空間。導(dǎo)葉開度從空載開至100%的滿載運(yùn)行測(cè)試過程中，沒有發(fā)現(xiàn)機(jī)組推力軸承反向顫動(dòng)的問題，甩負(fù)荷試驗(yàn)和72 h的運(yùn)行過程中推力瓦溫度穩(wěn)定保持在55℃。

5.3發(fā)電機(jī)改造后運(yùn)行狀況

改造后發(fā)電機(jī)定子絕緣性能良好，檢測(cè)的定子線圈絕緣吸收比：A相R60/R15=1 000/500=2.0，B相 R60/R15=980/450=2.2，C相 R60/R15= 1 000/480=2.1。滿負(fù)荷運(yùn)行過程中定子溫度平均值保持在75℃ （見表2）。改造后發(fā)電機(jī)經(jīng)過了3 a的運(yùn)行考驗(yàn)，定子線圈溫升并沒有變化，和改造前相比較基本保持不變。

轉(zhuǎn)子溫升采用電阻溫度曲線法測(cè)量，按已設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子繞組溫升曲線圖 （見圖2、表3），測(cè)量電壓時(shí)采用帶絕緣柄的銅刷直接從轉(zhuǎn)子滑環(huán)上測(cè)量 ，以消除電刷壓降影響。測(cè)量電流時(shí)毫伏表盡量靠近分流器，防止引線過長(zhǎng)會(huì)增大電阻值帶來誤差。測(cè)量電壓、電流后計(jì)算成電阻值，查表獲得轉(zhuǎn)子繞組溫升，其溫升也不高，能滿足機(jī)組運(yùn)行要求。

表3　發(fā)電機(jī)滿負(fù)載時(shí)在5 h內(nèi)測(cè)得轉(zhuǎn)子電壓、電流值計(jì)算繞組阻值并查曲線得到的溫升

圖2　轉(zhuǎn)子電阻溫度曲線 （設(shè)計(jì)值R15=0.123 3）

6　結(jié) 語

金溪電站1、2號(hào)機(jī)組增容改造后，設(shè)備的性能得到很大的提高，由于采用了新技術(shù)、新材料、新工藝，設(shè)備的事故率也有了很大的降低 ，機(jī)組的安全穩(wěn)定性得到提高，發(fā)電量得到保證；同時(shí)也延長(zhǎng)了故障檢修周期。

投入商業(yè)運(yùn)行后，在系統(tǒng)中發(fā)揮了良好的調(diào)控作用，產(chǎn)生了較大的社會(huì)效益。水輪機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性較好，新轉(zhuǎn)輪效率提高6.0%～13.5%，機(jī)組實(shí)測(cè)的最大出力由原來的2 500 kW增加到3 200 kW，各項(xiàng)性能指標(biāo)勻達(dá)到增容改造的要求。第一年度發(fā)電量2 087萬kW·h，第二年度2 230萬kW·h，第三年度2 310萬kW·h。3 a平均發(fā)電量超出原設(shè)計(jì)發(fā)電量429萬kW·h，每度電售價(jià)0.335元，年增加發(fā)電效益達(dá)143.7萬元，說明技改工程具備清償能力，而且還有較好的盈利效果。

［1］ 徐 輝.小型水電站的挖潛改造 ［J］.農(nóng)村電氣化，2006 （2）：47_48.

［2］ 張光蓉.水輪發(fā)電機(jī)增容改造中新技術(shù)的應(yīng)用［J］.東方電機(jī)，2012（6）：74_81.

［3］ 陸大為，林環(huán)興.小型水電站增容改造體會(huì)［J］.中國農(nóng)村水利水電，2007（3）：64_65.

［4］ 趙永智，稅 彪.銅街子水電站12號(hào)機(jī)增容改造水輪機(jī)水力開發(fā)［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2015（4）：5_6.

責(zé)任編輯 吳 昊

2016-04-11

王劍瑜 （1961-），男，工程師，主要從事水電站機(jī)電設(shè)備安裝、檢修、技改工作。

E_mail：13509579278@139.com