金江三級(jí)電站1#水輪發(fā)電機(jī)組改造回顧

唐成軍

（臨武縣水利電力有限責(zé)任公司 郴州市 424300）

金江三級(jí)電站是臨武縣水利電力有限責(zé)任公司下轄的一個(gè)引水式電站，發(fā)電廠房位于臨武縣金江鎮(zhèn)打鼓村鶴頭山，電站裝機(jī)1 000+500 kW，其中1#機(jī)組裝機(jī)為1 000 kW，1#水輪機(jī)型號(hào)為HL110-WJ-60，發(fā)電機(jī)型號(hào)為T(mén)SW118/49-6，水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭98 m，額定流量 1.44 m3/s。

1#機(jī)組于1980年10月投產(chǎn)發(fā)電，至2012年，1#發(fā)電機(jī)組已運(yùn)行32年，由于高速水流和泥沙水流沖擊，機(jī)組空蝕磨蝕嚴(yán)重，加上設(shè)備老化，故障率高，機(jī)組出力逐年下降，年發(fā)電量逐年減少，急需進(jìn)行改造。

1 1#機(jī)組存在的問(wèn)題

（1）水輪機(jī)最初采用的是17片葉片的轉(zhuǎn)輪，由于磨損嚴(yán)重和經(jīng)常堵塞（葉片間間隙小，且水源處于農(nóng)村居民生活區(qū)，生活垃圾多，每到漲水，河水夾雜著泥沙和生活垃圾，造成導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪經(jīng)常堵塞，無(wú)法發(fā)電），針對(duì)此情況，2001年對(duì)1#水輪機(jī)進(jìn)行了技改，將轉(zhuǎn)輪的葉片改成了15片，并對(duì)前池的攔污柵也進(jìn)行了加密處理，改造后的轉(zhuǎn)輪由于葉片間的間距變大了，堵塞的情況有所改善，但是由于葉片數(shù)量減少了，每個(gè)葉片所承受的水流沖擊力則增大了，這也增大了葉片損壞的可能性。

2007～2012年，由于地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建材的漲價(jià)，河道內(nèi)非法采砂現(xiàn)象十分嚴(yán)重，使得河水中含有大量的泥沙，水輪機(jī)過(guò)流部件磨損更加嚴(yán)重，2010年由于對(duì)轉(zhuǎn)輪維護(hù)保養(yǎng)不善，轉(zhuǎn)輪葉片尾部被磨出40 mm×50 mm的缺口，如附圖。

附圖 轉(zhuǎn)輪葉片尾部磨損狀況

此后對(duì)葉片的修復(fù)只能是將葉片的尾部割掉一截，再補(bǔ)上1片薄鋼板。由于轉(zhuǎn)輪少了兩個(gè)葉片，每片葉片所承受的沖擊力比改造前要增大，再加上修補(bǔ)后材料的不一致性，修復(fù)的轉(zhuǎn)輪葉片特別容易破裂，最多運(yùn)行兩個(gè)多月，甚至是10多天，所補(bǔ)葉片便大部分破裂，且都是連續(xù)的，從附圖中可以看出破損葉片并不是磨損所致，而是承受不了水流的沖擊力而破裂的。2012年3月，重新修復(fù)后的轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行不到一個(gè)月時(shí)又出現(xiàn)了葉片大部分破損，水輪機(jī)振動(dòng)超過(guò)允許范圍，平時(shí)能發(fā)到（600～700）kW的水量甚至還發(fā)不到300 kW。

（2）水輪機(jī)過(guò)流部件磨損嚴(yán)重，耗水量大（有時(shí)在并網(wǎng)時(shí)要通過(guò)關(guān)主閥控制來(lái)水量才能將機(jī)端頻率調(diào)至與電網(wǎng)一致），出力下降（最初安裝時(shí)出力最高可達(dá)1 050 kW，而現(xiàn)在最高只能達(dá)到750 kW）。

（3）蝸殼銹蝕嚴(yán)重，局部已出現(xiàn)過(guò)穿孔的情況。

（4）發(fā)電機(jī)出風(fēng)通道與尾水通道連在一起，該布局在設(shè)計(jì)上有缺陷，在漲水時(shí)，河道中的水位升高，河水從發(fā)電機(jī)通風(fēng)口倒灌進(jìn)發(fā)電機(jī)機(jī)坑，數(shù)次造成發(fā)電機(jī)機(jī)坑中的電流互感器、電纜頭被水淹沒(méi)，只得將發(fā)電機(jī)尾端電流互感器用電纜引到地面單獨(dú)的電流互感器室內(nèi)，造成增大設(shè)備投資和占用地面空間。

（5）發(fā)電機(jī)機(jī)坑空間狹小，在安裝了兩個(gè)電纜頭（首、尾端）和相關(guān)瓷瓶后，幾乎沒(méi)有了檢修空間。

（6）受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制，發(fā)電機(jī)集電環(huán)布置在后軸承座與發(fā)電機(jī)之間，電刷被磨出的電刷粉被吸進(jìn)發(fā)電機(jī)內(nèi)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)絕緣。

（7）發(fā)電機(jī)絕緣等級(jí)低（為A/B級(jí)）且絕緣老化，定子線圈泄漏電流大，2012年2月出現(xiàn)過(guò)定子線圈短路擊穿的事故，轉(zhuǎn)子完全接地。

（8）機(jī)組和電氣設(shè)備已超過(guò)使用期限，嚴(yán)重老化，故障率高。

（9）機(jī)組檢修工作量逐年增大，發(fā)電量逐年減少。

（10）調(diào)速器和電動(dòng)閘閥調(diào)節(jié)失靈、漏水嚴(yán)重、運(yùn)行維護(hù)困難。

（11）勵(lì)磁系統(tǒng)老化嚴(yán)重，起勵(lì)困難、運(yùn)行不穩(wěn)定，電壓不穩(wěn)定。

2 改造方案

更換全新的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、主閥、調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)，改造后水輪機(jī)效率由不足80%提高到88%以上，水輪發(fā)電機(jī)組綜合效率由70%提高到85%以上。

2.1 水輪機(jī)

水輪機(jī)采用型號(hào)為HLA550-WJ-60的水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪采用高效轉(zhuǎn)輪，葉片數(shù)量為17片，轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為全不銹鋼材料，過(guò)流部件的材質(zhì)同樣采用耐磨不銹鋼材料，在額定水頭95 m，水輪機(jī)額定出力為1 060 kW，原型水輪機(jī)的效率不低于90.2%,相應(yīng)工況點(diǎn)的模型效率不低于92.5%。在全部運(yùn)行范圍內(nèi)，原型水輪機(jī)的最高效率保證值不低于90.7%，相應(yīng)工況點(diǎn)的模型效率不低于92.7%。在最大水頭至最小水頭范圍和45%～110%額定出力范圍內(nèi)，吸出高度滿(mǎn)足的條件下，機(jī)組能在額定轉(zhuǎn)速下安全穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組的振動(dòng)、噪音和汽蝕等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)不超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)為兩支點(diǎn)臥式水輪發(fā)電機(jī)，型號(hào)為SFW1000-6/1180，絕緣等級(jí)為F級(jí)。為防止發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)容易受潮，發(fā)電機(jī)采用了電加熱器除濕。發(fā)電機(jī)集電環(huán)安裝在飛輪外側(cè)，遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子線圈，避免了電刷粉被吸進(jìn)發(fā)電機(jī)本體。發(fā)電機(jī)冷卻方式為管道通風(fēng)冷卻。

定子鐵芯由導(dǎo)磁性能好、損耗小的優(yōu)質(zhì)冷軋無(wú)取向的硅鋼片交錯(cuò)地迭制而成，硅鋼片牌號(hào)為50 W310。為了減小渦流損耗，在扇形片的兩面均勻地涂以F級(jí)絕緣漆，該絕緣漆具有固化時(shí)間短、收縮率小、硬度高等優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)因運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)而導(dǎo)致鐵芯松動(dòng)。鐵芯兩端設(shè)有齒壓板和壓圈。

定子繞組為圈式疊繞組，采用F級(jí)絕緣。繞組具有良好的電氣和機(jī)械性能，股線采用雙玻璃絲包扁銅線，線圈主絕緣采用多層半迭包的F級(jí)云母帶結(jié)構(gòu)。線圈嵌入鐵芯后，用槽楔固定于槽中，繞組兩端綁牢在端箍上。繞組接成Y形，共有6根引出線，主引出線和中性點(diǎn)引出線各3根。在線圈兩端設(shè)有端箍，以固定繞組。定子槽內(nèi)還裝有測(cè)溫元件，用以監(jiān)視定子繞組和鐵芯的溫度。

轉(zhuǎn)子磁極由磁極鐵芯、磁極線圈及磁極托板組成。磁極鐵芯由優(yōu)質(zhì)薄鋼板沖制疊壓而成。疊壓后，兩端用磁極壓板通過(guò)拉緊螺桿將鐵芯固定成一整體。磁極線圈由扁銅帶自下而上逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)繞制而成，每匝間墊有多層0.16 mm厚的F級(jí)耐高溫環(huán)氧二苯醚上膠布作為匝間絕緣；整個(gè)線圈在夾具內(nèi)加溫加壓，直至銅帶與絕緣固化成一整體。磁極極身絕緣采用環(huán)氧酚醛玻璃上膠坯布在磁極極身上燙包的結(jié)構(gòu)，具有承受過(guò)電壓的能力。磁極線圈上、下端裝有耐高溫的環(huán)氧酚醛玻璃布板加工而成的絕緣托板。

發(fā)電機(jī)主軸用經(jīng)過(guò)適當(dāng)熱處理的45鋼整鍛制成，推力盤(pán)與主軸整段制成。風(fēng)扇采用弧板式風(fēng)扇，裝在磁軛的兩端。發(fā)電機(jī)前端選用徑向推力軸承,后端為徑向軸承。推力瓦為彈性塑料瓦，徑向軸承軸瓦與軸承座采用球面配合方式支撐，裝拆維修極其方便。

兩軸承潤(rùn)滑冷卻方式均采用內(nèi)循環(huán)，即冷油器裝設(shè)于軸承里邊，冷油由葉輪帶到軸瓦工作面并形成楔形油膜,潤(rùn)滑后的熱油又從瓦體兩端流進(jìn)油槽里，熱油按規(guī)定路徑流回設(shè)在軸承油槽里的油冷卻器進(jìn)行冷卻。

在運(yùn)行中，軸承的結(jié)構(gòu)能?chē)?yán)防油氣逸出。在正常運(yùn)行溫度下，如果軸承冷卻水中斷，可允許帶負(fù)荷無(wú)損運(yùn)行5 min。

推力軸瓦和徑向軸瓦均裝設(shè)有鉑熱電阻，用于隨時(shí)監(jiān)控軸瓦溫度。為防止軸電流燒毀軸瓦，后軸承座對(duì)底板裝有絕緣墊片，其冷態(tài)絕緣電阻不低于1MΩ。

2.3 調(diào)速器

調(diào)速器型號(hào)為YWT-PLC-600，YWT系列數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器是新型水輪機(jī)調(diào)速器，它采用了可編程技術(shù)、現(xiàn)代液壓技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)最新成果。

該調(diào)速器不僅技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，功能齊全，而且較常規(guī)油壓的水輪機(jī)調(diào)速器結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔，機(jī)械液壓部分由標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)液壓件組成，運(yùn)行可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單。由于這種采用標(biāo)準(zhǔn)液壓件構(gòu)成的調(diào)速器技術(shù)已經(jīng)成熟，正在取代常規(guī)油壓的中小型水輪機(jī)調(diào)速器。

該調(diào)速器特點(diǎn)如下：

（1）該調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，技術(shù)性能指標(biāo)優(yōu)良，便于維護(hù)修理；機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)液壓元件組成，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單。

（2）采用了高性能的可編程控制器作為調(diào)節(jié)器的硬件，無(wú)故障時(shí)間MTBF>=18 000 h。

（3）采用兩色觸摸屏作為調(diào)速器與運(yùn)行人員的人機(jī)接口，具有顯示信息量大、清晰、準(zhǔn)確、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

（4）調(diào)速器具有多種運(yùn)行模式，如頻率調(diào)節(jié)、開(kāi)度調(diào)節(jié)等，能適應(yīng)不同工況的要求。

（5）設(shè)有電氣開(kāi)度限制，操作靈活，運(yùn)行可靠。且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)－手動(dòng)的無(wú)條件無(wú)擾動(dòng)轉(zhuǎn)換。

（6）具有與上位機(jī)的通訊接口，便于實(shí)現(xiàn)電站計(jì)算機(jī)控制。

2.4 勵(lì)磁系統(tǒng)

采用CMER-E微機(jī)形式的三相全控橋的自并激可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)。

主要技術(shù)參數(shù)及性能：

（1）勵(lì)磁系統(tǒng)滿(mǎn)足手動(dòng)或自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)發(fā)電，容量保證機(jī)組110%額定容量正常運(yùn)行要求。

（2）機(jī)組運(yùn)行頻率變化1%，端電壓變化不大于0.25%。

（3）機(jī)端電壓下降為80%額定值時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)提供2倍額定勵(lì)磁電流和2倍額定勵(lì)磁電壓，持續(xù)時(shí)間不小于20 s。

（4）勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間：上升時(shí)間小于0.08 s，下降時(shí)間小于0.15 s。

（5）發(fā)電機(jī)突然甩額定有功和額定無(wú)功后，機(jī)端電壓超調(diào)量不大于額定值15%，振蕩次數(shù)不超過(guò)3次，調(diào)節(jié)時(shí)間不大于5 s。

（6）勵(lì)磁電流電壓互感器設(shè)斷線檢測(cè)及保護(hù)，勵(lì)磁系統(tǒng)裝設(shè)必要的過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)。

（7）勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)壓范圍滿(mǎn)足有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

（8）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器允許交流工作電源電壓在不大于強(qiáng)勵(lì)持續(xù)時(shí)間下波動(dòng)范圍為55%～120%額定電壓時(shí)正常工作。

（9）在任何情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁繞組兩端過(guò)電壓的瞬時(shí)值不超過(guò)出廠試驗(yàn)時(shí)繞組對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的70%。當(dāng)勵(lì)磁電流小于1.1倍額定勵(lì)磁電流下長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組兩端過(guò)電壓的最大瞬時(shí)值不超過(guò)出廠試驗(yàn)時(shí)該繞組對(duì)地耐壓試驗(yàn)電壓幅值的30%。

2.5 閥 門(mén)

采用型號(hào)為Z941-25/DN500的電動(dòng)閘閥。

2.6 其 它

考慮到原來(lái)的機(jī)坑內(nèi)空間狹小，無(wú)法安裝發(fā)電機(jī)尾端電流互感器和中性點(diǎn)避雷器，本次改造我們對(duì)機(jī)坑進(jìn)行了改造，重新開(kāi)挖了電流互感器室，將發(fā)電機(jī)尾端電流互感器和中性點(diǎn)避雷器都安裝在了機(jī)坑內(nèi)，同時(shí)針對(duì)漲水時(shí)尾水倒灌進(jìn)機(jī)坑的缺陷，對(duì)發(fā)電機(jī)出風(fēng)口也進(jìn)行了改造，將發(fā)電機(jī)出風(fēng)口與尾水道隔開(kāi)。

3 安裝、調(diào)試

機(jī)組的安裝質(zhì)量直接影響到機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)或使用壽命，因此電站必須嚴(yán)密組織，精心施工，保證達(dá)到安裝技術(shù)條件規(guī)定的要求。

3.1 安裝前的準(zhǔn)備

（1）按廠家提供的裝箱清單，清點(diǎn)設(shè)備的零部件、隨機(jī)附件、備件、技術(shù)資料是否齊全。

（2）按水輪機(jī)安裝布置圖，檢查與機(jī)組有關(guān)的土建工程，如預(yù)留孔，安裝高度，尺寸位置等是否符合要求（由于老機(jī)組的接地網(wǎng)不符合要求，本次改造我們重新布置了接地網(wǎng)，其接地電阻為0.84 Ω）。

（3）準(zhǔn)備好安裝所需用的工具，量具和材料。如起吊設(shè)備，百分表，萬(wàn)用表，塞尺，0.02/1 000框式水平儀，調(diào)整用斜鐵等。

（4）轉(zhuǎn)動(dòng)部分零件應(yīng)清洗干凈，埋入件外表面的污垢，油漬應(yīng)清除。

3.2 安裝方法和程序

（1）根據(jù)機(jī)組布置圖，順序吊裝閥門(mén)，伸縮節(jié)和進(jìn)水彎管。所有法蘭面裝上密封條，找正管路軸線方向及進(jìn)水彎管出口法蘭面的水平及標(biāo)高 （進(jìn)水彎管出口法蘭面水平度不超過(guò)0.05 mm/m）；澆注彎管支承地腳螺栓二期混凝土。

（2）吊裝蝸殼：蝸殼是水輪機(jī)的安裝基準(zhǔn)，要特別注意安裝質(zhì)量。在蝸殼進(jìn)水管法蘭與進(jìn)水彎管法蘭之間裝上密封條，用螺栓聯(lián)接起來(lái)，校正蝸殼與前后蓋板配合端面的不垂直度（蝸殼與前后蓋板配合端面的不垂直度不超過(guò)0.03 mm/m），并使蝸殼的軸心線與廠房設(shè)計(jì)的安裝軸心線相符合達(dá)到要求后，澆注蝸殼地腳螺栓二期混凝土，待混凝土養(yǎng)護(hù)期滿(mǎn)后，擰緊連接蝸殼地腳螺栓和進(jìn)水管法蘭聯(lián)接螺栓，再次校核蝸殼上與前后蓋板配合端面的不垂直度，澆注進(jìn)水彎管二期混凝土。

（3）吊裝尾水管：以蝸殼為基準(zhǔn)，將尾水彎管和直錐管聯(lián)結(jié)起來(lái)，所有法蘭間上密封條，擰緊連接螺栓，澆注直錐管二期混凝土。

（4）安裝發(fā)電機(jī)：該步極為重要，所以一定要認(rèn)真、仔細(xì)，安裝過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)輪四周間隙再進(jìn)一步調(diào)整發(fā)電機(jī)主軸的水平度和同心度，直至各方面都滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范的要求[保證發(fā)電機(jī)的主軸軸心線與水輪機(jī)的蝸殼軸心線的不同軸度在規(guī)定范圍內(nèi)（電機(jī)主軸軸心線與水輪機(jī)主軸軸心線的不同軸度不超過(guò)0.05 mm，電機(jī)主軸水平度不超過(guò)0.05 mm/m）]。

（5）安裝冷卻管路，飛輪罩及其它部分。

（6）按照安裝技術(shù)條件，全面檢查，校核有關(guān)不同軸度，不垂直度，檢查各緊固部位。

（7）安裝調(diào)速器：在上述工作完成后，再進(jìn)行調(diào)速器的安裝。安裝中應(yīng)注意調(diào)速器的開(kāi)度限制機(jī)構(gòu)整定值，不得超過(guò)水輪機(jī)導(dǎo)葉規(guī)定的最大開(kāi)度，以免導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪相碰。

（8）安裝勵(lì)磁屏和機(jī)組測(cè)溫屏：拆除老屏柜內(nèi)的接線，特別要注意斷開(kāi)有關(guān)的控制、保護(hù)、信號(hào)及廠用電等各方面的電源，做好安全保護(hù)措施，拆除有關(guān)的接線后將老柜移開(kāi)，再將新柜就位，布置相關(guān)電纜，按圖紙要求接好引線并做好靜態(tài)調(diào)試。

4 結(jié) 語(yǔ)

總的來(lái)講，本次改造是比較成功的，消除了原來(lái)老機(jī)組存在的缺陷，同時(shí)新機(jī)組的效率更高，出力更好，運(yùn)行也更安全。