蕎麥山水電站1號機組技術(shù)改造分析與實踐

(陜西省地方電力水電有限公司，西安 710054)

1 電站概況

蕎麥山水電站位于陜西省洋縣槐樹關(guān)鎮(zhèn)洛川村境內(nèi)，2000年正式投運。電站采用攔河壩蓄水，經(jīng)明渠引水至壓力前池,設(shè)置3臺混流臥式機組,總裝機3000kW，發(fā)電機出口電壓6300V，經(jīng)升壓站升至35kV，接入系統(tǒng)電網(wǎng)。設(shè)計水頭42m，設(shè)計流量2.87m3/s。水輪機型號為HLJF3003A-WJ-71A,功率為1065kW,轉(zhuǎn)速750r/min；發(fā)電機型號為SFW1000-8/1180,額定功率1000kW,額定電壓6300V,額定電流114.5A,額定頻率50Hz,飛逸轉(zhuǎn)速1350r/min；調(diào)速器為YWT-1000型微機液壓調(diào)速器，額定工作油壓2.5MPa；勵磁裝置的額定勵磁電壓52.5V,額定勵磁電流208.8A，采用可控硅三相半控橋整流，調(diào)節(jié)器為模擬電子電路調(diào)節(jié)器。

2 運行中存在問題及原因分析

投運至今，機組運行效率逐年下降，設(shè)備故障和安全事故隱患不斷增大，突出表現(xiàn)在以下幾個方面：

a.水輪機性能落后。水輪機技術(shù)陳舊，限制了水輪機性能，轉(zhuǎn)輪的單位流量、轉(zhuǎn)速以及模型效率等相關(guān)性能參數(shù)低，運行穩(wěn)定性較差。

b.水輪機性能參數(shù)與運行參數(shù)有出入。水輪機性能參數(shù)與運行參數(shù)有出入，導(dǎo)致不能在最優(yōu)工況區(qū)運行，降低了機組運行效率，縮短了使用壽命。

c.水輪機與電氣設(shè)備不匹配。水輪機與電氣設(shè)備不匹配，直接導(dǎo)致浪費水電站的設(shè)備容量，增大水電站的運行損耗。

d.發(fā)電機絕緣老化嚴(yán)重。早年制造時采用B級絕緣，目前運行溫度較高，很難保證發(fā)電機正常運行，隨時可能發(fā)生定子線圈、轉(zhuǎn)子等部位因絕緣老化，造成匝間短路、燒壞線圈、連帶鐵芯受損等情況。此外，機組的軸瓦溫度高，發(fā)電機滑環(huán)跳動量超限度運行，碳刷磨損嚴(yán)重，更換頻繁。

e.勵磁裝置故障逐漸增多。由于采用電子電路作為勵磁核心控制元件，元器件的長時間運行造成勵磁系統(tǒng)不穩(wěn)定，無功功率上下波動，主要原因是測量回路不準(zhǔn)，造成輸出控制波動，整流橋為三相半控橋，散熱器可利用，不能逆變滅磁；調(diào)節(jié)器為單片機模擬調(diào)節(jié)器，備品備件購買困難，運行不穩(wěn)定。

3 改造方案

此次改造以先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性為原則，兼顧實際，為積累經(jīng)驗，僅對1號機組進(jìn)行增容，改造后裝機容量為3×1250kW，額定電壓為6300V，額定電流為143.2A，額定頻率為50Hz，額定勵磁電流為238.8A，額定勵磁電壓為63.6V。

3.1 改造目標(biāo)

a.更換水輪機轉(zhuǎn)輪，選用適合運行要求的新型轉(zhuǎn)輪，提高水輪機的出力和運行效率。

b.擴大發(fā)電機容量，功率由原來的1000kW提高至1250kW。

c.更換勵磁裝置晶閘管，將三相半控橋改為三相全控橋，具備逆變滅磁功能；更換調(diào)節(jié)器，將單片機模擬調(diào)節(jié)器更換為可編程計算機控制器，更換外圍配套測量、脈沖放大裝置。

d.保留其他運行正常設(shè)備。

3.2 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

改造依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為：

GB/T 15468—95《水輪機基本技術(shù)條件》；

GB/T 10969—1996《水輪機通流部件技術(shù)條件》；

GB/T 7894—2001《水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件》；

GB 8564—1988《水輪發(fā)電組安裝技術(shù)規(guī)范》；

GB/T 11805—1999《水輪發(fā)電機組自動化元件及其系統(tǒng)基本技術(shù)條件》；

DL 443—1991《水輪發(fā)電機組設(shè)備出廠檢驗一般規(guī)定》；

SDJ 173—85《水力發(fā)電廠機電設(shè)計技術(shù)規(guī)范(試行)》；

GB/T 7409.3—97《大中型同步發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)基本技術(shù)條件》；

DL/T 583—95《大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》。

3.3 技術(shù)改造方案

3.3.1 水輪機部分

a.水輪機設(shè)備陳舊、性能落后的情況。

技術(shù)改造選用的新型水輪機轉(zhuǎn)輪應(yīng)與水頭段導(dǎo)水葉相對高度一樣(或近似)。通過改型重新設(shè)計轉(zhuǎn)輪，滿足水電站的增容、增加年發(fā)電量的技術(shù)改造要求。此外，根據(jù)技術(shù)改造要求核算相應(yīng)的輔助設(shè)備，對于不合理的輔助設(shè)備及時予以更換。

水輪機轉(zhuǎn)輪技術(shù)數(shù)據(jù)：

型號 HLX125-WJ-71

轉(zhuǎn)輪直徑 0.68m

設(shè)計水頭 43m

水輪機額定出力 1249kW

水輪機實際出力 1180kW

額定轉(zhuǎn)速 750r/min

額定流量 3.5m3/s

旋轉(zhuǎn)方向 從發(fā)電機端向水輪機端為順時針

效率：在額定水頭43m、發(fā)額定功率1180kW時，保證原型水輪機的效率不低于93.1%,相應(yīng)工況點的模型效率不低于92.6%；在全部運行范圍內(nèi)，原型水輪機的最高效率保證值不低于94.6%，相應(yīng)工況點的模型效率不低于94.1%。

b.水頭、流量與原設(shè)計不符的情況。

水頭、流量與原設(shè)計不符應(yīng)分以下兩種情況：?水頭、流量超過原設(shè)計，此時水電站技術(shù)改造可采用增容改造方式；?水頭、流量小于水電站原設(shè)計，此時的水電站技術(shù)改造宜采取減容改造方式。這兩種方式的技術(shù)改造都應(yīng)充分考慮水電站的實際運行水頭和流量，區(qū)別是前者需要根據(jù)實際情況合理提高水輪機的額定水頭，加大額定輸出功率；后者則需要根據(jù)實際情況適當(dāng)降低水輪機的額定水頭，減小額定輸出功率。

此次改造中，通過合理提高水輪機的額定水頭、加大額定輸出功率、選用合適的新型轉(zhuǎn)輪，將水輪機調(diào)整到最優(yōu)或較優(yōu)工況區(qū)運行。

3.3.2 發(fā)電機部分

a.通過改造，發(fā)電機在額定工況下出力增加20%～25%，其定子和轉(zhuǎn)子溫度控制在F級絕緣允許的極限溫度內(nèi)，各項電氣安全性指標(biāo)達(dá)到新機的要求。

b.更換定子線圈和改造轉(zhuǎn)子線圈，定子和轉(zhuǎn)子線圈采用F級絕緣。

c.發(fā)電機增容改造的關(guān)鍵是改變定子、轉(zhuǎn)子繞組的線規(guī)。要使發(fā)電機達(dá)到增容的目的，對原繞組必須進(jìn)行改變，必須增大定子繞組線規(guī)，以降低定子繞組電阻，使定子繞組電阻發(fā)熱總量不高于原繞組，以此來達(dá)到電機增容的目的。由于發(fā)電機定子鐵芯槽尺寸裕度限制，對增容所需增大線規(guī)存在一定局限性。對此，在改造過程中，采用以下技術(shù)措施：?改變絕緣浸漆工藝，將絕緣等級提高為F級，采用耐壓高介質(zhì)損耗低的F級絕緣材料，減薄了絕緣層厚度，保證槽滿率；?采用特有烘漆工藝填充線圈間和線圈與鐵芯槽的空隙，增加線圈的散熱能力減少絕緣溫降。

d.轉(zhuǎn)子改造。由于當(dāng)發(fā)電機容量增加20%～25%時，其空載勵磁功率并沒有增加，勵磁只需增加由于定子電流增加引起的電樞反應(yīng)去磁作用增加的部分勵磁功率即可，一般只需增加20%左右的勵磁功率，轉(zhuǎn)子線圈常采用重新制造的方案，轉(zhuǎn)子線圈重新熱壓，并將其絕緣等級提高為F級，提高絕緣等級措施后，轉(zhuǎn)子繞阻一般可擴容20%～25%，若原機組轉(zhuǎn)子溫升高或必須擴容，可采用更換線圈并增加匝數(shù)和銅排寬度的方法解決。增加匝數(shù)要根據(jù)磁極線圈的空間來定。

e.技術(shù)參數(shù)和烘漆工藝。發(fā)電機增容后，一些性能參數(shù)將隨著改變，因此必須通過電磁計算提供技術(shù)參數(shù)供發(fā)電站進(jìn)行短路計算、繼電保護(hù)計算及調(diào)整各種保護(hù)整定值。如：勵磁電流、電壓、發(fā)電機效率、定子線負(fù)荷、熱負(fù)荷、定轉(zhuǎn)子氣隙磁密度、允許溫升、短路比、定子漏抗、 縱軸、橫軸同步電抗和瞬變、超瞬變同步電抗和負(fù)零序電抗等。

發(fā)電機增容改造中浸漆烘焙工藝也是發(fā)電機增容的關(guān)鍵技術(shù)措施之一。發(fā)電機在運行過程中，定子線圈端部要承受很大的電磁力，如果浸漆不透，烘焙不干，定子線圈端部要受到很大的電磁力，會發(fā)生扭曲變形，造成匝間短路、破壓甚至整臺發(fā)電機報廢的重大事故。在浸漆工藝上采用了強迫流動浸漆工藝，使浸漆透徹，在烘焙上采用循環(huán)熱風(fēng)打入電機進(jìn)行循環(huán)加熱，達(dá)到整個電機線圈受熱均勻、固化程度高的工藝要求，保證烘漆質(zhì)量。

發(fā)電機技術(shù)數(shù)據(jù)：

發(fā)電機型號 SFW1250-8/1180

額定容量 1250kW

額定電壓 6300V

額定電流 143.2A

額定頻率 50Hz

額定轉(zhuǎn)速 750r/min

額定勵磁電流 242.5A

額定勵磁電壓 68.5V

3.3.3 勵磁部分

由于改造中勵磁電壓及勵磁電流變化不大，經(jīng)計算，勵磁主功率回路部分保留，原散熱器SF15風(fēng)冷型散熱器滿足設(shè)備運行需求，對晶閘管進(jìn)行更換(由原來的KP500A/1600V的晶閘管更換為KP800A/1600V)，滅磁開關(guān)及滅磁電阻保留，吸收保護(hù)裝置保留，將原單片機模擬調(diào)節(jié)器更換為更為可靠的可編程計算機控制器，相應(yīng)更換外圍配套測量、脈沖放大裝置，與外部保護(hù)監(jiān)控接口回路進(jìn)行改動接線。

改造方案如下：

a.接線。按照勵磁裝置設(shè)計圖紙進(jìn)行接線，并引入原勵磁裝置沒有的斷路器信號。

b.檢查測量。在接線完成后對設(shè)備回路進(jìn)行檢查，所有的對內(nèi)對外接線均滿足設(shè)計圖紙要求。然后對設(shè)備供電，檢測每個模塊的供電電源是否可靠有效，都正常后斷電，對各個模塊的插接件進(jìn)行連接，對PT信號進(jìn)行測量，用示波器檢測同步信號，若不相符，調(diào)整正確。

c.起勵建壓及滅磁試驗。用實驗手動方式，對機組進(jìn)行建壓，從10%額定電壓開始，逐步提高，檢查其他各設(shè)備的運行狀況。進(jìn)行逆變滅磁，查看滅磁過程中的設(shè)備運行狀況，用滅磁開關(guān)進(jìn)行滅磁，查看各個設(shè)備的運行狀況，保護(hù)監(jiān)控動作試驗，從監(jiān)控保護(hù)側(cè)動作勵磁裝置，檢查勵磁裝置的動作是否滿足設(shè)計要求，并檢查各個設(shè)備的運行狀況。

d.試運行。以上各個動作都正確后，對設(shè)備進(jìn)行試運行試驗，在運行過程中檢查各個設(shè)備的運行狀態(tài)。

3.4 質(zhì)量管控

3.4.1 改造方案的原則

基于最小改動最大效益的目標(biāo)，經(jīng)過收集采購、生產(chǎn)、運行各方面的資料，最終確定改造方案。

3.4.2 供應(yīng)商選擇

質(zhì)量管控點不僅在設(shè)備本身，還要重視現(xiàn)場服務(wù)工作。因此，供應(yīng)商選擇的目標(biāo)確定為有小水電改造經(jīng)驗業(yè)績的中小公司。其中，水輪機轉(zhuǎn)輪和發(fā)電機廠家必須有獨立的加工設(shè)備，能夠自主研發(fā)，能根據(jù)現(xiàn)場實際運行參數(shù)及運行狀況設(shè)計出滿足實際運行要求的新型設(shè)備，具有新型設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計經(jīng)驗，具有其他水電站增容改造的相關(guān)業(yè)績，核心技術(shù)自主研發(fā)完成。勵磁裝置的核心器件的選擇可編程計算機控制器(PCC)為硬件主體。

3.4.3 改造中的質(zhì)量管控

在每一步改造過程中，都要盡可能地對節(jié)點進(jìn)行管理控制，以確保整個項目的質(zhì)量能夠滿足設(shè)計要求。

a.轉(zhuǎn)輪與型號不符。由于轉(zhuǎn)輪與設(shè)備銘牌標(biāo)注不同，因此將轉(zhuǎn)輪發(fā)回設(shè)備制造廠家重新進(jìn)行尺寸測量，通過對實測尺寸與現(xiàn)場實際運行參數(shù)的分析，確定設(shè)計圖紙。

b.大軸與飛輪的連接。由于更換發(fā)電機，需要將原來的飛輪安裝在新的發(fā)電機大軸上，控制措施為利用噴燈對大軸安裝位置進(jìn)行加熱，現(xiàn)場采用熱脹冷縮原理對設(shè)備進(jìn)行連接，以確保設(shè)備安裝牢固、運行穩(wěn)定。

c.發(fā)電機的相序確認(rèn)。為確保設(shè)備并網(wǎng)的安全性，必須對新更換的發(fā)電機相序進(jìn)行確認(rèn)，使其相序與原發(fā)電機相序一致?？刂拼胧閷l(fā)電機運行至空載狀態(tài)，采用燈光轉(zhuǎn)向的方法測定發(fā)電機組的相序，以確保機組與電網(wǎng)的相序一致。

d.原勵磁裝置與圖紙不符。在改造前對勵磁裝置進(jìn)行正常的建壓、滅磁操作，多次反復(fù)投切，對勵磁裝置的主回路及信號回路進(jìn)行確認(rèn)。

e.勵磁裝置信號的增加。由于接口信號也不同，對原來外部沒有的接口信號需與廠家進(jìn)行溝通后增加。

f.操作方式的更改。運行人員參與改造過程，學(xué)習(xí)新系統(tǒng)的工作原理，在調(diào)試完成后再進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)，使運行人員能夠熟練地操作新設(shè)備，保證設(shè)備的正常運行。

4 結(jié) 語

2014年6月15日，洋縣蕎麥山水電站1號機組成功進(jìn)行了72h試運行，各項數(shù)據(jù)滿足并優(yōu)于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，機組負(fù)荷率和耗水量得到優(yōu)化，安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性顯著提高，目前正在監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)指標(biāo)，認(rèn)真總結(jié)改造經(jīng)驗，為后續(xù)兩臺機組的改造做好前期準(zhǔn)備工作。