張曉華，印大均，印小軍

(1.河北省桃林口水庫(kù)管理局，河北 秦皇島，066400；2.鈦能科技股份有限公司，南京，211800)

1 工程概況

桃林口水電廠為壩后式電廠，布置在桃林口水利工程樞紐的右岸。發(fā)電用水通過(guò)引水洞從水庫(kù)引水至發(fā)電廠房，一管一機(jī)供水，其中壓力鋼管總長(zhǎng)119m，前100m直徑為3000mm，至廠前漸變?yōu)橹睆?500mm。電站主廠房?jī)?nèi)裝設(shè)2臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，副廠房布置在主廠房上游側(cè)。

桃林口水電廠發(fā)電機(jī)組于1998年12月24日開(kāi)始投入運(yùn)行，原發(fā)電機(jī)容量為2×10000kW，發(fā)電機(jī)型號(hào)SF10000-20/3250，由于發(fā)電機(jī)運(yùn)行多年，絕緣等級(jí)低(B)，絕緣老化導(dǎo)致發(fā)電機(jī)溫度升高，冷卻效果差，機(jī)組增容后絕緣、線圈等無(wú)法滿足安全運(yùn)行要求，給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了影響。原水輪發(fā)電機(jī)組效率低下、安全隱患多，因此，對(duì)其進(jìn)行更新改造非常必要。

2 SF11-20/3250立式水輪發(fā)電機(jī)

改造后的發(fā)電機(jī)為重慶水輪機(jī)廠，機(jī)組出力由原來(lái)的10000kW增容至11000kW，發(fā)電機(jī)增容改造、升級(jí)絕緣等級(jí)并滿足各部件溫升要求及機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.1 機(jī)組主要規(guī)規(guī)參數(shù)

額定容量：13750kVA

功率因數(shù)：0.8(滯后)

額定功率：11000kW

額定電壓：6300V

額定電流：1260.1A

頻率：50Hz

額定轉(zhuǎn)速：300r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：600.8r/min

相數(shù)：3

定子繞組接法：4Y

額定勵(lì)磁電壓：185V

額定勵(lì)磁電流：336A

勵(lì)磁方式：靜止可控硅勵(lì)磁

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(GD2)：≥157t·m2

旋轉(zhuǎn)方向：從上向下看順時(shí)針

2.2 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

定子鐵芯外徑：3250mm

定子鐵芯內(nèi)徑：2800mm

定子鐵芯長(zhǎng)度：1100mm

氣隙：8mm

定子繞組15℃時(shí)的電阻：0.0129Ω

轉(zhuǎn)子繞組15℃時(shí)的電阻：0.378Ω

3 改造后的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

水輪發(fā)電機(jī)由上機(jī)架、定子、轉(zhuǎn)子、下機(jī)架、制動(dòng)器管路、空氣冷卻器及測(cè)溫系統(tǒng)組成。定子包括機(jī)座、鐵芯和線圈等件。

3.1 定子：機(jī)座、鐵芯和線圈

機(jī)座外徑φ3900mm，高2270mm，用以固定鐵芯及支承上機(jī)架。鐵芯由0.5mm厚優(yōu)質(zhì)低耗硅鋼片沖制的扇形片疊壓而成，軸向長(zhǎng)度內(nèi)分為24段，段間有10mm高徑向通風(fēng)溝23個(gè)。

本機(jī)鐵芯溫升不超過(guò)80K。定子線圈為圈式繞組，用桐馬環(huán)氧粉云母熱固化成形，共192個(gè)，接成4Y，主引出線和中性引出線各3根。線圈表面還進(jìn)行了防暈處理。定子線圈上下端部附近裝設(shè)有滅火水管，機(jī)組火警時(shí)可自動(dòng)或手動(dòng)滅火。

本機(jī)定子絕緣等級(jí)為F級(jí)，能在140℃內(nèi)連續(xù)正常工作。

3.2 轉(zhuǎn)子：主軸、磁軛、磁極

(1)主軸：為20SiMn鋼鍛件，滑轉(zhuǎn)子套于主軸上。上導(dǎo)軸承軸頸、下導(dǎo)軸承軸頸(滑轉(zhuǎn)子)及水輪機(jī)導(dǎo)軸承軸頸系一次組合加工，可將三檔軸頸的不同軸度控制在極小范圍內(nèi)，為機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行及安裝時(shí)找正中心創(chuàng)造了有利條件。

(2)磁軛：本機(jī)磁軛為疊片磁軛，磁軛片采用拉緊螺桿固定在轉(zhuǎn)子支架上，轉(zhuǎn)子支架通過(guò)熱套的方式固定在主軸上。

(3)磁極：包括鐵芯、磁極線圈、上下托板等。鐵芯用1.5mm厚鋼板沖片疊壓而成，極靴上裝設(shè)有縱橫阻尼繞組。磁極線圈用扁銅帶繞制，匝間墊環(huán)氧玻璃胚膠布熱壓固化成一整體，絕緣等級(jí)為F級(jí)，能在150℃內(nèi)連續(xù)正常工作，即使在飛逸時(shí)的離心力作用下，仍具有足夠的絕緣介電強(qiáng)度。極間還加裝了撐塊，整個(gè)磁極用雙T尾和斜楔固定在磁軛上。

3.3 制動(dòng)器管路

本機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)中裝有φ160活塞式制動(dòng)器4個(gè)，停機(jī)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的25%左右，可指令電磁空氣閥自動(dòng)進(jìn)行連續(xù)制動(dòng)，也可手動(dòng)操作高壓三路活門進(jìn)行連續(xù)制動(dòng)。制動(dòng)時(shí)用壓縮空氣，壓力約0.7MPa，壓縮空氣消耗量約4L/s，制動(dòng)時(shí)間約2min。機(jī)組安裝完畢啟動(dòng)前及停機(jī)時(shí)間超過(guò)3d再啟動(dòng)前，須頂起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子幫助推力軸承形成油膜。頂轉(zhuǎn)子時(shí)用壓力油，油壓約7MPa，轉(zhuǎn)子頂起的高度不超過(guò)15mm，壓力油源由隨機(jī)供應(yīng)的高壓油泵供給。

3.4 空氣冷卻器

空氣冷卻器為翅片式結(jié)構(gòu)，共4個(gè)，每個(gè)由多排管身均勻嵌有散熱片的冷卻管組成。熱風(fēng)吹拂散熱片，熱量即由管中的冷卻水帶走。冷卻后風(fēng)溫不超過(guò)40℃，冷卻水壓0.2MPa～0.4MPa，冷卻器的冷卻水量約85m3/h。

3.5 油水管路

上機(jī)架油池容量約1.8m3，下機(jī)架油池容量約0.4m3，機(jī)組總用水量約130m3/h。上機(jī)架、下機(jī)架及空氣冷卻器的進(jìn)水管分別裝有示流器，油池分別裝有軸承油位信號(hào)器可供運(yùn)行人員監(jiān)視供水及油位情況。本機(jī)冷卻水進(jìn)水溫度最高不超過(guò)28℃。

4 溫度標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)組在額定負(fù)載下，各部分軸承的溫度不超過(guò)：

(1)推力軸承：80℃；

(2)上下導(dǎo)軸承：75℃。

機(jī)組在規(guī)定的使用條件及額定負(fù)載下，各部分繞組及集電環(huán)的最高溫度不超過(guò)表1規(guī)定：

表1 繞組及集電環(huán)允許的最高溫度

5 電機(jī)的啟動(dòng)、使用和維護(hù)

5.1 電機(jī)的啟動(dòng)

(1)啟動(dòng)前，詳細(xì)檢查各部分特別是轉(zhuǎn)動(dòng)部分緊固件是否固牢，各軸承狀況是否良好，上下油池的油面高度是否符合規(guī)定，測(cè)溫元件是否裝好，空氣冷卻器、油水管路、制動(dòng)器管路是否暢通。

(2)啟動(dòng)前，上下機(jī)架油池的油溫不得低于10℃，但不得高于40℃，并須頂起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子幫助推力軸承形成油膜。

(3)啟動(dòng)后，將轉(zhuǎn)速逐漸升至額定轉(zhuǎn)速的50%，維持5min～10min，觀察有無(wú)摩擦或撞擊聲，若一切正常，可逐漸升至額定轉(zhuǎn)速。

(4)啟動(dòng)后，注意各軸瓦溫度上升速度是否均勻一致，如果某塊瓦溫度急劇上升，雖然未達(dá)到最大值，也必須立即停機(jī)查明發(fā)熱原因并進(jìn)行適當(dāng)處理。

(5)在GB/T 7894-2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》規(guī)定的額定工況運(yùn)行下，下列部位允許的擺度值或雙幅振動(dòng)量不大于：

①集電環(huán)：0.20mm

②上機(jī)架：0.06mm

③定子：0.03mm

④主軸法蘭：0.05mm

5.2 使用、維護(hù)

(1)在下列情況下，機(jī)組不允許啟動(dòng)：

①冷卻水管堵塞或冷卻水停止；

②測(cè)溫裝置產(chǎn)生故障；

③制動(dòng)器及其管路產(chǎn)生故障；

④軸承潤(rùn)滑油溫度低于10℃，高于40℃；

⑤集電環(huán)表面燒損未經(jīng)處理。

(2)運(yùn)行中，有下列情況之一者應(yīng)停機(jī)檢查：

①突然撞擊聲，或擺度、振動(dòng)增大；

②軸承溫度突然上升或油面不正常升高或降低；

③冷卻水停止。

(3)機(jī)組不得超銘牌額定出力運(yùn)行。

(4)機(jī)組產(chǎn)生飛逸后，不論飛逸時(shí)間長(zhǎng)短，均應(yīng)停機(jī)進(jìn)行全面檢查。

(5)本機(jī)推力軸承、上下導(dǎo)軸承潤(rùn)滑油牌號(hào)可采用L-TSA46透平油。

①各軸承每運(yùn)行1500h應(yīng)過(guò)濾和補(bǔ)充潤(rùn)滑油一次，每運(yùn)行半年左右應(yīng)更換新油；

②長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)再啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)頂起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子幫助推力軸承形成油膜，轉(zhuǎn)子頂起的高度不超過(guò)15mm；

③機(jī)組運(yùn)行中，油池油面可能因漏油而下降，或因冷卻器漏水而增高，因此，軸承油位信號(hào)器的油面應(yīng)整定至比正常油面低10mm時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，降至30mm時(shí)發(fā)出停機(jī)信號(hào)；

④推力軸承和導(dǎo)軸承的信號(hào)溫度計(jì)應(yīng)整定在超過(guò)規(guī)定溫度5℃時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，超過(guò)10℃時(shí)發(fā)出停機(jī)信號(hào)，并應(yīng)根據(jù)一年中的季節(jié)變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

(6)機(jī)組運(yùn)行中，如發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地，應(yīng)立即找出原因予以消除，以防磁拉力不平衡造成嚴(yán)重事故。

(7)定轉(zhuǎn)子繞組粘附油污時(shí)，應(yīng)用四氯化碳、甲苯或二甲苯拭凈。如因擦試引起表面漆層脫落時(shí)，應(yīng)按圖紙規(guī)定重新噴涂復(fù)蓋漆。

①機(jī)組不允許在低速下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，停機(jī)時(shí)，應(yīng)在轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的30%左右加以制動(dòng)；

②機(jī)組檢修時(shí)頂起轉(zhuǎn)子并鎖定制動(dòng)器，以防因水機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)組釀成人傷事故；

③定期檢查油冷卻器和空氣冷卻器有無(wú)漏水并定期清除水管內(nèi)的積垢，清掃后，試水壓0.6MPa，60min不得漏水。

(8)碳刷與集電環(huán)應(yīng)接觸良好，接觸面積不得小于碳刷面積的80%，更換碳刷時(shí)應(yīng)配磨碳刷與集電環(huán)接觸面。

(9)定期測(cè)量機(jī)組的振動(dòng)和軸的擺度以及導(dǎo)軸承間隙，若振動(dòng)量顯著增大，應(yīng)在空轉(zhuǎn)、空載額定電壓及滿載三種情況下分別測(cè)量，以便找出原因消除故障，保證機(jī)組平滑運(yùn)行。

6 增效擴(kuò)容效果

河北省桃林口水電廠增效擴(kuò)容改造和青龍河生態(tài)修復(fù)工程于2016年12月1日開(kāi)工，2019年8月6日完工，2019年12月10日通過(guò)省水利廳組織的竣工驗(yàn)收。改造后總裝機(jī)容量由20320kW增容至22400kW，消除了原有缺陷，提高了電站安全系數(shù)和效率，1#、2#水輪機(jī)的效率分別為92.66%和93.84%(改造前機(jī)組的綜合效率只有66.6%)，在46m實(shí)際水頭(額定水頭45m)、流量52.27m3/s的情況下，2臺(tái)大機(jī)組合計(jì)出力24130kW，超過(guò)裝機(jī)容量22000kW的設(shè)計(jì)指標(biāo)，按發(fā)電量計(jì)增效擴(kuò)容能力達(dá)到21.2%，滿足“按發(fā)電量計(jì)算的增效擴(kuò)容潛力需達(dá)到20%以上”的驗(yàn)收指標(biāo)，符合財(cái)政部、水利部關(guān)于印發(fā)《“十三五”農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造績(jī)效管理辦法》的通知(財(cái)建〔2019〕14號(hào))要求。

7 結(jié)論

桃林口電廠，大庫(kù)小機(jī)組，多年調(diào)節(jié)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良；過(guò)機(jī)水質(zhì)好，無(wú)泥沙磨損問(wèn)題，機(jī)組運(yùn)行環(huán)境優(yōu)良。2019年8月中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司對(duì)桃林口水電廠增效擴(kuò)容改造工程的增效擴(kuò)容能力進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)論為：通過(guò)機(jī)組效率試驗(yàn)，增效擴(kuò)容改造工程實(shí)施后，水輪機(jī)組達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)值，為SF11-20/3250立式水輪發(fā)電機(jī)的應(yīng)用提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為水電廠節(jié)能降耗提供了科學(xué)的依據(jù)。