3#、4#機(jī)組發(fā)電機(jī)增容改造的實(shí)施與應(yīng)用分析

郎玉波 羅晟 羅冠榮

摘要：水輪發(fā)電機(jī)組的增容擴(kuò)容改造，是對(duì)原有機(jī)組運(yùn)行潛力的再開(kāi)發(fā)，有利于提高企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效益，特別是江河流域的梯級(jí)開(kāi)發(fā)利用，給水電的增容擴(kuò)容提供空間。孟洲壩電廠現(xiàn)有的水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行多年，設(shè)備老化，嚴(yán)重影響電廠水能利用率。通過(guò)增效擴(kuò)容改造，一方面優(yōu)化設(shè)備性能，提高機(jī)組效率，確保機(jī)組運(yùn)行安全可靠，另一方面提高了自動(dòng)化運(yùn)行水平和技術(shù)管理水平，運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性大幅度提升，可增加發(fā)電效益，提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī);增效擴(kuò)容;改造

1、工程概況

孟洲壩發(fā)電廠是北江干流上的第一個(gè)梯級(jí)，距韶關(guān)市區(qū)12KM。電廠最大水頭8.0m，設(shè)計(jì)水頭5.3m，正常水位52.5m。孟洲壩發(fā)電廠安裝4臺(tái)燈泡貫流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組參數(shù)如表1.

表1 ?孟洲壩發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組型號(hào)

機(jī)組編號(hào)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)型號(hào)額定出力Pr（MW）型號(hào)額定出力Nr（MW）1#，2#GZTF08-WP-58013.5SFWG13-72/6430133#，4#GZTF08-WP-58011.4SFWG11-72/643011

孟洲壩電廠近15年平均年發(fā)電量1.5億kw·h，年利用小時(shí)3800h～4100h，年棄水天數(shù)約60天。

2、目前存在的問(wèn)題

2.1、上游蓄水位提高，機(jī)組出力未增加，機(jī)組導(dǎo)葉長(zhǎng)期在偏離最優(yōu)工況下運(yùn)行

2001年之前，機(jī)組多數(shù)在原設(shè)計(jì)的額定水頭5.3m下運(yùn)行，當(dāng)1#、2#機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度為90%時(shí)，可達(dá)到額定出力13MW;當(dāng)3#、4#機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度為81%時(shí)，可達(dá)到額定出力11MW。因韶關(guān)市區(qū)景觀要求，在滿足防洪條件情況下，電廠運(yùn)行水頭多為7.5米至7.8米。在水頭為7.5米，當(dāng)1#、2#機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度為75%至80%時(shí)，即可達(dá)到額定出力13MW;3#、4#機(jī)組當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度為65%至70%時(shí)，即可達(dá)到額定出力11MW。

2.2、電站入庫(kù)流量增大，機(jī)組無(wú)法在設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行，造成棄水量增加

近年來(lái)，武江上游的樂(lè)昌峽水利樞紐工程、湞江上游的灣頭水利樞紐均已建成投產(chǎn)，入庫(kù)流量比電廠設(shè)計(jì)時(shí)的調(diào)節(jié)能力大為增強(qiáng)。水庫(kù)入庫(kù)流量為1100 m3/s 至1200 m3/s，而4臺(tái)機(jī)組的額定總流量為880 m3/s。全年棄水天數(shù)約50天。入庫(kù)流量超過(guò)機(jī)組引用流量，已超出了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)區(qū)的范圍，造成了較大的水資源浪費(fèi)。

3、水輪發(fā)電機(jī)組增效擴(kuò)容改造方案

3.1.改造的總體思路

3.1.1 增大3#、4#機(jī)組發(fā)電機(jī)容量，提高電站總的發(fā)電量

孟洲壩發(fā)電廠4臺(tái)機(jī)組的水輪機(jī)參數(shù)完全一致，而1#、2#發(fā)電機(jī)出力比3#、4#發(fā)電機(jī)多2MW，因此擬定增加3#、4#發(fā)電機(jī)容量至12MW。

3.1.2 改進(jìn)水輪機(jī)運(yùn)行工況，減小氣蝕和振動(dòng)對(duì)機(jī)組的破壞，提高機(jī)組的年利用小時(shí)數(shù)

因電廠上游水庫(kù)水位增加，機(jī)組運(yùn)行水頭增加，原設(shè)計(jì)水頭為5.3m，現(xiàn)機(jī)組常在7.5m至7.8m水頭下運(yùn)行。當(dāng)水頭為7.5米，3#、4#機(jī)組當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度為65%至70%時(shí)，即可達(dá)到額定出力11MW。隨我廠水輪機(jī)為燈泡貫流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，導(dǎo)葉和槳葉具有協(xié)聯(lián)特性，但當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉開(kāi)度低于70%，水輪機(jī)中水流特性與最優(yōu)特性偏差較大，產(chǎn)生的機(jī)組振動(dòng)和噪音也較大，由此帶來(lái)的機(jī)組故障率也較高，勢(shì)必會(huì)增加機(jī)組維修時(shí)間，降低年利用小時(shí)數(shù)。

因此通過(guò)增大導(dǎo)葉開(kāi)度，提高水輪機(jī)效率，擴(kuò)大機(jī)組容量，增加機(jī)組的年利用小時(shí)數(shù)。

3.2 改造的具體方案

3.2.1水輪機(jī)

水輪機(jī)轉(zhuǎn)速不變，出力的提高利用增加運(yùn)行中槳葉的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)。比照1#、2#機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，為防止脫流空蝕引起的轉(zhuǎn)輪室球面部分前倉(cāng)氣蝕比較嚴(yán)重的特點(diǎn)，在主體結(jié)構(gòu)不變的情況下，將3#、4#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室打磨優(yōu)化，并對(duì)伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，克服原機(jī)組在伸縮節(jié)位置經(jīng)常出現(xiàn)的滲、漏水缺陷。

3.2.2發(fā)電機(jī)

重新進(jìn)行電磁計(jì)算，在僅更換定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組，不改變機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸的條件下，滿足容量由11MW增加到12MW。

3.2.2.1原條式波繞組的絕緣結(jié)構(gòu)在目前的技術(shù)條件下，能夠通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高槽滿率，加大額定電流。

3.2.2.2原條式線圈端部采用并頭套灌錫焊接的工藝，現(xiàn)在普遍采用并頭板銀銅焊結(jié)構(gòu)，使定子繞組的整體耐熱等級(jí)趨于一致，更容易保證機(jī)組安全運(yùn)行。

3.2.2.3原定子通風(fēng)結(jié)構(gòu)不需要做改動(dòng)，即可滿足機(jī)組溫升不高于65℃的要求（電磁計(jì)算方案計(jì)算成果顯示溫升為59℃?，F(xiàn)在我們公司新設(shè)計(jì)制造的同類型機(jī)組計(jì)算溫升一般都取70℃。

3.3變壓器

3.3.1主變壓器

電廠采用兩機(jī)一變方案，原3#、4#機(jī)組共用一臺(tái)容量為25MAV的變壓器，增容后需要將變壓器相應(yīng)增容至31.5MAV。

3.3.2勵(lì)磁變壓器

原3#、4#機(jī)組發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁變壓器容量為340KAV，機(jī)組增容后，勵(lì)磁功率超出了其容量允許使用范圍內(nèi)，因此，勵(lì)磁變壓器容量需增加到500KAV。

3.4發(fā)電機(jī)電磁方案和實(shí)施工藝

3.4.1 改造前后發(fā)電機(jī)參數(shù)對(duì)照表

3#、4#機(jī)組發(fā)電機(jī)由SFWG11-72/6430增容改造為SFWG13-72/6430。

項(xiàng)目原發(fā)電機(jī)基本參數(shù)改造后發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)型號(hào)SFWG11-72/6430SFWG13-72/6430額定容量11MW/12.22MVA12MW/14.44MVA額定電壓6300V6300V額定電流977.5A1323.7A額定功率因數(shù)0.9（滯后）0.9（滯后）額定頻率50Hz50Hz額定轉(zhuǎn)速83.3r/min83.3r/min額定勵(lì)磁電壓156（174）V220V額定勵(lì)磁電流744（830）A617A絕緣等級(jí)F/FF/F定子支路數(shù)11接線方式Y(jié)Y3.4.2 改造后發(fā)電機(jī)的電磁參數(shù)表

電負(fù)荷AS529.2A/cm熱負(fù)荷ASxJa1651氣隙磁密Bg7058GS定子齒磁密Bz1/315495GS定子軛部磁密Ba8025GS極身磁密BM1036GS直軸同步電抗Xd1.094直軸瞬變電抗Xd'0.431直軸超瞬變電抗Xd''0.321橫軸同步電抗Xq0.79橫軸瞬變電抗Xq'0.79橫軸超瞬變電抗Xq`'0.336短路比OKZ1.095效率eff96.7%額定勵(lì)磁電壓Ue220V額定勵(lì)磁電流Ie617A定子溫升θcu159℃轉(zhuǎn)子溫升θcu259℃3.4.3 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)改造方案

針對(duì)原有機(jī)組的特點(diǎn)和安裝局限位置，增容改造遵循：不改動(dòng)原有的大部件的裝配關(guān)系和外形尺寸，僅對(duì)電機(jī)的磁路和電路進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)增容目的的原則。

3.4.3.1定子

1）定子在拆出定子繞組后，檢查定子鐵心的直徑和圓度，并對(duì)鐵心進(jìn)行清污處理。

2）新制定子條式線圈，采用雙滌綸玻璃絲包扁銅線編制、整體F級(jí)絕緣，對(duì)地絕緣和防暈層采用全模壓一次成型工藝。

3）定子接線方式仍為單支路，Y型接線。

4）發(fā)電機(jī)主引出線和中性點(diǎn)引出線電纜為300平方電纜。

5）中性點(diǎn)電流互感器的電流變比改為1500/5A。

3.4.3.2轉(zhuǎn)子

更換磁極線圈，磁極鐵心清理回用。

4、型式和說(shuō)明

4.1機(jī)組結(jié)構(gòu)型式

1）型式：燈泡貫流式三相交流同步發(fā)電機(jī)。

2）布置方式：水平方式。

3）旋轉(zhuǎn)方向：順?biāo)鞣较蛞暈轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)。

4）冷卻方式：有空氣冷卻器的密閉循環(huán)強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻。

5）主軸支撐方式：兩支點(diǎn)雙懸臂結(jié)構(gòu)，即在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下游側(cè)設(shè)置一個(gè)推力和徑向組合軸承，和水輪機(jī)徑向軸承構(gòu)成兩支點(diǎn)主軸支撐方式。

6）所有絕緣材料應(yīng)采用阻燃型絕緣材料，阻燃特性符合IEC要求。

4結(jié)構(gòu)

（1）一般要求

a）發(fā)電機(jī)定子保留原機(jī)座，更換繞組和測(cè)溫電阻。下游側(cè)與座環(huán)用法蘭連接方式不變，上游側(cè)與中間環(huán)連接方式不變，定子繞組出線在泡體內(nèi)與原主引線相連接。

b）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子保留轉(zhuǎn)子磁軛支架和磁極鐵心，更換磁極線圈和引線。轉(zhuǎn)子支架按要求進(jìn)行圓度和探傷檢查。

c）定子線棒滿足可在不拆卸燈泡殼體的情況下進(jìn)行更換的條件。轉(zhuǎn)子磁極滿足可在不吊出轉(zhuǎn)子的情況下拆裝和更換的條件。

（2）定子

a）定子包括定子機(jī)座、鐵芯和繞組等主要部件，定子機(jī)座采用貼壁結(jié)構(gòu)。定子在電廠廠房?jī)?nèi)重新嵌線。

b）定子鐵心在嵌線前需進(jìn)行尺寸和緊度、鐵損試驗(yàn)檢查。

c）定子繞組采用星形連接。繞組絕緣符合IEC34-1中規(guī)定的F級(jí)絕緣要求。絕緣材料為桐馬環(huán)氧粉云母帶。槽楔由不產(chǎn)生收縮的材料制成，槽楔的設(shè)計(jì)保證在運(yùn)行中不產(chǎn)生松動(dòng)。

d）主引出線和中性點(diǎn)引出線的絕緣均按線電壓設(shè)計(jì)。

e）繞組具有良好的防電暈和耐電腐蝕能力，在槽部、端部等部位采取防暈措施。

f）定子繞組導(dǎo)體材料為退火銅，其導(dǎo)電性能符合標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有裂片、裂紋、粗糙的斑點(diǎn)或尖角。

g）定子線棒直線部分采用360o羅貝爾換位方式，以減少損耗降低線圈股間溫差。定子線棒具有互換性。

h）繞組絕緣和線棒具有良好的電氣性能、機(jī)械性能、抗老化性能和具有不燃或難燃特性，難燃特性符合IEC標(biāo)準(zhǔn)要求。

i）線棒在槽內(nèi)與鐵芯之間緊密無(wú)間隙。

j）繞組各部分牢固支持和固定，在任何情況下均不產(chǎn)生松動(dòng)、位移和變形。

k）定子端箍采用非磁性材料制造。

m）繞組接頭采用銀銅焊接，接頭絕緣與線棒至絕緣的搭接長(zhǎng)度符合有關(guān)規(guī)定的要求。線圈端部有牢靠的支撐和固定，以防止最嚴(yán)重短路情況下所產(chǎn)生的應(yīng)力引起的振動(dòng)和變形。

（3）轉(zhuǎn)子

a）轉(zhuǎn)子支架按能安全承受最大飛逸轉(zhuǎn)速5min而不產(chǎn)生任何有害變形及接頭開(kāi)焊等情況（轉(zhuǎn)子材料的計(jì)算應(yīng)力不超過(guò)屈服應(yīng)力的2/3）進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核。保證支架圓度滿足定、轉(zhuǎn)子之間氣隙均勻，保證運(yùn)行的安全性穩(wěn)定性和可靠性。

b）磁極繞組采用符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的F級(jí)絕緣，由銅排繞制而成。磁極線圈、絕緣托板采用整體一次熱壓成型防潮性能優(yōu)良的工藝制造。線圈間的極間連接應(yīng)非?？煽?，并便于檢修拆卸。磁極線圈表面應(yīng)涂上阻燃涂料。

c）磁極鐵芯拆出后檢查縱橫阻尼繞阻安裝的牢固性，排除由于振動(dòng)、熱位移和熱應(yīng)力及在最大飛逸轉(zhuǎn)速下造成機(jī)械故障。阻尼繞組具有承受短路電流和不平衡電流的能力。阻尼條與阻尼環(huán)的連接采用銀焊，阻尼繞組間采用新型柔性連接片，防止因振動(dòng)和熱位移而引起故障。

5、輔助設(shè)備

輔助設(shè)備的改造基本上是更換新型的自動(dòng)化設(shè)備，如調(diào)速器更換為可編程雙調(diào)節(jié)調(diào)速器;油氣水等系統(tǒng)采用改造與更新的方法處理;電站通風(fēng)系統(tǒng)的改造，則以更換所有的軸流風(fēng)機(jī)，并根據(jù)廠房的實(shí)際情況，增加對(duì)流裝置。

6、結(jié)論

通過(guò)對(duì)水輪機(jī)的改造，將原水輪機(jī)的效率由88%左右，提高到91%。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的改造和增容，將降低發(fā)電機(jī)的功率損失，提高發(fā)電機(jī)的效率3%以上。通過(guò)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組、水力機(jī)械、電氣設(shè)備等的改造，提高了水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的效率，降低了損耗，擴(kuò)容改造后每年可多發(fā)電量2867萬(wàn)kwh，達(dá)到了節(jié)能增效的效果。

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