天樓地枕水電站機(jī)組增容改造實(shí)踐

卲明華，陳 淵

(國(guó)電恩施水電開(kāi)發(fā)有限公司，湖北 恩施 445026)

天樓地枕水電站位于湖北省恩施市屯堡鄉(xiāng)境內(nèi)，裝機(jī)容量25.2 MW(4×6.3 MW)。水輪機(jī)額定水頭80.2 m，額定流量9.39 m3/s，額定功率6.57 MW。壩址控制流域面積1 906 km2，平均流量56 m3/s，引水渠道全長(zhǎng)6 336 m，設(shè)計(jì)引用流量42 m3/s。該電站至今已運(yùn)行25年，由于受當(dāng)時(shí)水輪機(jī)選型、技術(shù)、材料等因素限制，機(jī)組運(yùn)行工況惡劣，設(shè)備老化嚴(yán)重，定子線棒絕緣多次擊穿，水導(dǎo)油槽甩油嚴(yán)重，水輪機(jī)空蝕、磨損嚴(yán)重，效率降低，出力達(dá)不到額定值。

1 機(jī)組存在問(wèn)題和改造的思路

1.1 水輪發(fā)電機(jī)組存在的問(wèn)題

該電站投運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，目前機(jī)組存在以下問(wèn)題：

1)定子線棒老化，絕緣降低。

2)繞簧式空冷器銅管漏水嚴(yán)重、已封堵多處銅管。

3)導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴(yán)、水導(dǎo)密封檢修頻繁、水導(dǎo)油槽甩油嚴(yán)重。

4)轉(zhuǎn)輪空蝕、磨損都十分嚴(yán)重，部分轉(zhuǎn)輪葉片出水邊背面脫塊、掉落。經(jīng)過(guò)多次處理，改變了轉(zhuǎn)輪葉片原有的型線結(jié)構(gòu)，機(jī)組效率也大幅度下降。

5)水輪機(jī)導(dǎo)葉為懸臂式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉間隙偏大，漏水嚴(yán)重，停機(jī)時(shí)較大的漏水量使機(jī)組處于惰轉(zhuǎn)狀態(tài)，必須關(guān)閉蝶閥才能夠停機(jī)。

6)水輪機(jī)水導(dǎo)油槽甩油嚴(yán)重，每次開(kāi)機(jī)時(shí)都要加油，平均每次加30公升左右，運(yùn)行期間根據(jù)情況也要加油，每年耗用透平油1 200公升左右。

7)水輪機(jī)主軸密封為橡膠平板式結(jié)構(gòu)，汛期由于泥沙含量多，密封易破損，需停機(jī)檢修，平均每年檢修3次。

1.2 增容改造的思路[1-3]

保證電站的引水系統(tǒng)不變的狀況下，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改造，機(jī)組額定出力由改造前的6.3 MW增容到7.0 MW，機(jī)組綜合效率提高。

發(fā)電機(jī)更換定子線棒后，提高絕緣水平，由B級(jí)提高到F級(jí)。

不改變廠房水工建筑物，包括壓力管道，機(jī)墩砼機(jī)構(gòu)；不改變機(jī)組埋入部件，包括水輪機(jī)蝸殼、基礎(chǔ)環(huán)、尾水管等。

不改變機(jī)組中心線、不改變?cè)瓩C(jī)組主軸的連接方式、尺寸等。

2 增容改造方案

2.1 機(jī)組改造前后發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

原水輪機(jī)型號(hào)為HLA153-LJ-100,發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF6300-10/2600。

機(jī)組改造前后發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組改造前后發(fā)電機(jī)主要參數(shù)表

2.2 增容改造后發(fā)電機(jī)主要部件機(jī)械強(qiáng)度校驗(yàn)[4]

2.2.1 定子

發(fā)電機(jī)的扭矩隨容量成正比變化，但定子的最危險(xiǎn)狀態(tài)在三相突然短路時(shí)的沖擊力矩，該力矩與輸出功率成正比，與X″d成反比。根據(jù)計(jì)算，cosΦ為0.8，當(dāng)功率為6.3 MW時(shí)，X″d=0.21，增容改造后cosΦ為0.8，當(dāng)功率為7.0 MW時(shí)，X″d=0.22，因此，增容到7.0 MW時(shí)沖擊力矩變化如下：

即沖擊力矩增加6%，對(duì)定子各部分的強(qiáng)度、焊縫應(yīng)力影響較小，定子機(jī)座仍在安全范圍內(nèi)。

2.2.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)軸：發(fā)電機(jī)增容量為11.1%，增容前后發(fā)電機(jī)參數(shù)基本一致，因此水輪發(fā)電機(jī)組主軸綜合應(yīng)力約增加11.1%。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主軸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力在2.5倍以上，因此仍然有較高的安全系數(shù)。

轉(zhuǎn)子支架與轉(zhuǎn)軸：轉(zhuǎn)子支架通過(guò)輪轂與轉(zhuǎn)軸熱套，靠熱套配合來(lái)傳遞扭矩，而傳遞扭矩的配合力與容量成正比，配合力增大，轉(zhuǎn)子輪轂與主軸的配合最小緊量變大，使安全系數(shù)減小約11.1%。由于設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)機(jī)電傳遞扭矩的安全系數(shù)均高于設(shè)計(jì)規(guī)范，因此本發(fā)電機(jī)仍具有較高的傳遞裕度即安全系數(shù)。

轉(zhuǎn)子支架各部分應(yīng)力：轉(zhuǎn)子支架各部分應(yīng)力高區(qū)通常為各焊縫，這些應(yīng)力最大值發(fā)生在磁軛打鍵時(shí)和飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)，熱打鍵配合力通常按分離轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，本機(jī)分離轉(zhuǎn)速值及飛逸轉(zhuǎn)速均未改變，故這些應(yīng)力也將保持不變。換言之，增容到7.0 MW后，轉(zhuǎn)子支架各部分應(yīng)力值仍與6.3 MW時(shí)相同。

磁軛、磁極沖片最大應(yīng)力：由于增容時(shí)轉(zhuǎn)子未更換任何部件，同時(shí)機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速未增大，因此增容前后磁軛、磁極沖片最大應(yīng)力不變。

2.2.3 空冷器

改造后的空冷器為新型翹片式，冷卻效率提高15%，滿足要求。

其他：下機(jī)架、上機(jī)架等，外載荷基本上沒(méi)有發(fā)生變化，所以，原設(shè)計(jì)的剛強(qiáng)度仍適應(yīng)增容需要，且與增容前具有相同裕度。制動(dòng)條件沒(méi)有發(fā)生變化，所以，剎車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)也等同于6.3 MW狀態(tài)。

2.3 水輪機(jī)改造[5]

1)選擇高性能轉(zhuǎn)輪，提高水輪機(jī)出力。由于不改變水輪機(jī)現(xiàn)有流道和固定導(dǎo)葉高度，僅更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，根據(jù)中國(guó)水電科學(xué)研究院的研究成果，JF2258B型比較適合替代HLA153型轉(zhuǎn)輪，高效區(qū)更加寬廣，空化系數(shù)低，飛逸轉(zhuǎn)速低。

出力特性：根據(jù)新舊轉(zhuǎn)輪特性，計(jì)算在水輪機(jī)出力限制線水輪機(jī)的出力，JF2258B型轉(zhuǎn)輪替代HLA153型轉(zhuǎn)輪后，水輪機(jī)出力明顯提高，在相同水頭下最大出力提高了11.4%左右。

效率特性：根據(jù)轉(zhuǎn)輪特性曲線分析，JF2258B型轉(zhuǎn)輪效率特性總體上要優(yōu)于HLA153型轉(zhuǎn)輪，在額定水頭80.2 m的情況下，當(dāng)出力大于5.9 MW時(shí)，JF2258B-LJ-100型水輪機(jī)效率明顯優(yōu)于HLA153-LJ-100型水輪機(jī)。

表2 水輪機(jī)改造前后轉(zhuǎn)輪模型對(duì)照表

空蝕特性：新轉(zhuǎn)輪的吸出高度Hs=0，現(xiàn)有水輪機(jī)高程能滿足要求。

2)主軸密封。工作密封采用接觸式自補(bǔ)償型密封結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行中對(duì)密封元件的磨損可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

3)導(dǎo)軸承。水導(dǎo)軸承采用稀油潤(rùn)滑拋物面筒式軸承瓦，自調(diào)性好，運(yùn)行穩(wěn)定，承載力大，擺度小。

4)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。導(dǎo)葉有3個(gè)自潤(rùn)滑支承軸承，導(dǎo)葉的水力矩特性具有自關(guān)閉的趨勢(shì)。

2.4 技術(shù)參數(shù)比較

1)渠道引水流量比較：原機(jī)組額定流量9.39 m3/s，改造后的機(jī)組額定流量10.09 m3/s，只增加了0.7 m3/s的流量，改造后4臺(tái)機(jī)組總的流量為40.36 m3/s。引水渠道引用流量是42 m3/s，渠道過(guò)水量滿足改造條件。

2)電氣參數(shù)比較：經(jīng)計(jì)算，改造后四臺(tái)發(fā)電機(jī)組額定出力由6.3 MW增加到7.0 MW，原6.3 kV斷路器、主變壓器，110 kV斷路器等電氣設(shè)備均滿足機(jī)組改造要求。

3)調(diào)保計(jì)算：經(jīng)計(jì)算，改造后調(diào)保計(jì)算滿足改造要求。

4)調(diào)速性能：經(jīng)計(jì)算，改造后機(jī)組滿足過(guò)速試驗(yàn)要求，滿足甩負(fù)荷試驗(yàn)要求。

2.5 經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益比較

1)改造后每臺(tái)機(jī)組年增發(fā)電量370萬(wàn)kW·h。

2)改造后每臺(tái)機(jī)組年節(jié)約透平油1 200公升。

3)減少檢修維護(hù)產(chǎn)生的效益：改造前平均每年需檢修水導(dǎo)密封3次，每次檢修需8 h。改造后，不僅減輕了維護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了維護(hù)成本，同時(shí)增發(fā)電量約16萬(wàn)kW·h。

4)原水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆甩油嚴(yán)重，改造后解決了這個(gè)問(wèn)題，減少了對(duì)下游河流的油污染，保護(hù)了環(huán)境。

3 增容改造后運(yùn)行情況及效果

由于該電站為引水式電站，為保證經(jīng)濟(jì)效益，該電站分別在20116年至2019年每年冬季枯水期改造一臺(tái)機(jī)組。改造后機(jī)組額定出力達(dá)到7.0 MW，單機(jī)運(yùn)行時(shí)最高出力達(dá)到7.3 MW(見(jiàn)表3)，多機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)單機(jī)出力達(dá)到7.15 MW。機(jī)組運(yùn)行瓦溫(見(jiàn)表4)、振動(dòng)(見(jiàn)表5)等各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍。

表3 機(jī)組改造前后出力比較表 MW

表4 軸承瓦溫度值表(負(fù)荷7 MW) ℃

表5 上機(jī)架振動(dòng)值表(負(fù)荷7 MW) μm

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)改造，天樓地枕水電站機(jī)組的出力明顯增大，解決了長(zhǎng)期以來(lái)水導(dǎo)油槽甩油嚴(yán)重、水導(dǎo)密封檢修頻繁、導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴(yán)等問(wèn)題，不僅提高了設(shè)備的安全可靠性，減少了運(yùn)行及維修費(fèi)用、減少了機(jī)組的檢修時(shí)間，增加了發(fā)電量，提高了經(jīng)濟(jì)效益，還大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

引水式電站機(jī)組增容改造可在枯水期實(shí)施，不影響電站的正常發(fā)電。由于原基礎(chǔ)設(shè)施沒(méi)有任何變動(dòng)，施工方便簡(jiǎn)單、工期短，天樓地枕水電站的改造可供同類(lèi)型電站改造借鑒。