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）

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

關健詞：水電站；水輪機；發(fā)電機；增容改造

1　工程概況

金溪電站投產于1987年7月，該電站系金溪流域第三級徑流式開發(fā)電站 ，電站流域跨越兩縣轄區(qū)。電站裝機容量2×2 500 kW，水輪機型號為HL126—WJ—71，發(fā)電機型號為 SFW—K—2500—6/1430，工作水頭132 m，額定流量2.48 m3/s，額定轉速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，水庫總容量35萬m3，屬徑流式開發(fā)水電站，水庫基本不具備調節(jié)能力，設備的年利用小時在3 500 h左右；而現(xiàn)在規(guī)劃新建水電站設備的年利用小時都在5 000 h以上。近年由于上游一級電站興建中型龍頭調節(jié)水庫并增加裝機容量，上游電站機組一開機，金溪電站大壩就出現(xiàn)大量水溢流過壩，每年4 ～9月份累計棄水時間超過1 500 h。由于HL126型水輪機的過流能力小，機組超發(fā)能力受到限制。

2.2水輪機存在的問題

因水輪機經過25 a的長期運行，葉片磨損嚴重、表面粗糙，轉輪受到嚴重氣蝕損壞，雖經多次補焊，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，進而也限制了工況點的單位流量，即使導葉開度開至最大，發(fā)電機也只勉強帶滿2 500 kW負荷。

轉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，導葉開度超過90%以上運行時會時常發(fā)生推力軸承反向顫振，甚至發(fā)生過負推力瓦面被燒毀的事故。轉輪上冠錐度與主軸嚙合接觸面不足40%，轉輪下環(huán)出水道有60mm長的非工作段會增加水力摩擦損失。尾水錐管進水口周圍有一個高出過流面10mm、長度達30mm的凸臺，影響尾水的過流能力和效率回收。

HL126—型水輪機系捷克20世紀50年代初的科研成果，捷克的型號為F13，其技術經濟指標低，模型最優(yōu)效率僅為86%，較我國現(xiàn)有水輪機模型最優(yōu)效率低6～8個百分點，早屬淘汰產品。據估算，因轉輪效率低下這一項原因，每年就給金溪電站造成140萬kW·h的電能損失。

2.3發(fā)電機存在老化現(xiàn)象

發(fā)電機絕緣出現(xiàn)老化，絕緣層性能較差且容易受潮，機組停機超過24 h發(fā)電機線圈的絕緣電阻就接近于機組升壓所規(guī)定絕緣值的最低臨界點 ，而且絕緣層大部分出現(xiàn)裂紋以及槽契綁扎松動等現(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到相關規(guī)定的最低耐壓標準。

3　增容改造方案的技術設計

電站引水系統(tǒng)不變，機組單機容量由原來的2 500 kW增容至3 200 kW，轉輪的改造、選型、設計及加工技術工藝方面，選擇由中國水利水電科學研究院機電所承擔。

機組輔助設備和油、水、氣管路不改造。調速器可繼續(xù)使用WYT—1000型，因為水輪機的工作水頭、導葉高度、轉輪直徑不改造，調速功仍有10%～15%的余量。

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

水輪機的蝸殼、導水機構、尾水管繼續(xù)保留使用，只選擇高效率、空載特性優(yōu)良、運行穩(wěn)定性好的新型轉輪進行更換。

3.1首先校核水輪機主軸的剛度

在2臺2 500 kW增容至3 200 kW的方案討論時，考慮過發(fā)電機容量增加對主軸所承載的機械剛度有一定的要求，經現(xiàn)場校核計算結果如下：

（1）機組的臨界飛翼轉速1 630 r/min（檢測時）。

（2）飛輪處的撓度0.064mm。

（3）發(fā)電機中心撓度0.032mm。

檢測結論：機組主軸機械剛度滿足增容要求。3.2 新轉輪葉片型線及水力計算分析

由于轉輪直徑都不改變 ，水輪機出力確定后，水輪機的運行區(qū)域就基本確定，最優(yōu)單位轉速和最優(yōu)單位流量的選擇要根據電站的加權因子分布進行合理的調整，以保證電站有較高的加權平均效率，能獲得較大的經濟效益。

由于電站水輪機發(fā)電機組增容幅度大 ，要保證水輪機具備有較大的超發(fā)能力，新轉輪的葉片型線設計和選型就成為最關鍵的主題內容，經過多方面的實地考查與驗證，最終選擇中國水利水電科學院機電所研發(fā)的HLJF501型轉輪。選擇HLJF501型轉輪是因為水科院擁有國際先進的高精度水輪機模型試驗臺，具備有計算機水力設計、流場計算、水輪機性能預估等優(yōu)化設計軟件系統(tǒng)，其中HLJF1501型水輪機的模型經測試最優(yōu)效率預估可達93.5%，對水輪機空化和穩(wěn)定性要求比較高，能滿足金溪電站增容改造的技術要求。轉輪設計采用以下水力優(yōu)化方案：

（1）選擇合理的設計參數(shù)。

（2）葉片設計時調整型線，提高轉輪效率。

（3）調整轉輪葉片進口形狀以適應原有導葉的出口流態(tài)。

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

極數(shù)不變，定子、轉子線圈更換，改造后發(fā)電機額定功率因數(shù)為0.85，在發(fā)電機出口增設高壓電容無功補償智能柜，達到電網供電要求。

定子線圈絕緣采用5438—1特級混云母材料，提高絕緣能力，降低絕緣厚度，以便于增加定子線圈的線徑，達到發(fā)電機增容的目的。更換定子線圈的輔料及配件 （含槽楔、半導體墊層、引出線、絕緣制品及測溫元件）。發(fā)電機定子配置的電阻溫度計為鉑100，定子槽內設9個測點 （3個鐵芯，6個線圈）。

改造通風系統(tǒng)加大通風量，將原來繞簧式的發(fā)電機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，為實現(xiàn)在機組增容至3 200 kW時能有效地降低發(fā)電機溫度，以保證增容后發(fā)電機溫升不致于過高。

發(fā)電機增容后性能與參數(shù)都將改變，因此必須提供技術參數(shù)供水電站進行短路、繼電保護計算及整定各種保護定值，如勵磁電流、電壓、發(fā)電機效率、定子線負荷、定轉子氣隙磁密度、允許溫升、短路比、定子漏抗等。

4　改造的技術措施

4.1水輪機改造方法

涉及技改增容的按 “水輪機發(fā)電機基本技術條件 （GB 7894—87）”執(zhí)行，機組改造安裝的技術要求按 “水輪發(fā)電機組安裝規(guī)范 （GB 8564—87）”執(zhí)行，機組改造部份試驗方法按 “三相同步電機試驗方法 （GB 1029—80）”相關規(guī)定執(zhí)行。

在改造轉輪的結構設計和加工過程中為解決改造前機組推力軸承反向顫動的問題，在新轉輪上采用的辦法是加大改造轉輪下環(huán)出水側的迷宮間隙0.5mm，以此降低反推力。同時，采取減小轉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)電機定子改造方法

原發(fā)電機定子線圈線苞每根為5.0mm× 2.0mm，2根線圈并繞10匝，3個支路電流密度 J1 =4.95 A/mm2，主絕緣B級云母帶絕緣層較厚。改造時發(fā)電機主要尺寸不變 ，額定電壓、轉速保持原值。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，以滿足改造時加大新繞組線徑的需要。

由于受發(fā)電機定子槽尺寸裕度限制 ，對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線截面積增大，所以對新線圈要進一步減薄絕緣層厚度，采用了高耐壓高絕緣性能、介質損耗低的5438—1特級混云母絕緣的新型絕緣材料，絕緣等級從B級提高到F級，絕緣減薄后盡量騰出槽內空間尺寸裕度；二是考慮到增容后定子線圈端部承受的電磁力會增大 ，會使線圈發(fā)生扭曲、變形、破壓和發(fā)生匝間短路 ，甚至造成整臺發(fā)電機的重大事故，因此定子線圈加工及浸漆烘焙工藝將作為關鍵技術措施之一。

在浸漆工藝上采用了特有的強迫流動浸漆烘焙工藝，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)熱風打入電機進行循環(huán)加熱，使之能達到整個電機線圈受熱均勻、固化程度高的工藝要求，進而也會提高絕緣熱傳導系數(shù)，增加線圈的散熱能力。

清潔定子鐵芯及機座 ，鐵芯槽部噴130號半導體漆。對梆線及保護帶噴1032絕緣漆，定子線圈端部及鐵芯內圓噴1321號灰磁漆。打完槽楔后工頻耐壓15.75 kV，發(fā)電機總裝后對定子線圈烘干固化，進行13.6 kV工頻耐壓試驗及定子繞組匝間絕緣介電強度試驗 （1.3 Un，5 min）。

4.3發(fā)電機轉子改造方法

轉子進行磁極線圈更換，全部更換磁極線圈，一般來說發(fā)電機容量增加20%～25%時，其空載勵磁功率并沒有增加，只是由于定子電流增加后才引起的部分勵磁功率，只要將勵磁功率提高10%左右就可以滿足發(fā)電機在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級絕緣。磁極線圈的上、下端采用F級的整體絕緣托板與線圈和極身絕緣熱壓成一個堅固的整體 ，使磁極的機械性能和電氣性能極大提高。轉子相應的配件更換，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)電機技術參數(shù)

5　改造后試驗情況及運行狀況

5.1依據水輪機模型試驗情況

增容所選擇的模型經試驗結果，與改造前后水輪機轉輪的水力性能相比較具有以下特點：

（1）水輪機轉輪綜合水力參數(shù)得到很大的提高。

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

（3）水輪機具有較大的出力裕度，在設計凈水頭以內發(fā)電時水輪機具有較好的水力穩(wěn)定性。

（4）水輪機模型試驗結果表明，該轉輪各項性能指標都可以滿足金溪電站增容改造的技術要求。

圖1　水輪機技術改造前后機組出力與效率曲線

5.2水輪機改造后運行狀況

經現(xiàn)場測試結果表明 ，改造后的機組出力均有大幅度的增加，而且運行平穩(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 ，導葉開度87%時的出力就達到3 000 kW，導葉開度90%時出力已達3 150 kW，導葉開度96%時發(fā)電機出力超過3 200 kW，且仍處在上升空間。導葉開度從空載開至100%的滿載運行測試過程中，沒有發(fā)現(xiàn)機組推力軸承反向顫動的問題，甩負荷試驗和72 h的運行過程中推力瓦溫度穩(wěn)定保持在55℃。

5.3發(fā)電機改造后運行狀況

改造后發(fā)電機定子絕緣性能良好，檢測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。滿負荷運行過程中定子溫度平均值保持在75℃ （見表2）。改造后發(fā)電機經過了3 a的運行考驗，定子線圈溫升并沒有變化，和改造前相比較基本保持不變。

轉子溫升采用電阻溫度曲線法測量，按已設計的轉子繞組溫升曲線圖 （見圖2、表3），測量電壓時采用帶絕緣柄的銅刷直接從轉子滑環(huán)上測量 ，以消除電刷壓降影響。測量電流時毫伏表盡量靠近分流器，防止引線過長會增大電阻值帶來誤差。測量電壓、電流后計算成電阻值，查表獲得轉子繞組溫升，其溫升也不高，能滿足機組運行要求。

表3　發(fā)電機滿負載時在5 h內測得轉子電壓、電流值計算繞組阻值并查曲線得到的溫升

圖2　轉子電阻溫度曲線 （設計值R15=0.123 3）

6　結 語

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

投入商業(yè)運行后，在系統(tǒng)中發(fā)揮了良好的調控作用，產生了較大的社會效益。水輪機運行平穩(wěn)性較好，新轉輪效率提高6.0%～13.5%，機組實測的最大出力由原來的2 500 kW增加到3 200 kW，各項性能指標勻達到增容改造的要求。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)電量超出原設計發(fā)電量429萬kW·h，每度電售價0.335元，年增加發(fā)電效益達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。

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

［4］ 趙永智，稅 彪.銅街子水電站12號機增容改造水輪機水力開發(fā)［J］.水電站機電技術，2015（4）：5_6.

責任編輯 吳 昊

2016-04-11

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

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