翠江水電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機組增效擴容改造關(guān)鍵技術(shù)

首丙香，魏祥發(fā)

(翠江水電站，湖南 郴州 423000)

1 概 述

翠江水電站位于耒水中游的湖南省郴州市蘇仙區(qū)五里牌鎮(zhèn)，電站裝設(shè)3臺單機容量為93 00 kW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量27 900 kW，設(shè)計水頭7.94 m，單機引用流量136 m3/s，設(shè)計年發(fā)電量1.012億kW·h；壩址控制流域面積5 992 km2，總庫容1 560萬m3。電站首臺機于1991年試機運行，1993年3臺機全部投產(chǎn)投入運行。

2 存在的主要問題

由于電站機組原設(shè)計為國內(nèi)首次消化借鑒奧地利進(jìn)口的馬跡塘電站燈泡貫流式機組，造成原機組選型不合理；加之當(dāng)時國內(nèi)主機廠生產(chǎn)貫流式機組經(jīng)驗不足，導(dǎo)致最高效率和設(shè)計點效率均低于技術(shù)協(xié)議書要求。同時，由于制造廠家材料選型不當(dāng)、加工工藝不足，導(dǎo)致3臺機組存在嚴(yán)重設(shè)備缺陷，水輪機及轉(zhuǎn)輪室磨損、氣蝕嚴(yán)重，機組效率極低，高負(fù)荷時振動大，經(jīng)常性燒瓦；發(fā)電機溫升高，導(dǎo)葉拐臂軸套滲水嚴(yán)重；轉(zhuǎn)輪室伸縮節(jié)漏水嚴(yán)重；導(dǎo)致維護(hù)成本高，影響電站安全穩(wěn)定運行。

3 增效擴容改造的目標(biāo)

此次增效擴容改造的目標(biāo)是：提升機組的效率及安全可靠性，單機容量提升至10 000 kW，充分發(fā)揮電站的綜合效益。認(rèn)真分析原機組效率低、出力不足、運行振動大的各種成因，咨詢國內(nèi)制造廠、設(shè)計院等相關(guān)專家，并到國內(nèi)類似水電廠進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)電站多年來的運行及局部改造的經(jīng)驗，制定出了除管形座等預(yù)埋件不動外的徹底更新改造3臺套發(fā)電機、水輪機的增效擴容改造方案；重點要解決提高水輪機效率，解決機組運行振動大經(jīng)常性燒瓦、降低發(fā)電溫升，解決轉(zhuǎn)輪室伸縮節(jié)漏水等關(guān)鍵性技術(shù)難題。

4 水輪機更新改造

電站原水輪機型號為GZ(FO2)—WP—410，3臺水輪發(fā)電機組到改造前已投入運行20多年。由于水輪機效率較低，設(shè)備運行時間較長，水輪機運行振動大，氣蝕十分嚴(yán)重；轉(zhuǎn)輪體及轉(zhuǎn)輪室氣蝕深度現(xiàn)已達(dá)母材的3/4，現(xiàn)每年都要進(jìn)行補焊處理，但效果不理想，嚴(yán)重危及安全運行。同時，由于槳葉密封為“λ”型，且機組振動大，密封經(jīng)常性損壞漏油，造成水環(huán)境污染及經(jīng)濟損失。另外，導(dǎo)水機構(gòu)發(fā)卡，正常運行時剪斷銷經(jīng)常成批量剪斷。

結(jié)合電站水力參數(shù)，進(jìn)行了優(yōu)化選型和結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計，綜合考慮水輪機的空化性能、軸面流速、效率等各方面的因素，選取高效率轉(zhuǎn)輪。此次改造選用轉(zhuǎn)輪型號為GZTF07B，該轉(zhuǎn)輪是引進(jìn)國外先進(jìn)的4葉片燈泡貫流式模型轉(zhuǎn)輪，已經(jīng)在哈電的試驗臺上完成模型試驗，且已經(jīng)在20多座電站得到應(yīng)用；轉(zhuǎn)輪公稱直徑4.15 m，輪轂比0.38，4只葉片，詳見表1。葉片可根據(jù)水頭及負(fù)荷通過調(diào)速器自動調(diào)整并與導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)，以保證在各種工況下均具有最佳效率。

表1 水輪機改造前、后基本參數(shù)對比表

轉(zhuǎn)輪體材料為ZG20Mn，在葉片轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)呈球形。槳葉端部活動范圍內(nèi)的輪轂表面堆焊5 mm厚的不銹鋼層，以此減少氣蝕。葉片材料為ZG06Cr13Ni4Mo，與樞軸鑄成一體，4葉片結(jié)構(gòu)，葉片與轉(zhuǎn)臂用圓柱銷傳遞扭矩。為防止轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部的壓力油滲出流道及外面的水滲入轉(zhuǎn)輪體內(nèi)，在葉片法蘭外圓處設(shè)有V形、X形組合密封，可有效的保證不漏油、不滲水。

為配合新轉(zhuǎn)輪、新水力設(shè)計，采取對整個導(dǎo)水機構(gòu)進(jìn)行更新改造。優(yōu)化導(dǎo)葉型線，使同工況下機組過流量增加，為機組增容提供保證。導(dǎo)葉上、下軸套均采用聚甲醛鋼背復(fù)合材料，軸頸處設(shè)置切實可靠的導(dǎo)葉軸頸密封，導(dǎo)軸承、連桿軸承及控制環(huán)軸承材料均采用進(jìn)口均質(zhì)非金屬自潤滑耐磨材料。導(dǎo)水傳動機構(gòu)采用折疊連桿結(jié)構(gòu)，由導(dǎo)葉臂、彈簧連桿組成，它與控制環(huán)、導(dǎo)葉組成1個空間運動系統(tǒng)；當(dāng)導(dǎo)葉間有雜物卡住不能關(guān)閉時，在導(dǎo)水機構(gòu)傳動件發(fā)生過負(fù)荷的情況下，彈簧連桿折彎并由信號器自動發(fā)出信號，此信號將驅(qū)動導(dǎo)葉打開，把卡入的異物排到下游去；同時彈簧連桿將導(dǎo)葉復(fù)位到正常狀態(tài)，很好地解決了原導(dǎo)水機構(gòu)運行中經(jīng)常性出現(xiàn)的剪斷銷成批量剪斷問題。

5 發(fā)電機更新改造

原來3臺發(fā)電機經(jīng)多年運行，絕緣已老化，極易受潮。另外，由于廠家當(dāng)時選用國產(chǎn)硅鋼片，損耗大，導(dǎo)致發(fā)電機溫升高，無法在額定工況下運行，轉(zhuǎn)子支架嚴(yán)重開裂，目前采取臨時加固處理。線圈絕緣水平顯著降低，不能滿足規(guī)范及試驗要求，因此必須對發(fā)電機進(jìn)行改造，詳見表2。

表2 發(fā)電機改造前、后參數(shù)對比表

重新進(jìn)行發(fā)電機電磁計算，改變定子結(jié)構(gòu)及冷卻系統(tǒng)，定子外形尺寸為φ4 800×2 855 mm。定子鐵心采用50W270型硅鋼片，采用扇形片交錯疊壓并借助于42根定位筋與機座固定。定子繞組為疊繞組，主絕緣采用F級桐馬粉云母帶，防暈層直線部分為低阻，端部為高阻半導(dǎo)體玻璃布帶，主絕緣和防暈層一次熱壓固化成型。

為解決發(fā)電機溫升問題，冷卻系統(tǒng)采用強迫冷卻通風(fēng)方式輔以定子鐵心貼壁結(jié)構(gòu)通過定子外殼與河水散熱；強迫冷卻為軸向密閉循環(huán)通風(fēng)；風(fēng)路冷卻系統(tǒng)由風(fēng)機、空氣冷卻器、擋風(fēng)板、定子、轉(zhuǎn)子等共同組成密閉循環(huán)系統(tǒng)?？諝饫鋮s器水系統(tǒng)采用外循環(huán)方式，為節(jié)約資金，沿用了原來冷卻水系統(tǒng)，即機組空氣冷卻器、循環(huán)冷卻水池、加壓水泵及管路；補水深井補水至冷卻水池，這樣既保證了補充水流帶走熱量，又保證了水質(zhì)清潔。定子鐵心貼壁結(jié)構(gòu)包括發(fā)電機組定子鐵心和定子機座，在定子機座和定子鐵心接觸段噴有0.20～0.30 mm的金屬鋁層，利用金屬鋁材質(zhì)較軟的特點使鐵心在熱膨脹時與機座壁充分貼緊；解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)直接用機座壁散熱且散熱間隙難以控制的問題。不僅保證定子機座壁的良好散熱性能，還可避免機組在運行過程中因間隙造成定子鐵心松動而損壞線圈絕緣給機組帶來的不安全隱患。

6 伸縮節(jié)及基礎(chǔ)環(huán)改造

原來伸縮節(jié)由于密封結(jié)構(gòu)不合理，且機組大開度運行時振動大，導(dǎo)致伸縮節(jié)漏水相當(dāng)大。為解決伸縮節(jié)漏水問題，同時解決新轉(zhuǎn)輪室、伸縮節(jié)與基礎(chǔ)環(huán)配合問題，決定對基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行改造。具體實施是在原基礎(chǔ)環(huán)前增設(shè)1個過渡環(huán)板，現(xiàn)場測量與轉(zhuǎn)輪室、伸縮節(jié)配合設(shè)計，過渡環(huán)板與基礎(chǔ)環(huán)采用現(xiàn)場焊接調(diào)整，確保了新設(shè)備與原預(yù)埋件精確過渡。

伸縮節(jié)采用L型結(jié)構(gòu)，與轉(zhuǎn)輪室之間通過連接螺栓相連?；A(chǔ)環(huán)設(shè)置在伸縮節(jié)的下端，與伸縮節(jié)之間相互緊貼。在伸縮節(jié)的下端開設(shè)有雙道密封槽，采用O形密封。

改造后在導(dǎo)葉大開度、機組大負(fù)荷運行等各種工況下，轉(zhuǎn)輪室振動值小于規(guī)范要求，伸縮節(jié)無漏水。

7 機組軸承系統(tǒng)的改造

根據(jù)電站原來機組水導(dǎo)彈性金屬塑料瓦改造的成功經(jīng)驗，此次改造將機組的水導(dǎo)、發(fā)導(dǎo)、正推、反推瓦全部采用彈性金屬塑料軸承。發(fā)電機設(shè)有正、反推力軸承和徑向?qū)лS承的組合軸承，裝在同一軸承座內(nèi)，設(shè)在轉(zhuǎn)子下游側(cè)。水輪機導(dǎo)軸承內(nèi)徑φ658 mm，瓦長398 mm，固定于內(nèi)配水環(huán)上，采用扇形薄壁自位支撐。由于塑料瓦摩擦系數(shù)小，這使得彈性金屬塑料瓦的機組起動變得容易，縮短了機組啟動的時間，減少了耗水。彈性金屬塑料瓦有一層青銅絲彈性層，具有一定彈性，受壓時能自動改善瓦面的壓力分布，自調(diào)性能好，承載能力強，其平均單位壓力比合金瓦大，具有一定的減振性能，為機組的大負(fù)荷運行提供了可靠保證，合理地解決了傳統(tǒng)鈀氏合金瓦需要研刮、運行中對油質(zhì)要求高、極易燒瓦的問題。

改造后彈性金屬塑料瓦運行的瓦溫比原來合金瓦低5～8 ℃。

8 改造后運行情況

機組增效擴容完成后，從發(fā)電機組帶負(fù)荷情況表明，在相同水頭情況下，單機出力比原來改造前機組增加2 000 kW以上，增幅超21%；三機聯(lián)合運行比原機組增加出力達(dá)23%，超出設(shè)計要求。機組振動及噪音比原機組運行時明顯減小，詳見表3。

表3 增效擴容后機組負(fù)荷、溫度、振動對比表

9 結(jié) 語

翠江水電站增效擴容改造通過對整機進(jìn)行更新改造，同時采用具有專利技術(shù)的部件，采用先進(jìn)制造、安裝工藝，增效擴容改造取得預(yù)期效果，為同類型電站改造提供了可借鑒的經(jīng)驗。