SF11-20/3250立式水輪發(fā)電機更新改造

張曉華，印大均，印小軍

(1.河北省桃林口水庫管理局，河北 秦皇島，066400；2.鈦能科技股份有限公司，南京，211800)

1 工程概況

桃林口水電廠為壩后式電廠，布置在桃林口水利工程樞紐的右岸。發(fā)電用水通過引水洞從水庫引水至發(fā)電廠房，一管一機供水，其中壓力鋼管總長119m，前100m直徑為3000mm，至廠前漸變?yōu)橹睆?500mm。電站主廠房內裝設2臺立軸混流式水輪發(fā)電機組，副廠房布置在主廠房上游側。

桃林口水電廠發(fā)電機組于1998年12月24日開始投入運行，原發(fā)電機容量為2×10000kW，發(fā)電機型號SF10000-20/3250，由于發(fā)電機運行多年，絕緣等級低(B)，絕緣老化導致發(fā)電機溫度升高，冷卻效果差，機組增容后絕緣、線圈等無法滿足安全運行要求，給機組安全穩(wěn)定運行造成了影響。原水輪發(fā)電機組效率低下、安全隱患多，因此，對其進行更新改造非常必要。

2 SF11-20/3250立式水輪發(fā)電機

改造后的發(fā)電機為重慶水輪機廠，機組出力由原來的10000kW增容至11000kW，發(fā)電機增容改造、升級絕緣等級并滿足各部件溫升要求及機組運行的穩(wěn)定性。

2.1 機組主要規(guī)規(guī)參數

額定容量：13750kVA

功率因數：0.8(滯后)

額定功率：11000kW

額定電壓：6300V

額定電流：1260.1A

頻率：50Hz

額定轉速：300r/min

飛逸轉速：600.8r/min

相數：3

定子繞組接法：4Y

額定勵磁電壓：185V

額定勵磁電流：336A

勵磁方式：靜止可控硅勵磁

轉動慣量(GD2)：≥157t·m2

旋轉方向：從上向下看順時針

2.2 發(fā)電機主要參數

定子鐵芯外徑：3250mm

定子鐵芯內徑：2800mm

定子鐵芯長度：1100mm

氣隙：8mm

定子繞組15℃時的電阻：0.0129Ω

轉子繞組15℃時的電阻：0.378Ω

3 改造后的發(fā)電機結構特點

水輪發(fā)電機由上機架、定子、轉子、下機架、制動器管路、空氣冷卻器及測溫系統組成。定子包括機座、鐵芯和線圈等件。

3.1 定子：機座、鐵芯和線圈

機座外徑φ3900mm，高2270mm，用以固定鐵芯及支承上機架。鐵芯由0.5mm厚優(yōu)質低耗硅鋼片沖制的扇形片疊壓而成，軸向長度內分為24段，段間有10mm高徑向通風溝23個。

本機鐵芯溫升不超過80K。定子線圈為圈式繞組，用桐馬環(huán)氧粉云母熱固化成形，共192個，接成4Y，主引出線和中性引出線各3根。線圈表面還進行了防暈處理。定子線圈上下端部附近裝設有滅火水管，機組火警時可自動或手動滅火。

本機定子絕緣等級為F級，能在140℃內連續(xù)正常工作。

3.2 轉子：主軸、磁軛、磁極

(1)主軸：為20SiMn鋼鍛件，滑轉子套于主軸上。上導軸承軸頸、下導軸承軸頸(滑轉子)及水輪機導軸承軸頸系一次組合加工，可將三檔軸頸的不同軸度控制在極小范圍內，為機組穩(wěn)定運行及安裝時找正中心創(chuàng)造了有利條件。

(2)磁軛：本機磁軛為疊片磁軛，磁軛片采用拉緊螺桿固定在轉子支架上，轉子支架通過熱套的方式固定在主軸上。

(3)磁極：包括鐵芯、磁極線圈、上下托板等。鐵芯用1.5mm厚鋼板沖片疊壓而成，極靴上裝設有縱橫阻尼繞組。磁極線圈用扁銅帶繞制，匝間墊環(huán)氧玻璃胚膠布熱壓固化成一整體，絕緣等級為F級，能在150℃內連續(xù)正常工作，即使在飛逸時的離心力作用下，仍具有足夠的絕緣介電強度。極間還加裝了撐塊，整個磁極用雙T尾和斜楔固定在磁軛上。

3.3 制動器管路

本機制動系統中裝有φ160活塞式制動器4個，停機時，當轉速下降到額定轉速的25%左右，可指令電磁空氣閥自動進行連續(xù)制動，也可手動操作高壓三路活門進行連續(xù)制動。制動時用壓縮空氣，壓力約0.7MPa，壓縮空氣消耗量約4L/s，制動時間約2min。機組安裝完畢啟動前及停機時間超過3d再啟動前，須頂起發(fā)電機轉子幫助推力軸承形成油膜。頂轉子時用壓力油，油壓約7MPa，轉子頂起的高度不超過15mm，壓力油源由隨機供應的高壓油泵供給。

3.4 空氣冷卻器

空氣冷卻器為翅片式結構，共4個，每個由多排管身均勻嵌有散熱片的冷卻管組成。熱風吹拂散熱片，熱量即由管中的冷卻水帶走。冷卻后風溫不超過40℃，冷卻水壓0.2MPa～0.4MPa，冷卻器的冷卻水量約85m3/h。

3.5 油水管路

上機架油池容量約1.8m3，下機架油池容量約0.4m3，機組總用水量約130m3/h。上機架、下機架及空氣冷卻器的進水管分別裝有示流器，油池分別裝有軸承油位信號器可供運行人員監(jiān)視供水及油位情況。本機冷卻水進水溫度最高不超過28℃。

4 溫度標準

機組在額定負載下，各部分軸承的溫度不超過：

(1)推力軸承：80℃；

(2)上下導軸承：75℃。

機組在規(guī)定的使用條件及額定負載下，各部分繞組及集電環(huán)的最高溫度不超過表1規(guī)定：

表1 繞組及集電環(huán)允許的最高溫度

5 電機的啟動、使用和維護

5.1 電機的啟動

(1)啟動前，詳細檢查各部分特別是轉動部分緊固件是否固牢，各軸承狀況是否良好，上下油池的油面高度是否符合規(guī)定，測溫元件是否裝好，空氣冷卻器、油水管路、制動器管路是否暢通。

(2)啟動前，上下機架油池的油溫不得低于10℃，但不得高于40℃，并須頂起發(fā)電機轉子幫助推力軸承形成油膜。

(3)啟動后，將轉速逐漸升至額定轉速的50%，維持5min～10min，觀察有無摩擦或撞擊聲，若一切正常，可逐漸升至額定轉速。

(4)啟動后，注意各軸瓦溫度上升速度是否均勻一致，如果某塊瓦溫度急劇上升，雖然未達到最大值，也必須立即停機查明發(fā)熱原因并進行適當處理。

(5)在GB/T 7894-2009《水輪發(fā)電機基本技術條件》規(guī)定的額定工況運行下，下列部位允許的擺度值或雙幅振動量不大于：

①集電環(huán)：0.20mm

②上機架：0.06mm

③定子：0.03mm

④主軸法蘭：0.05mm

5.2 使用、維護

(1)在下列情況下，機組不允許啟動：

①冷卻水管堵塞或冷卻水停止；

②測溫裝置產生故障；

③制動器及其管路產生故障；

④軸承潤滑油溫度低于10℃，高于40℃；

⑤集電環(huán)表面燒損未經處理。

(2)運行中，有下列情況之一者應停機檢查：

①突然撞擊聲，或擺度、振動增大；

②軸承溫度突然上升或油面不正常升高或降低；

③冷卻水停止。

(3)機組不得超銘牌額定出力運行。

(4)機組產生飛逸后，不論飛逸時間長短，均應停機進行全面檢查。

(5)本機推力軸承、上下導軸承潤滑油牌號可采用L-TSA46透平油。

①各軸承每運行1500h應過濾和補充潤滑油一次，每運行半年左右應更換新油；

②長時間停機再啟動時，應頂起發(fā)電機轉子幫助推力軸承形成油膜，轉子頂起的高度不超過15mm；

③機組運行中，油池油面可能因漏油而下降，或因冷卻器漏水而增高，因此，軸承油位信號器的油面應整定至比正常油面低10mm時發(fā)出警報信號，降至30mm時發(fā)出停機信號；

④推力軸承和導軸承的信號溫度計應整定在超過規(guī)定溫度5℃時發(fā)出警報信號，超過10℃時發(fā)出停機信號，并應根據一年中的季節(jié)變化進行相應調整。

(6)機組運行中，如發(fā)生轉子兩點接地，應立即找出原因予以消除，以防磁拉力不平衡造成嚴重事故。

(7)定轉子繞組粘附油污時，應用四氯化碳、甲苯或二甲苯拭凈。如因擦試引起表面漆層脫落時，應按圖紙規(guī)定重新噴涂復蓋漆。

①機組不允許在低速下長時間運行，停機時，應在轉速降至額定轉速的30%左右加以制動；

②機組檢修時頂起轉子并鎖定制動器，以防因水機導水機構漏水轉動機組釀成人傷事故；

③定期檢查油冷卻器和空氣冷卻器有無漏水并定期清除水管內的積垢，清掃后，試水壓0.6MPa，60min不得漏水。

(8)碳刷與集電環(huán)應接觸良好，接觸面積不得小于碳刷面積的80%，更換碳刷時應配磨碳刷與集電環(huán)接觸面。

(9)定期測量機組的振動和軸的擺度以及導軸承間隙，若振動量顯著增大，應在空轉、空載額定電壓及滿載三種情況下分別測量，以便找出原因消除故障，保證機組平滑運行。

6 增效擴容效果

河北省桃林口水電廠增效擴容改造和青龍河生態(tài)修復工程于2016年12月1日開工，2019年8月6日完工，2019年12月10日通過省水利廳組織的竣工驗收。改造后總裝機容量由20320kW增容至22400kW，消除了原有缺陷，提高了電站安全系數和效率，1#、2#水輪機的效率分別為92.66%和93.84%(改造前機組的綜合效率只有66.6%)，在46m實際水頭(額定水頭45m)、流量52.27m3/s的情況下，2臺大機組合計出力24130kW，超過裝機容量22000kW的設計指標，按發(fā)電量計增效擴容能力達到21.2%，滿足“按發(fā)電量計算的增效擴容潛力需達到20%以上”的驗收指標，符合財政部、水利部關于印發(fā)《“十三五”農村水電增效擴容改造績效管理辦法》的通知(財建〔2019〕14號)要求。

7 結論

桃林口電廠，大庫小機組，多年調節(jié)，經濟指標優(yōu)良；過機水質好，無泥沙磨損問題，機組運行環(huán)境優(yōu)良。2019年8月中水北方勘測設計研究有限責任公司對桃林口水電廠增效擴容改造工程的增效擴容能力進行了測試，結論為：通過機組效率試驗，增效擴容改造工程實施后，水輪機組達到了設計的目標值，為SF11-20/3250立式水輪發(fā)電機的應用提供了準確的數據，為發(fā)電機組的經濟運行奠定了堅實的基礎，為水電廠節(jié)能降耗提供了科學的依據。