葛洲壩電廠19號(hào)機(jī)組改造增容分析

付國(guó)宏，秦風(fēng)斌，李文金，雷秉惠，金龍兵

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

葛洲壩電廠是20世紀(jì)80年代投產(chǎn)運(yùn)行的電站，至今已經(jīng)運(yùn)行30多年。隨著三峽電廠的投產(chǎn)運(yùn)行，葛洲壩電廠和三峽電廠成為了“西電東送”和南北電網(wǎng)互聯(lián)的電力集散和潮流調(diào)解中心，常年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)在6 500左右，長(zhǎng)期處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，水輪機(jī)葉片存在空蝕和磨損現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)存在槽楔松動(dòng)、絕緣開裂、電暈腐蝕等現(xiàn)象。機(jī)組部件整體老化嚴(yán)重，必須進(jìn)行設(shè)備更新改造，提高運(yùn)行性能，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

葛洲壩電廠與三峽電廠聯(lián)合運(yùn)行以后，進(jìn)行長(zhǎng)江流域的梯級(jí)調(diào)度，勢(shì)必會(huì)在電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰的任務(wù)。但是葛洲壩電廠處于三峽水庫(kù)的下游，其過流能力小于三峽電廠，尤其在汛期，當(dāng)三峽電廠滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，縱使有葛洲壩水庫(kù)的反調(diào)節(jié)作用，依然無法避免棄水運(yùn)行。進(jìn)行改造增容，可以減小棄水，充分利用水能資源， 這不僅僅能最大限度地增大經(jīng)濟(jì)效益，還可增大電力系統(tǒng)的調(diào)峰容量和事故備用容量，提高2座電廠的電能質(zhì)量、增強(qiáng)公司在電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)增容也有利于電網(wǎng)公司的調(diào)度運(yùn)行，對(duì)電力用戶來說具有重要的社會(huì)意義。

在進(jìn)行設(shè)備更新改造的同時(shí)考慮增加發(fā)電機(jī)的出力，可以充分利用水能資源，提高發(fā)電機(jī)的效率，獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益。與新建電站相比、在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改造增容，其投資成本遠(yuǎn)低于新建電站的費(fèi)用，其單價(jià)一般在新建電站的單位kW造價(jià)的10%～30%，一般只需要1～2年就能收回成本并盈利，這極大地節(jié)約了檢修成本[1]。更重要的是改造增容采用新技術(shù)、新材料、新工藝，提高了機(jī)組的運(yùn)行性能，降低了事故發(fā)生概率，提高了機(jī)組可靠穩(wěn)定性[2]。

總之，進(jìn)行改造增容工作，不只是機(jī)組自身的更新?lián)Q代，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性的需要；更是充分利用能源資源，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)更大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的需要。

1 改造增容的可行性分析

1.1 水輪機(jī)改造增容分析

葛洲壩電廠是河床式低水頭徑流式電站，正常蓄水位為66 m，其額定水頭為18.6 m。其發(fā)電功率NA可以根據(jù)河段集中起來的水流能量來計(jì)算：

NA=ρQH

(1)

式中：ρ為流水密度，一般取值為1 000 kg/m3；Q為每秒內(nèi)下泄的流量；H為額定水頭；N為發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量[3]?？紤]到在轉(zhuǎn)化過程中存在能量損失，其表達(dá)式為

N=ηCηTηGNA

(2)

式中：ηC為上游來水經(jīng)過導(dǎo)水建筑物的效率；ηT為水輪機(jī)的效率；ηG為發(fā)電機(jī)的效率。由式(2)可知，發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量N與單位時(shí)間內(nèi)的下泄流量Q、工作水頭H，以及水輪機(jī)的效率ηT直接相關(guān)。當(dāng)增加下泄流量Q，提高工作水頭H，改善水輪機(jī)的效率ηT時(shí)可以提高發(fā)電機(jī)的出力N。其具體表現(xiàn)措施包括提高額定水頭出力，有些水輪機(jī)在80%～90%的開度下能達(dá)到額定出力，較寬的出力范圍保證了調(diào)整峰荷的靈活性，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)開度繼續(xù)增大，可以實(shí)現(xiàn)增容；更換轉(zhuǎn)輪，改善汽蝕特性和運(yùn)行工況，也可以達(dá)到增容的目的。

1.2 發(fā)電機(jī)增容改造分析

對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行改造的同時(shí)，還需要考慮發(fā)電機(jī)部分的改造，才能達(dá)到出力容量匹配的效果。由定子線負(fù)荷[4]AS可得：

(3)

由定子線負(fù)荷AS與發(fā)電機(jī)的額定功率PN的關(guān)系可得：

(4)

2 改造增容的技術(shù)措施

葛洲壩電廠水輪機(jī)為軸流轉(zhuǎn)漿式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，內(nèi)部裝有一套操作轉(zhuǎn)輪葉片的機(jī)構(gòu)。其改造主要涉及轉(zhuǎn)輪、水導(dǎo)軸承、主軸密封等結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)輪是由輪轂體、槳葉、槳葉操作機(jī)構(gòu)及泄水錐等組成。輪轂體采用G20SiMn材料鑄造，表面增加10 mm厚的不銹鋼層；葉片共5片，外緣設(shè)置裙邊，以改善間隙空化性能，提高穩(wěn)定性；操作機(jī)構(gòu)由連桿結(jié)構(gòu)改為雙連板耳柄結(jié)構(gòu)，改造后轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速為632.9 m·kW，單位流量為2.1 m/s額定功率提高到153 MW。水導(dǎo)軸承改造包括重新設(shè)計(jì)軸承體及水導(dǎo)瓦，軸瓦采用巴氏合金瓦襯和瓦坯，并采用同心瓦，支頂方式采用斜楔與抗壓塊支撐方式。主軸密封改造為自補(bǔ)償型軸向端面密封結(jié)構(gòu)。

葛洲壩電廠改造增容后增加的發(fā)電量主要來自汛期、低水頭運(yùn)行區(qū)域。先改造水輪機(jī)再根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況逐步改造發(fā)電機(jī)，其經(jīng)濟(jì)效益比水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)同時(shí)改造的傳統(tǒng)模式高2倍。本文主要對(duì)后期發(fā)電機(jī)的改造增容技術(shù)措施進(jìn)行介紹。

2.1 定子鐵芯改造

發(fā)電機(jī)定子鐵芯改造保持原來的電磁設(shè)計(jì)方案，槽數(shù)仍然為792槽。在定子機(jī)座的合縫板間隙處焊接鋼板，使原來的6分瓣結(jié)構(gòu)變成整園結(jié)構(gòu)。扇形疊片采用新型的低損耗、高導(dǎo)磁、不老化的優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片沖制而成，雙面涂有F等級(jí)的絕緣漆，在整圓機(jī)座現(xiàn)場(chǎng)疊裝。采用雙鴿尾筋對(duì)定子鐵芯進(jìn)行定位[5]，解決了鐵芯疊片的翹曲問題。疊片時(shí)采用分段壓緊，并用壓緊螺母、碟形彈簧，穿芯螺桿等對(duì)鐵芯緊固。定子通風(fēng)溝高度由10 mm降到6 mm，其數(shù)量由29個(gè)增加到43個(gè)，改善了鐵芯風(fēng)溝結(jié)構(gòu)，通風(fēng)冷卻效果更好，消除了冷態(tài)振動(dòng)，降低了定子鐵芯的運(yùn)行溫度。

2.2 定子線棒改造

發(fā)電機(jī)定子線棒為波繞組結(jié)構(gòu)，其絕緣等級(jí)為B級(jí)，改造后換成F級(jí)環(huán)氧粉云母帶絕緣材料，耐熱溫度為155℃。線棒采用全模一次成型工藝，并在線棒鐵芯段表面涂有低阻漆，其耐熱溫度更高，提高了溫升限值。用3～4層涂有防電暈漆的半導(dǎo)體槽襯紙對(duì)線棒U型繞包下線安裝，使得線棒與鐵芯槽壁過盈配合，間隙很小，從本質(zhì)上解決了運(yùn)行時(shí)線棒松動(dòng)磨損絕緣和槽部電暈腐蝕現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)做實(shí)驗(yàn)時(shí)，槽電位要求低于5 V，有效防止了電暈腐蝕現(xiàn)象。

定子線棒在鐵芯安裝位置處股線換位方式由360°全換位改為319°不完全換位[6]，減小了股線環(huán)流在槽部?jī)?nèi)的不均勻感應(yīng)電勢(shì)差和溫差，使得股線溫度更加趨于均勻，股線最高銅溫變得更低。采用F級(jí)絕緣材料，減小了主絕緣厚度，線棒股線數(shù)由42根增加到44根，同時(shí)增加每根股線的截面積，提高線棒整體載流量，發(fā)電機(jī)額定電流由5 977 A提高到6 981 A。定子線棒端部涂有高阻漆，與無磁性的高強(qiáng)度鋼材料端箍進(jìn)行綁扎，防止發(fā)電機(jī)在發(fā)生短路時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力振動(dòng)或者變形。線棒連接處和匯流銅排連接處采用銀焊工藝，并用14層云母帶和2層無緘玻璃纖維帶進(jìn)行絕緣繞包，多方面地提高其整體絕緣耐壓能力。

2.3 轉(zhuǎn)子磁極線圈改造

圖1為轉(zhuǎn)子磁極改造圖，磁極線圈匝數(shù)增加到20匝，提高轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁容量和轉(zhuǎn)子電流值，勵(lì)磁電流由1 621 A升高到1 781 A。采用帶散熱翅的異形銅排結(jié)構(gòu)、使得磁極線圈有足夠的散熱面積，能有效降低運(yùn)行溫度。鐵芯表面采用4層L型絕緣材料繞包，套上磁極線圈后，間隙處用滌綸氈包裹環(huán)氧板進(jìn)行封堵，所測(cè)絕緣等級(jí)提高到上百GΩ，遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)絕緣耐壓水平。

圖1 轉(zhuǎn)子改造圖

3 改造增容的檢測(cè)試驗(yàn)

在葛洲壩電廠機(jī)組改造增容過程中，為保證改造設(shè)備的安裝質(zhì)量，在改造增容過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)置了試驗(yàn)測(cè)試，使得改造增容過程有了質(zhì)量檢測(cè)和工藝監(jiān)督機(jī)制。

3.1 定子鐵芯磁化試驗(yàn)

定子鐵芯是用硅鋼片疊裝而成的。在制造或者安裝過程中，如果存在片間絕緣損壞，會(huì)導(dǎo)致短路，使得局部發(fā)生過熱而危害機(jī)組安全運(yùn)行。其試驗(yàn)原理就是在鐵芯上纏繞勵(lì)磁繞組，再通入一定的工頻電流，使其產(chǎn)生飽和的交變磁通。鐵芯在交變磁通下產(chǎn)生損耗使得鐵芯發(fā)熱，而受損部分會(huì)產(chǎn)生較大的局部渦流，溫度急劇升高。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)用紅外測(cè)溫儀對(duì)定子鐵芯進(jìn)行測(cè)溫，找出過熱點(diǎn)，就能判斷鐵芯的制造安裝質(zhì)量。定子鐵芯磁化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 定子鐵芯磁化試驗(yàn)溫度表

注：①鐵心最大溫升不超過25 K；②相同部位最大溫差不超過15 K。

3.2 定子線棒交流耐壓試驗(yàn)

為了檢測(cè)線棒或者槽楔在安裝過程是否對(duì)線棒造成損傷，有無絕緣缺陷，有必要對(duì)定子線棒進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。考慮到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)變壓器容量有限，一般無法滿足所有線棒同時(shí)耐壓的需求。普通的上下層線棒電接頭間隙小，無法做有效的隔離措施，只得打亂原有定子繞組分支連接方式，重新分段進(jìn)行試驗(yàn)。研究分析發(fā)現(xiàn)，將斜連接線棒與其相鄰的普通跨線進(jìn)行短接，可以將792×2根線棒分成144個(gè)小分支，其端點(diǎn)為線棒上端部的普通跨線或者引出線電接頭，再以含有7組斜連接線棒的9個(gè)小分支為基礎(chǔ)將周圍的小分支連接起來組成9段，最后根據(jù)空間相鄰位置將9段連接成3段獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，如果沒有觀測(cè)到線棒發(fā)生擊穿或者斷續(xù)的放電等現(xiàn)象，則認(rèn)定耐壓試驗(yàn)合格。采用這種試驗(yàn)連接方式，簡(jiǎn)單方便，高效可行。定子交流耐壓的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 定子交流耐壓試驗(yàn)表

注：①1.1Un下無起暈；②2Un+3 kV下，耐壓1 min。

3.3 轉(zhuǎn)子交流阻抗測(cè)量和耐壓試驗(yàn)

制作工藝不良往往會(huì)造成轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣破壞而發(fā)生短路，匝間短路會(huì)導(dǎo)致電流增大、溫度升高，其后果是無功輸出受到限制，可能引起機(jī)組振動(dòng)。檢測(cè)試驗(yàn)的工作原理是在一定的交流電壓下，匝間短路會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，此短路電流有強(qiáng)大的去磁作用，會(huì)使其交流阻抗大幅度下降，這樣與原始測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比可得出是否曾在匝間短路故障。用磁極交流耐壓實(shí)驗(yàn)可檢測(cè)其絕緣性能，要求其絕緣電阻值不小于5 MΩ。一般用隔離變壓器設(shè)備直接加壓，觀測(cè)是否有擊穿聲、放電聲等異象。轉(zhuǎn)子交流阻抗測(cè)量和耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

表3 轉(zhuǎn)子磁極交流阻抗測(cè)量表

注：各磁極間阻抗值之差≤10%。

表4 轉(zhuǎn)子磁極線圈耐壓試驗(yàn)表

注：①2 500 V兆歐表測(cè)量，絕緣電阻≥5 MΩ；②施加電壓為10Uf+1.5 kV，耐壓1 min。

4 結(jié) 語

本次改造增容主要對(duì)發(fā)電機(jī)的定子鐵芯、定子線棒、轉(zhuǎn)子磁極線圈進(jìn)行了改造。改善了定轉(zhuǎn)子通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)，提高了發(fā)電機(jī)的絕緣等級(jí)，發(fā)電機(jī)的額定容量增高至150 MW，效率提高到98.26%以上。年發(fā)電量增加，貢獻(xiàn)了更多清潔能源，創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。葛洲壩19號(hào)機(jī)組采用新材料、新技術(shù)、新工藝進(jìn)行改造增容，使得老機(jī)組煥發(fā)新的生機(jī)活力，增強(qiáng)了運(yùn)行性能，提高了供電可靠性。與此同時(shí)，在改造過程中每個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)置試驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測(cè)，保證了安裝過程的質(zhì)量。本文所述方法進(jìn)行改造增容投資少、收益高、施工周期短。它既增加了經(jīng)濟(jì)效益，提高了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力，也為其他老機(jī)組的技術(shù)改造提供了一定的借鑒和指導(dǎo)意義。