虎牙電站技術(shù)供水系統(tǒng)水泵電機(jī)改造措施

廖啟智

（會(huì)澤縣川渝水電開發(fā)有限公司，云南 曲靖 654200）

1 概述

涪江上游虎牙河梯級(jí)一級(jí)虎牙水電站位于四川省綿陽市平武縣境內(nèi)，壩址位于虎牙河與白洞溝匯合口下游30 m處，壩址以上集水面積363.0 km2，多年平均入庫徑流量3.47億m3，水庫正常蓄水位1 860.0 m，總庫容30萬m3。電站共裝設(shè)2臺(tái)24 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，多年平均發(fā)電量22 632萬kW·h，年利用小時(shí)數(shù)為4 715 h。

虎牙水電站技術(shù)供水系統(tǒng)采用單元供水方式，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置一個(gè)供水單元，每個(gè)供水單元包括2臺(tái)立式離心水泵、2臺(tái)電動(dòng)機(jī)、冷卻器、閥門、管路及附件組成。

2 技術(shù)供水系統(tǒng)組成及原理

2.1 用水設(shè)備

虎牙電站技術(shù)供水系統(tǒng)的用水設(shè)備包括：發(fā)電機(jī)上、下導(dǎo)軸承冷卻器，發(fā)電機(jī)空氣冷卻器，水導(dǎo)軸承冷卻器。系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。

表1 主要設(shè)備參數(shù)

表2 更換葉輪參數(shù)對(duì)照

2.2 水源及供水方式

虎牙電站技術(shù)供水系統(tǒng)技術(shù)供水系統(tǒng)為內(nèi)循環(huán)式，故冷卻水水源為2臺(tái)機(jī)組共用一個(gè)蓄水池（容積55 m3），每臺(tái)機(jī)組各有2臺(tái)水泵（互為備用），這種供水方式運(yùn)行靈活，可靠性高，便于自動(dòng)控制。系統(tǒng)運(yùn)行路線為：蓄水池→水泵→管路→尾水冷卻器→機(jī)組冷卻器→管路→蓄水池[1]。

3 技術(shù)供水系統(tǒng)存在的問題

虎牙電站2020年正式投入運(yùn)行，經(jīng)過近3年時(shí)間的運(yùn)行，技術(shù)供水系統(tǒng)運(yùn)行主要問題為：

（1）技術(shù)供水泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行發(fā)熱嚴(yán)重，電機(jī)外殼溫度超過75 ℃。

（2）截止2023年4月，技術(shù)供水泵4臺(tái)電機(jī)軸承已損壞超過15次，電機(jī)繞組短路燒毀已超過6次，主要現(xiàn)象見圖1、圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)子掃膛、繞組短路燒毀

圖2 軸承抱死損壞

技術(shù)供水系統(tǒng)主要作用是對(duì)電站運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)、軸承等設(shè)備進(jìn)行冷卻，其核心工作就是為機(jī)組設(shè)備提供充足的冷卻水水源。在技術(shù)供水系統(tǒng)中最重要的設(shè)備就是水泵、電機(jī)和輸水管，其中又以水泵、電機(jī)最為重要，它們?yōu)槔鋮s水提供了動(dòng)力支持，故必須保證技術(shù)供水泵和電機(jī)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。尤其是豐水期，2臺(tái)機(jī)組均滿負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)若技術(shù)供述系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，則機(jī)組只能被迫停機(jī)，1 d將損失50余萬kW·h電量。

4 故障分析

4.1 運(yùn)行溫度過高的主要原因

（1）選型方面：選用的水泵參數(shù)嚴(yán)重偏離工況，如揚(yáng)程選用過大，而實(shí)際 運(yùn)行揚(yáng)程較小，此時(shí)會(huì)使水泵運(yùn)行流量遠(yuǎn)超額定流量，導(dǎo)致電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行；選用的電機(jī)動(dòng)力不匹配，電機(jī)長期處于過負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，使電機(jī)運(yùn)行溫度過高。

（2）電動(dòng)機(jī)方面：定子繞組有相間短路、匝間短路或局部接地,輕時(shí)電動(dòng)機(jī)局部過熱,嚴(yán)重時(shí)絕緣燒壞；軸承損壞造成電機(jī)運(yùn)行過載故障引起溫度過高。

（3）電源方面：若電源電壓超過10%的額定電壓或低于 5%的額定電壓時(shí)，會(huì)造成電機(jī)運(yùn)行溫度過高；電源三相電壓不平衡，會(huì)引起電機(jī)溫度過高。

（4）工作環(huán)境方面：若電機(jī)受潮或有油污附著在繞組上面，會(huì)導(dǎo)致絕緣性能降低，從而導(dǎo)致繞組短路。

4.2 分析計(jì)算

（1）根據(jù)表1可知，1 臺(tái)機(jī)組總冷卻水量為219.2 m3/h；現(xiàn)場經(jīng)壓力表觀察，1號(hào)機(jī)組1號(hào)、2號(hào)水泵出口壓力分別為0.36 MPa、0.39 MPa；2號(hào)機(jī)組1號(hào)、2號(hào)水泵出口壓力分別為0.36 MPa、0.35 MPa。故判斷選擇揚(yáng)程46 m，流量選擇240 m3/h的水泵基本滿足運(yùn)行要求，但根據(jù)電機(jī)運(yùn)行電流值，有可能揚(yáng)程選擇稍大，造成實(shí)際運(yùn)行流量值偏大，水泵性能曲線見圖3。

圖3 ISGD200-400立式單級(jí)離心泵性能曲線圖

式中：N—水泵軸功率（kW）；Q—水泵額定流量（m3/h）；H—水泵額定揚(yáng)程（m）；g—水泵效率（0.6~0.85）。經(jīng)計(jì)算：水泵效率取0.75時(shí)，軸功率為40 kW。安全系數(shù)取值1.1，電機(jī)選型45 kW滿足計(jì)算要求。

（2）通過搖表測量電機(jī)絕緣值大于0.5 MΩ，滿足要求，故判斷繞組絕緣無問題。由于電機(jī)軸承經(jīng)常更換，通過圖1、圖2的運(yùn)行現(xiàn)象分析，電機(jī)軸承損壞是引起電機(jī)溫度過高的主要原因。

根據(jù)公式I=P/（cosφU）

式中：P—機(jī)額定功率；U—電機(jī)輸入電壓（380 V；cosφ—功率因數(shù)（0.86））計(jì)算，虎牙電站技術(shù)供水系統(tǒng)電機(jī)額定工況下運(yùn)行電流約為79 A；但使用鉗形表測量，實(shí)際運(yùn)行電流均超過80 A，即技術(shù)供水泵電機(jī)長期處于過載狀態(tài)下運(yùn)行。據(jù)現(xiàn)場測量，技術(shù)供水泵電機(jī)運(yùn)行溫度較高，電機(jī)外殼運(yùn)行溫度超過75℃，又進(jìn)一步證實(shí)了電機(jī)處于過載運(yùn)行狀態(tài)。

電機(jī)長期過載運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行溫度過高，高溫環(huán)境導(dǎo)致軸承處潤滑脂融化、 蒸發(fā)，致使電機(jī)軸承潤滑不足，電機(jī)運(yùn)行振動(dòng)加劇，影響水泵平穩(wěn)運(yùn)行[2]。嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致軸承抱死、軸承滾珠變形掉落，甚至因電機(jī)停機(jī)不及時(shí)可造成電機(jī)轉(zhuǎn)子掃膛，繞組燒毀等故障發(fā)生。電機(jī)軸承潤滑不足導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行振動(dòng)超標(biāo)，振動(dòng)過大會(huì)進(jìn)一步加劇軸承的損壞，從而造成惡性循環(huán)，電機(jī)軸承經(jīng)常損壞導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行溫度過高引起電機(jī)繞組絕緣損壞。

（3）經(jīng)檢查，電站內(nèi)廠用電電源滿足使用要求，不存在三相不平衡或過壓問題。

（4）運(yùn)維人員定期對(duì)電機(jī)進(jìn)行清潔、清掃，電機(jī)運(yùn)行環(huán)境滿足要求。

5 故障處理措施

根據(jù)上述故障原因分析，有以下處理方案：

（1）增強(qiáng)軸承潤滑效果。選用SKF 6313-2Z/C3進(jìn)口軸承，并定期向軸承端蓋內(nèi)補(bǔ)充耐高溫軸承專用潤滑鋰基脂，但補(bǔ)充的潤滑脂無法有效進(jìn)入到軸承遮塵蓋內(nèi)的滾珠內(nèi)，效果很差。

（2）更換廠家，重新采購一套水泵。由于原廠家水泵電機(jī)質(zhì)量可能不滿足要求，故討論重新選擇一家優(yōu)質(zhì)水泵制造廠家，但不同廠家設(shè)備的外形尺寸相差很大，水泵出口中心線位置、法蘭間距、基礎(chǔ)螺孔中心距均與原尺寸有很大出入。水泵基礎(chǔ)座需要全部打掉并重新澆筑，管路重新配裝、焊接，另外若更換廠家，水泵電機(jī)功率增加，軟啟動(dòng)器也需重新選型采購，此改造方案的總費(fèi)用約為4.3萬元（1套水泵的費(fèi)用），且改造工作量大，既不經(jīng)濟(jì)也費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

（3）咨詢原水泵廠家。將電站技術(shù)供水系統(tǒng)及相關(guān)運(yùn)行參數(shù)提供水泵原廠家，廠家設(shè)計(jì)人員分析水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為46 m，水泵出口壓力0.35 MPa，揚(yáng)程選型偏大，建議選擇揚(yáng)程為41 m，流量為240 m3/h的水泵，僅需更換水泵葉輪即可實(shí)現(xiàn)，1臺(tái)葉輪3 600元。經(jīng)公司討論后決定，更換1臺(tái)葉輪觀察運(yùn)行效果。

新葉輪安裝完成，運(yùn)行至今，新舊葉輪運(yùn)行參數(shù)對(duì)比見表3。

表3 新舊葉輪運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

通過對(duì)比，水泵更換新葉輪后電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流、溫度都有明顯下降，振動(dòng)幅值在安全運(yùn)行允許范圍內(nèi)。根據(jù)1號(hào)水泵改造經(jīng)驗(yàn)，故將其他3臺(tái)水泵均按此方案進(jìn)行葉輪更換。更換后，運(yùn)行效果見表4。

表4 水泵葉輪更換前后運(yùn)行參數(shù)表

6 結(jié)語

虎牙電站水泵葉輪更換后，由于水泵額定揚(yáng)程降低至 41 m，故雖然水泵出口流量及出口壓力無明顯變化，但根據(jù)水泵性能曲線圖，水泵工況更靠近曲線左側(cè)，故電機(jī)負(fù)載降低，運(yùn)行電流降低，電機(jī)溫度也降低。水泵葉輪更換后，電機(jī)徑向振動(dòng)速度值、運(yùn)行電流值、溫度值均有明顯減小；水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)空冷器及軸承冷卻器進(jìn)出水溫度、發(fā)電機(jī)溫度、導(dǎo)軸承瓦溫、油槽溫度均無明顯變化且滿足規(guī)范及廠家技術(shù)要求，技術(shù)供水系統(tǒng)滿足發(fā)電機(jī)組長期帶額定負(fù)荷運(yùn)行要求。

虎牙電站技術(shù)供水泵的成功改造為同類型電站提供了很好的案例，針對(duì)具體問題充分討論，不拘泥于固定思維模式，既解決了問題又節(jié)約了改造成本，處理效果良好。