曾裕泉，李勝生

（江門市錦江水庫工程管理處，廣東 恩平 529431）

江門市錦江水庫于1973年7月竣工投入使用，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖、改善航運(yùn)及調(diào)節(jié)潭江水質(zhì)綜合利用的大（二）型水庫。水庫最大庫容4.18億m3，集雨面積362km2。水庫壩長345m，壩頂高程（高程為珠基，下同）101.2m，最大壩高63.2m。正常水位高程95.00m，相應(yīng)庫容35800萬m3，汛期防限水位高程94.00m，相應(yīng)庫容34000萬m3。壩后水電站總裝機(jī)為3×6.5MW，設(shè)計年發(fā)電量5500萬kW·h。

壩后水電站的機(jī)電設(shè)備是上世紀(jì)七十年代的產(chǎn)品，經(jīng)過30多年的運(yùn)行，水輪發(fā)電機(jī)的各種技術(shù)性能大幅下降，特別是水輪機(jī)效率、發(fā)電機(jī)無功出力、轉(zhuǎn)子絕緣越來越差，調(diào)速器和勵磁裝置調(diào)節(jié)性能不穩(wěn)定，機(jī)組故障停機(jī)率上升，直接影響電站的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。

1 技改項目及方法

1.1 水輪機(jī)部分

1.1.1 更換轉(zhuǎn)輪

由于上世紀(jì)70年代我國水輪機(jī)型號少，當(dāng)時電站選擇了基本上符合實(shí)際的HL702-LJ-140型水輪機(jī)，額定設(shè)計水頭50.5m。而壩后水電站30多年運(yùn)行加權(quán)平均庫水位87.37m，即加權(quán)平均凈水頭為45.13m，這表明著水輪機(jī)30多年都在偏離最優(yōu)工況運(yùn)行，因而造成轉(zhuǎn)輪空蝕嚴(yán)重，葉片出水邊發(fā)生局部裂紋。機(jī)組大修周期僅為3～4年，轉(zhuǎn)輪多次現(xiàn)場補(bǔ)焊導(dǎo)致葉片變形。

轉(zhuǎn)輪技改方法如下：

1）切實(shí)做好前期改造設(shè)計，合理制定改造目標(biāo)

首先請有關(guān)設(shè)計院進(jìn)行改造設(shè)計的前期工作，在科學(xué)分析電站30年運(yùn)行資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需要制定了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的合理改造目標(biāo)：改造增容幅度為15%，將原額定水頭50.5m降低2.75m，確定47.75m為改造后的額定水頭；基于改造后機(jī)組的加權(quán)平均凈水頭為45.13m，要求新轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速接近78.1r/min；按照國家標(biāo)準(zhǔn)對改造后轉(zhuǎn)輪的氣蝕率、穩(wěn)定性、壓力脈動及噪聲等技術(shù)指標(biāo)均制定了明確保證值。

2）“量體裁衣”式的改造設(shè)計

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的核心部件，承擔(dān)著將水流的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的功能。轉(zhuǎn)輪水力性能的優(yōu)劣直接決定水輪機(jī)性能的好壞，因此，轉(zhuǎn)輪的水力優(yōu)化設(shè)計是水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計十分重要的環(huán)節(jié)。采用國內(nèi)一流科研單位自主開發(fā)的水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計軟件系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)輪設(shè)計，結(jié)合CFD數(shù)值計算的壓力場、速度矢量、流線分布、環(huán)量變化及數(shù)值效率等來判別水輪機(jī)性能的優(yōu)劣，較好地完成了電站JF2528-140水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造目標(biāo)參數(shù)的水力優(yōu)化設(shè)計。

具體設(shè)計原則是，采用“量體裁衣”的方式，針對機(jī)組主要在80%～100%Nr負(fù)荷工況運(yùn)行的特點(diǎn)，將主要運(yùn)行工況點(diǎn)作為改造轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)工況點(diǎn)進(jìn)行水力設(shè)計，使得改造后機(jī)組的主要運(yùn)行工況能夠達(dá)到效率、空化及穩(wěn)定性等綜合性能最佳。改造前后水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型主要技術(shù)參數(shù)對比見表1。

為確保改造后轉(zhuǎn)輪有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和較寬廣的高效區(qū)，在水力設(shè)計中采用了目前具有國際先進(jìn)水平的X型葉片。X葉片的轉(zhuǎn)輪與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪相比，其優(yōu)越性表現(xiàn)在葉片正背面壓力分布均勻，空化性能好，高效率區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行范圍寬。

表1 新舊轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)對照表

3）更換轉(zhuǎn)輪時需解決的主要問題

a）新轉(zhuǎn)輪上冠與主軸法蘭的連接。原轉(zhuǎn)輪與主軸采用精配螺栓聯(lián)接。新轉(zhuǎn)輪在水力設(shè)計時，為了滿足電站的具體條件，加大了葉片靠上冠處的寬度，減小了葉片靠上冠出口處的直徑，其結(jié)構(gòu)上已不能用精配螺栓傳遞扭矩，因此將轉(zhuǎn)輪與主軸的連接方式改造為兩條“一”字鍵傳遞扭矩。轉(zhuǎn)輪上冠分布有連接螺孔，上冠與主軸法蘭用雙頭螺栓連接，同時在主軸法蘭面上加工鍵槽。

b）尾水管直錐段進(jìn)口部分局部修型。由改造前后轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)對比圖可知，新轉(zhuǎn)輪的下環(huán)比舊轉(zhuǎn)輪高，為了適應(yīng)新轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)對流道的要求，將尾水管進(jìn)口護(hù)板往下平移約90mm左右。

c）導(dǎo)葉最大開度校核。真機(jī)最大導(dǎo)葉開度為165mm。對導(dǎo)葉開度進(jìn)行預(yù)估的結(jié)果表明，真機(jī)導(dǎo)葉開度可以滿足新轉(zhuǎn)輪的要求，無需對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行改動。

4）高精度轉(zhuǎn)輪葉片制造工藝

水輪機(jī)性能的優(yōu)劣，關(guān)鍵取決于轉(zhuǎn)輪。有了性能良好的模型轉(zhuǎn)輪之后，如何使其優(yōu)良的水力性能在原型水輪機(jī)上發(fā)揮出來，則取決于原型轉(zhuǎn)輪和模型轉(zhuǎn)輪的相似程度，即原型轉(zhuǎn)輪的加工精度。先進(jìn)的加工制造工藝是保證原型轉(zhuǎn)輪加工精度的關(guān)鍵措施。真機(jī)轉(zhuǎn)輪的制造質(zhì)量主要取決于單個葉片的制造精度和轉(zhuǎn)輪的組焊精度兩方面。轉(zhuǎn)輪制造采用的是三坐標(biāo)測控法，具體方法是采用專門的工裝對葉片型線的空間坐標(biāo)進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果與設(shè)計值進(jìn)行對比來指導(dǎo)葉片的鏟磨，重復(fù)3～4次，直至葉片的空間型線誤差在允許的范圍之內(nèi)。這種方法加工出的葉片型線精度可滿足或高于國家現(xiàn)行質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.1.2 改造導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

水輪機(jī)原導(dǎo)水機(jī)構(gòu)密封是用止水膠條密封，在運(yùn)行中很容易破損引起嚴(yán)重漏水，造成水資源浪費(fèi)、停機(jī)制動時間延長、制動器復(fù)歸后會自動轉(zhuǎn)動起來等現(xiàn)象，直接影響機(jī)組安全。

技改方法：將止水膠條密封改為剛性密封，頂蓋和底環(huán)帶密封膠條槽的鑄鋼抗磨板更換為平面不銹鋼抗磨板，帶密封膠條槽的鑄鐵（無法焊接）更換為不銹鋼導(dǎo)葉，以解決因密封破損及密封槽磨損、銹蝕而引起的嚴(yán)重漏水問題。

1.2 發(fā)電機(jī)部分

1.2.1 轉(zhuǎn)子改造

原發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣嚴(yán)重老化，線圈表面絕緣出現(xiàn)裂痕，局部出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，絕緣電阻明顯下降，在長時間停機(jī)后測量的絕緣電阻幾乎為0，運(yùn)行過程中發(fā)熱嚴(yán)重，額定勵磁電流運(yùn)行時，勵磁電壓高于額定電壓15V左右，造成無功嚴(yán)重欠發(fā)。與供電部門結(jié)算按功率因數(shù)0.8進(jìn)行考核，欠發(fā)3度無功扣1度有功，欠發(fā)無功直接影響經(jīng)濟(jì)效益。

技改方法：

1）利用原轉(zhuǎn)子磁極鐵芯，更換新的轉(zhuǎn)子線圈。為達(dá)到增容10%的要求，勵磁安匝必須增加，故將線圈由52.5匝增加至53.5匝，同時將轉(zhuǎn)子線規(guī)的截面由原來的3.53×35mm2增大至3.53×45mm2，使增加電流時線圈電流密度不增加，溫升不提高。

2）空氣間隙保持原設(shè)計值13.5mm，同時將B級絕緣提高到F級絕緣，提高轉(zhuǎn)子絕緣的耐熱溫度，發(fā)電機(jī)增容后需要通風(fēng)量8.19m3/s。將舊弧形斗式風(fēng)扇改造為新弧形斗式，增強(qiáng)徑向壓頭和加強(qiáng)軸向鼓風(fēng)作用，使發(fā)電機(jī)通風(fēng)量達(dá)9.41m3/s，改善發(fā)電機(jī)的通風(fēng)條件，降低定子、轉(zhuǎn)子溫升，延長其使用壽命，以達(dá)到改造后額定出力下不欠發(fā)無功的目的。

1.2.2 推力軸承改造

推力軸承是立式機(jī)組主要承重部件，同時也是整臺機(jī)組轉(zhuǎn)動部分和靜止部分的磨擦面。原推力軸承的推力瓦為巴氏合金推力瓦，盤車時需要在鏡板與推力瓦之間加豬油作為潤滑劑，盤車轉(zhuǎn)動時油膜由厚到薄影響盤車精度，造成機(jī)組運(yùn)行時擺度偏大，瓦溫偏高。

技改方法：

1）電站水輪發(fā)電機(jī)組原采用傳統(tǒng)巴氏合金瓦，在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)局部瓦溫上升不正常、燒瓦 、運(yùn)行不穩(wěn)定等現(xiàn)象。在增效擴(kuò)容改造中將巴氏合金推力瓦更換為彈性金屬塑料瓦。彈性金屬塑料瓦耐磨性好、摩擦系數(shù)小、使用壽命長、盤車輕便，只加透平油即可，盤車轉(zhuǎn)動時油膜厚度變化不大，可提高盤車精度，減小機(jī)組運(yùn)行擺度和降低運(yùn)行瓦溫。

2）把運(yùn)行30多年的鏡板運(yùn)到專業(yè)水輪機(jī)制造廠，對其變形情況、鏡面和背面的粗糙度進(jìn)行檢測及處理，以減小鏡面和推力瓦之間的磨擦系數(shù)，降低推力瓦溫度，同時更有利于機(jī)組安裝時擺度的調(diào)整和機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的提高。

1.3 調(diào)速器改造

機(jī)組投產(chǎn)時調(diào)速器型號為CT-40，于1986年改造成YDT-40電液調(diào)速器，運(yùn)行至今近30年，由于電氣控制部分的電子元件老化變值，調(diào)節(jié)性能大為下降，同時生產(chǎn)廠家早已不再生產(chǎn)電液調(diào)速器，備品備件難以購買。

技改方法：該調(diào)速器的油壓裝置和主接力器，經(jīng)設(shè)計院復(fù)核計算及相關(guān)質(zhì)檢機(jī)構(gòu)檢測和試驗，確認(rèn)可繼續(xù)使用。更換電氣控制柜及主配壓閥（含主配壓閥）以上的機(jī)械液壓系統(tǒng)控制部分。原主配壓閥為差壓式結(jié)構(gòu)，輔助接力器活塞與主配活塞由支桿連接，引導(dǎo)閥在主配閥體以外，主配活塞向下移動時接力器關(guān)閉，該結(jié)構(gòu)型式的缺陷是拆裝、檢修及調(diào)節(jié)困難，配油控制時液體流動會產(chǎn)生一個正反饋的液動力而影響穩(wěn)定性。原調(diào)速器控制部分采用機(jī)械操作方式，對開度調(diào)節(jié)及頻率調(diào)節(jié)的靈敏度不夠，直接影響電站的發(fā)供電安全。將YDT-40型電液調(diào)速器改造成YWT-40型微機(jī)調(diào)速器，新使用的調(diào)節(jié)器采用電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，并用交流伺服數(shù)字式電機(jī)替代傳統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器，機(jī)械液壓系統(tǒng)采用輔助接力器-配壓閥控制主接力器構(gòu)成的隨動系統(tǒng)，并保留機(jī)械反饋，以解決長期以來電站調(diào)速器反映時間慢且不穩(wěn)定等問題。

1.4 勵磁系統(tǒng)改造

原勵磁系統(tǒng)是TKL-11型可控硅勵磁裝置，運(yùn)行近30年，調(diào)節(jié)器的電子元件老化，在自動運(yùn)行工況下勵磁電流會自動減小，移相觸發(fā)信號調(diào)整困難、不準(zhǔn)確，導(dǎo)致可控硅時有失控，引起機(jī)組過壓，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

技改方法：將TKL-11型可控硅勵磁裝置的調(diào)節(jié)器更換為GEX-2000型微機(jī)調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器為數(shù)字式，功能軟件化，線性集成電路（PID和數(shù)字電路結(jié)合），獨(dú)立的外部總線結(jié)構(gòu)，其梯形編程語言功能強(qiáng)大、使用范圍廣、集成度高。采用該調(diào)節(jié)器可以解決原調(diào)節(jié)性能不穩(wěn)定、自動和手動的調(diào)節(jié)靈敏度下降、自動況下勵磁電流自動減少、自動調(diào)節(jié)性能差、移相觸發(fā)信號調(diào)整不準(zhǔn)確而導(dǎo)致調(diào)節(jié)失控和引起機(jī)組過電壓等問題。同時對電站的勵磁裝置進(jìn)行微機(jī)化改造，進(jìn)一步提高電站的管理水平和自動化水平。

2 技改效果

2.1 運(yùn)行效果

電站三臺機(jī)組的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)已全面完成了增效擴(kuò)容改造工作，經(jīng)過長時間的運(yùn)行，情況良好。三臺機(jī)組改造前后的現(xiàn)場性能檢測數(shù)據(jù)見表2。從表中數(shù)據(jù)可知在相同條件下水輪機(jī)效率提高約13%，機(jī)組段效率提高約15%，耗水率降低約1.5m3/kW·h。

2.1.1 水輪機(jī)運(yùn)行情況

最早改造的3號機(jī)組于2006年底進(jìn)行，2007年3月6日投入運(yùn)行，至2012年5月底共運(yùn)行20342h。2009年底進(jìn)行轉(zhuǎn)輪空蝕破壞檢查時未發(fā)現(xiàn)空蝕破壞現(xiàn)象，2011年底檢查時僅發(fā)現(xiàn)有少數(shù)葉片出水邊背面局部小面積產(chǎn)生變色，但手摸未有粗糙感，1、2號機(jī)未見空蝕破壞現(xiàn)象。因此，改造后機(jī)組的大修周期可延長至6～8年。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的漏水量較改造前大幅減少。停機(jī)制動時間由改造前的90s縮短到40s，制動器復(fù)歸后也從未發(fā)生過自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，提高了機(jī)組安全運(yùn)行水平。

2.1.2 發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況

在基本相同的運(yùn)行條件下，改造前后發(fā)電機(jī)各部件運(yùn)行溫度見表3。通過表3發(fā)電機(jī)運(yùn)行溫度比較可知，改造后所有溫度值均有所下降，尤其是轉(zhuǎn)子和推力瓦溫度下降最明顯，下降幅度達(dá)15℃左右，同時3臺機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行功率因數(shù)均略低于0.8。機(jī)組技術(shù)改造既解決了轉(zhuǎn)子、熱風(fēng)、推力瓦溫度偏高的問題，也解決了欠發(fā)無功扣有功造成經(jīng)濟(jì)損失的問題。

2.1.3 調(diào)速器運(yùn)行情況

調(diào)速器經(jīng)技術(shù)改造后安全性和穩(wěn)定性都得到了提高。改造前并網(wǎng)時頻率調(diào)整困難，主接力器串動、正常運(yùn)行時誤關(guān)（開）導(dǎo)葉現(xiàn)象時有發(fā)生，雷雨天氣甩負(fù)荷時經(jīng)常出現(xiàn)過速停機(jī)。改造后并網(wǎng)時微機(jī)自動調(diào)整頻率，加快了并網(wǎng)速度，運(yùn)行至今未發(fā)生過異常，額定負(fù)荷甩負(fù)荷時頻率上升到62Hz，轉(zhuǎn)速上升率為24%，遠(yuǎn)未達(dá)到過速保護(hù)動作值，為機(jī)組安全運(yùn)行打下了良好的基礎(chǔ)。

2.1.4 勵磁系統(tǒng)運(yùn)行情況

勵磁系統(tǒng)經(jīng)技術(shù)改造后，靈敏度、調(diào)節(jié)性能和外圍不正常因素影響時的穩(wěn)定性明顯提高。壩后水電站是廣東八大暴雨中心之一，雷雨天氣較多，改造前機(jī)組經(jīng)常因甩負(fù)荷造成過電壓保護(hù)動作而停機(jī)，改造后未出現(xiàn)過因甩負(fù)荷造成過電壓保護(hù)動作停機(jī)，額定負(fù)荷甩負(fù)荷時電壓僅上升到6.9～7.0kV(額定電壓6.3kV)，電壓上升率僅為11%，遠(yuǎn)小于過電壓保護(hù)動作值，大大加強(qiáng)了機(jī)組運(yùn)行的安全性。

表2 機(jī)組改造前后的性能檢測結(jié)果比較

表3 發(fā)電機(jī)改造前后的運(yùn)行溫度比較（℃）

2.2 經(jīng)濟(jì)效益

機(jī)組改造后運(yùn)行至2012年5月30日，1＃機(jī)共運(yùn)行8738h，2＃機(jī)運(yùn)行3529h，3＃機(jī)運(yùn)行21431h，三臺機(jī)組總發(fā)電總量為21213萬kW·h，耗水率下降值按1.5m3/k W·h計算，節(jié)約水量3.18億m3，可增加發(fā)電量3535萬kW·h，直接增加經(jīng)濟(jì)收入1513.9萬元。除改造總投資739.93萬元，已實(shí)現(xiàn)利潤773.97萬元。 機(jī)組改造后每年可增加經(jīng)濟(jì)收入達(dá)449.2萬元，增幅為19.1%，機(jī)組增效擴(kuò)容改造的效果顯著。

3 結(jié)語

錦江水庫壩后水電站經(jīng)增效擴(kuò)容改造后，機(jī)組效率得到明顯提高，空蝕破壞得到明顯改善，大修周期延長，解決了欠發(fā)無功、局部溫升偏高的問題，其它技術(shù)參數(shù)也都得到了改善。但壩后水電站的繼電保護(hù)、自動化部分和輔助設(shè)備尚未進(jìn)行改造，現(xiàn)已積極籌備，爭取在近幾年實(shí)施改造。壩后水電站此次改造是一次非常成功的技改工程，對小型水電站增效擴(kuò)容改造工作具有一定的參考價值。

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