羅征寧

（清流縣優(yōu)恩電力有限責(zé)任公司，福建 三明 365300）

1 概述

竹青背電站位于羅口溪長(zhǎng)潭河中部的長(zhǎng)校鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計(jì)庫容870萬m3，大壩高42 m壩長(zhǎng)203 m，集雨面積498 km2，多年平均降雨量18 120 mm，多年平均流量16.31 m3/s[1]。裝設(shè)2×2 500 kW水輪發(fā)電機(jī)，水輪機(jī)型號(hào)：HL240-LJ-140，設(shè)計(jì)水頭25 m最低水頭16.90 m，最高水頭32.24 m，設(shè)計(jì)流量12.12 m3/s，吸出高程10.60 m，水推力194 kN，重量25 t，發(fā)電機(jī)型號(hào)：SF2500-24/2600，重量28.70 t，額定電流286.4 A，額定電壓6.3 kV，絕緣等級(jí)B級(jí)3相[2]。多年平均發(fā)電量2 175萬kW·h，年利用小時(shí)4 350 h。1996年6月1日投產(chǎn)發(fā)電，72 h試運(yùn)行時(shí)1號(hào)發(fā)生聲音異常，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子間有劃痕；同年10月2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)生定轉(zhuǎn)子碰撞磨損，定子鐵心發(fā)紅，溫度達(dá)到限值；運(yùn)行前幾年定子溫度多次達(dá)極限130 ℃，檢查發(fā)現(xiàn)定子槽漆板沒有開導(dǎo)風(fēng)槽，結(jié)合大修開導(dǎo)風(fēng)槽；在之后運(yùn)行近20年定子溫度還是偏高，電磁聲較大，振動(dòng)近限值[3]。雖然經(jīng)過多次技改，并在大修中進(jìn)行多次消缺處理，但是仍然無法達(dá)到理想狀態(tài)。2011年10月份在針對(duì)性處理缺陷及大修中發(fā)現(xiàn)：①定子線棒被鐵心割傷；②鐵心變形松動(dòng)。

2 技術(shù)論證

2.1 水輪機(jī)出力校核

基于上述概述，水輪發(fā)電機(jī)日常運(yùn)行水頭控制在390.00～393.51 m以內(nèi)，折算水頭為29～32.50 m以內(nèi)，結(jié)合水輪機(jī)洗力型普表[4]可得機(jī)組發(fā)電力公式為：

公式（1）中，Q為水頭高度，η為系數(shù)值為0.92，H為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速。

根據(jù)公式（1）可以得到N=(9.81×1.24×293/2×0.92)2=3 054.50 kW，如果水頭再提高0.50 m(即29.50 m)，則N=(9.81×1.24×29.53/2×0.92)2=3 215.30 kW。在原有水庫水位高度下降量L=1.40，H=250 r/min的情況下，可得水輪機(jī)的Qmax，和各種水頭下相應(yīng)的流量為n=N/(9.81L2Q3/2η)=3 215.30/(9.81×1.40229.53/20.92)=12.14 m3/s，故在水頭29.50 m時(shí)引用流量12.14 m3/s，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速H=250 r/min。由此可以得到在不改變水輪機(jī)的情況下，通過提高運(yùn)行水頭高度可以促使機(jī)組出力達(dá)到3 000 kW以上。

2.2 水輪機(jī)增容改造要求

在確保額定水頭數(shù)值不變的情況，通過提高轉(zhuǎn)輪效率，加大過流量，提高水輪機(jī)出水量，經(jīng)工程測(cè)試，水輪機(jī)經(jīng)改造后較原機(jī)組提高20 %～25 %，且經(jīng)改造后水輪機(jī)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。為降低水輪機(jī)增容改造成本，只更換轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉臂和部分尾水錐管等零部件。經(jīng)測(cè)試，增容改造后機(jī)組抗汽蝕和磨損性能良好[5]。

2.3 原水輪機(jī)改變水頭主要技術(shù)參數(shù)

2.3.1 主要技術(shù)參數(shù)

型號(hào)：HL240---LJ—140，轉(zhuǎn)輪直徑：1 400 mm。可增大運(yùn)行水頭機(jī)組容量，但增大2 500 kW上一級(jí)的發(fā)電機(jī)是SF3200—20/3080，這樣將改變?cè)谢A(chǔ)，投資大、耗時(shí)長(zhǎng)。采用廠家建議，將定子轉(zhuǎn)子改造為3 000 kW非標(biāo)發(fā)電機(jī)，技術(shù)參數(shù)按3 200 kW(型號(hào)SF3000---20/30800）計(jì)算。主要技術(shù)參數(shù)分析如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)分析

水頭運(yùn)行機(jī)組容量設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 水頭運(yùn)行機(jī)組容量設(shè)計(jì)

這樣調(diào)速器達(dá)到限值，考慮原有調(diào)速器（YDT--1800改）的設(shè)計(jì)余度，可以滿足運(yùn)行需要。

2.3.2 水輪機(jī)主要部位要求

轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙為0.60～0.84 mm；導(dǎo)水葉閉合邊立面間隙0.10 mm；原水輪機(jī)主要部位經(jīng)實(shí)測(cè)得水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙在0.76 mm；導(dǎo)水葉閉合邊立面間隙≤0.70 mm；轉(zhuǎn)輪模型較好，沒有明顯的氣蝕、沙蝕，破損等現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪效益高，水頭適應(yīng)范圍廣，為16.90～32 m。

2.4 水輪機(jī)改造原則

水輪機(jī)改造中，水輪機(jī)機(jī)組增容改造的關(guān)鍵是通過改造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，提高水能資源向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率[6]。由于水頭和流量存在一定的差異，相同轉(zhuǎn)輪在不同的水頭、流量下，其工作效率隨之變化，需要合理選擇改造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，防止水輪機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)、氣蝕等不良現(xiàn)象，提高電站經(jīng)濟(jì)效益。竹青水電站機(jī)組增容改造工程中，在對(duì)原機(jī)組水頭、流量條件進(jìn)行深入分析的基層上，以保證機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)符合技術(shù)規(guī)范要求為前提，通過更換效率高、流量大的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，滿足水輪機(jī)增容改造要求。經(jīng)改造后的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與原轉(zhuǎn)輪機(jī)直徑、流道一致，過機(jī)流量提升效果明顯，機(jī)組出力效果顯著，根據(jù)水輪機(jī)改造測(cè)試數(shù)據(jù)表明，機(jī)組出力提高約20 %以上。但受壓力鋼管的限制引用流量改變較小。在綜合考慮后決定不更換原有轉(zhuǎn)輪（水輪機(jī)部分不動(dòng)），型號(hào)為：HL240—LJ—140，通過在止漏環(huán)上薄薄電焊一層并打磨至合格，使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)的間隙為0.65 mm。

3 發(fā)電機(jī)改造

3.1 發(fā)電機(jī)現(xiàn)狀

發(fā)電機(jī)定子線桿被鐵心切斷，鐵心變形松動(dòng)等必然要修復(fù)鐵心和定子線桿，絕緣等級(jí)B。

3.2 發(fā)電機(jī)改造途徑

水輪發(fā)電機(jī)的增容改造是在現(xiàn)有條件下，有效提高電站經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑，也是改善原機(jī)組運(yùn)行安全問題的重要保證。經(jīng)本工程水電機(jī)組增容改造實(shí)踐表明，在相同功率下，水輪發(fā)電機(jī)出力增加幅度為20 %～25 %。但由于改造后的水輪機(jī)功率增加可能導(dǎo)致發(fā)熱量增加，因此，應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)子溫度控制，更換定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈為F級(jí)絕緣材質(zhì)，確保轉(zhuǎn)子溫度在絕緣允許極限溫度控制范圍內(nèi)，滿足機(jī)組各項(xiàng)電氣指標(biāo)及安全運(yùn)行要求。

3.3 發(fā)電機(jī)改造原則

3.3.1 原繞組的改造增容

由發(fā)電機(jī)現(xiàn)狀可以判斷原發(fā)電機(jī)須更換定子線棒、鐵心。在對(duì)原繞組增容時(shí)，應(yīng)先通過增大定子繞組線規(guī)方式，降低定子繞組電阻，確保定子繞組電阻發(fā)熱量大于原繞組發(fā)熱量，在合理改造范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)繞組的增容改造。由于發(fā)電機(jī)組定子槽尺寸受限，對(duì)增容尺寸存在一定限制，因此，在增容過程中，可通過改變?cè)瓩C(jī)組絕緣浸漆工藝，將機(jī)組絕緣等級(jí)提高至F級(jí)，并采用損耗低、耐電壓、高介質(zhì)的優(yōu)質(zhì)絕緣材料，合理控制絕緣層厚度，達(dá)到在不改變機(jī)組定子槽規(guī)格的情況下增容的目的。通過上述技術(shù)措施，可增加一個(gè)容量等級(jí)（3 200 kW)。

3.3.2 原機(jī)組定子的改造增容

因?yàn)榘l(fā)電機(jī)基坑環(huán)境條件的限制，需根據(jù)原機(jī)組定子機(jī)座尺寸更換發(fā)電機(jī)定子鐵心、鐵心槽形尺寸以及發(fā)電機(jī)定子線圈。通過與廠家協(xié)商改容量等級(jí)為3 000 kW，型號(hào)：SF3000-24/2600，功率3 000 kW，電壓6 300 V，額定功率因數(shù)0.85（滯后），電流323.4 A，轉(zhuǎn)速250 r/min，頻率50 Hz，相數(shù)3，接法Y，絕緣耐熱等級(jí)F級(jí)。

4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的改造

4.1 增加勵(lì)磁功率

針對(duì)發(fā)電機(jī)容量增加20 %～25 %，空載勵(lì)磁功率并未增加的情況，應(yīng)通過增加定子電流方式，通過電樞反應(yīng)增加勵(lì)磁功率。

4.2 轉(zhuǎn)子線圈翻新改造

為滿足轉(zhuǎn)子翻新改造要求，本工程將水輪發(fā)電機(jī)舊線圈做退火處理。通過退火處理方式，能夠起到軟化銅排和除去舊絕緣的作用。經(jīng)退火處理后，重新熱壓轉(zhuǎn)子線圈，并將線圈絕緣等級(jí)提高至F級(jí)。經(jīng)轉(zhuǎn)子線圈翻新處理，線圈匝數(shù)增加10 %～15 %，有效提高了轉(zhuǎn)子絕緣等級(jí)，轉(zhuǎn)子繞組擴(kuò)容幅度為120%～125 %。

4.3 機(jī)組改造增容參數(shù)

空載勵(lì)磁電流100 A；空載勵(lì)磁電壓55.80 V；額定勵(lì)磁電流226 A；額定勵(lì)磁電壓 218 V；滿載效率96.40 % ；直軸同步電抗Xd＝1.41；直軸瞬變電抗Xd/＝0.26；直軸超瞬變電抗Xd//＝0.17；橫軸同步電抗Xq＝Xq/＝0.83；橫軸超瞬變電抗Xq//＝0.18。

5 機(jī)組改造增容和新增裝機(jī)比較

電機(jī)增容擴(kuò)建方式是改善老電站機(jī)組運(yùn)行效能的重要途徑，是新時(shí)期中小型電站改造發(fā)展的重要方向。與新增機(jī)組增容改造相比，老機(jī)組增容改造具有以下優(yōu)勢(shì)：

5.1 改造增容經(jīng)濟(jì)效益高

竹青背電站機(jī)組增容改造的費(fèi)用在1 000元/kW～2 000元/kW之間，但是如果新增裝機(jī)則需投資5 000元/kW～10 000元/kW，改造增容的投資成本明顯低于新增裝機(jī)。

5.2 投資見效快，不影響正常發(fā)電

竹青背電站機(jī)組的增容改造可在機(jī)組枯水期完成，不影響電站的正常發(fā)電。本電站的改造增容只需一兩個(gè)月就可完成，施工周期短、投資成本低、收益高。電機(jī)改造增容后投入運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)快，投資回報(bào)周期短、效益高，電站運(yùn)營(yíng)2年左右就可收回改造增容的投資成本。

5.3 施工方便簡(jiǎn)單

原有的基礎(chǔ)設(shè)施因外形不變，增加的機(jī)組增容必須增加一系列配電設(shè)施，施工復(fù)雜，而本文中提出的竹青背電站機(jī)組增容改造措施，施工簡(jiǎn)單方便。

6 結(jié)語

本次2號(hào)F水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)改造增容基本成功，解決原發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)、電密較高、冷卻風(fēng)路不暢、運(yùn)行溫度較高、致使鐵心變形及松動(dòng)、線圈絕緣老化及損傷等問題，同時(shí)又增加機(jī)組效益，在運(yùn)行上只要輕松調(diào)整運(yùn)行特性，簡(jiǎn)單節(jié)約。