解析跋山水庫電站水輪發(fā)電機組增效擴容改造論文
1 工程概況
跋山水庫位于淮河流域沂河干流中上游，山東省沂水縣城西北15km 大伴城村北，沂河與支流暖陽(yáng)河的匯流處，是1座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、養殖等功能的大型水庫。水庫控制流域面積1 782km2，現狀總庫容5.28億m3。壩后電站總裝機容量5 000kW，位于放水洞下游，主要工程包括壓力管道、廠(chǎng)房、泄水閘、尾水渠、升壓站、開(kāi)關(guān)站、油庫、水泵房、機修車(chē)間等。電站設計年發(fā)電量1 300萬(wàn)kW·h，多年平均發(fā)電量810萬(wàn)kW·h，年最高發(fā)電量1 760萬(wàn)kW·h。跋山水電站建于20世紀70年代，水輪機為HL123—LJ—120型混流式，性能落后，已列入小型水電站機電設備應淘汰的產(chǎn)品目錄中;發(fā)電機為T(mén)SL—260/40—24型立式，出口電壓為3.15kV，效率低，B級絕緣，絕緣等級低。機組經(jīng)近40a運行，轉輪氣蝕嚴重，水輪機出力下降，發(fā)電機絕緣老化嚴重，其綜合效率已非常低下，超過(guò)報廢年限，生產(chǎn)運行存在很大的安全隱患。輔助設備已經(jīng)嚴重老化，管路銹蝕，閥門(mén)不能正常關(guān)閉，已難以滿(mǎn)足機組運行需要。
2 水輪機改造
水庫興利水位178.00m，電站正常尾水位152.31m，設計水頭21.00m，最大水頭24.30m，最小水頭12.00m。水輪機葉輪型式為混流式，型號為HL3689—LJ—1200，共4臺;其設計水頭Hr=21m，設計流量Qr=8.72m3/s，葉輪直徑1 200mm，額定轉速n=250r/min，額定效率η≥94.2%，額定出力1 600kW。氣蝕性能為在全工況范圍內滿(mǎn)足安全穩定運行要求，旋轉方向與發(fā)電機旋轉方向相同。這次改造增容到單機1 600kW，電壓等級從3.15kV升為6.3kV，水輪機流道不變。采取了更換轉輪、導水機構大修的原則。轉輪采用3689—120轉輪，可達到電站增容目標。各機組在設計水頭、額定轉速及允許吸出高度范圍內，水輪機出力不低于額定出力。在大于額定水頭條件，機組額定出力超過(guò)10%～15%范圍內，水輪機應保證持續安全運行。水輪機能保證機組在75%～100%額定出力范圍內穩定運行。
2.1 效率保證
機組在設計水頭21m，發(fā)出額定出力達到了1 600kW時(shí)，保證了原型水輪機的效率不低于94.2%。
2.2 對轉輪的技術(shù)要求
轉輪采用了抗氣蝕性能及抗磨性能良好，并保證在常溫下具有良好可焊性的不銹鋼材料(精煉ZG06Cr13Ni4Mo)模壓后焊成一體，葉片加工方式采用五坐標數控機床加工，符合《混流泵、軸流泵開(kāi)式葉片驗收技術(shù)條件》(JB/T 5413)中的A級要求。葉片加工后過(guò)流表面光滑，無(wú)裂紋。葉片與轉輪室的間隙均勻，保證葉輪轉動(dòng)靈活，盡量減少容積損失。另外，轉動(dòng)各部應具有足夠強度以承受最大轉速、應力，并具有足夠的剛度和抗疲勞強度，確保轉輪在周期性變動(dòng)荷載下不出現任何裂紋斷裂或有害變形。
2.3 出廠(chǎng)前試驗
水輪機改造完后需進(jìn)行如下實(shí)驗：
(1)材料試驗。水輪機的各主要零部件都應經(jīng)過(guò)工作檢驗，以證明其原材料在加工過(guò)程中無(wú)缺陷。
(2)性能試驗。水輪機在制造廠(chǎng)內應進(jìn)行全性能試驗，以證明其運轉性能、參數符合設計要求，試驗按《小型水輪機現場(chǎng)驗收試驗規程》(GB/T22140—2008)標準進(jìn)行出廠(chǎng)試驗。
(3)試運行實(shí)驗。機組設備安裝完畢，經(jīng)現場(chǎng)安裝試驗，對各附屬系統進(jìn)行單項調試和試運行，在確信各系統設備已經(jīng)安裝調試就緒后，對設備進(jìn)行檢查并完成運行試驗，以確保設備安裝調試就緒，并能安全正常地投入連續運行。
(4)振動(dòng)測量。證明其運轉性能、參數符合設計要求，應按《小型水輪機現場(chǎng)驗收試驗規程》(GB/T 22140—2008)標準進(jìn)行出廠(chǎng)試驗。如葉輪加工完成后，一方面在廠(chǎng)內進(jìn)行了檢查并進(jìn)行機構性能試驗，提交檢查試驗報告;另一方面在制造廠(chǎng)內應按ISO1940—73標準進(jìn)行靜平衡試驗，
3 發(fā)電機改造
跋山水庫電站原發(fā)電機型號為SF1250—24/2600，定、轉子線(xiàn)圈采用為B級絕緣，經(jīng)多年的運行，線(xiàn)圈絕緣有不同程度的老化現象。為產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益，更換原機定轉子線(xiàn)圈，增容到1 600kW;改變原有出線(xiàn)電壓升壓到6 300V
3.1 發(fā)電機改造方案
發(fā)電機從1 250kW 增加至1 600kW，定轉子采用F級絕緣，定子增加23%的導線(xiàn)截面積。轉子線(xiàn)規利用增加導線(xiàn)匝數、加勵磁分量、提高出力等來(lái)減小溫升;增容后發(fā)電機運行安全可靠，完全能滿(mǎn)足長(cháng)期安全運行的要求。
3.2 定子線(xiàn)圈技改工藝
技改后導線(xiàn)采用雙玻璃絲扁銅線(xiàn)并繞而成，截面面積比原來(lái)增加23%。主絕緣采用高云母含量和低介損的'優(yōu)質(zhì)F級粉云母帶。匝間和對地絕緣模壓采用二次熱模壓加冷模定型和三次整形的特殊工藝，保證了線(xiàn)圈主絕緣厚度的均勻性和一致性，大大提高了線(xiàn)圈的耐壓水平。同時(shí)，線(xiàn)圈的外形一致性非常好，下線(xiàn)后整齊漂亮，通風(fēng)又好。線(xiàn)圈表面設有高低阻值的半導體防電暈，有效的改善了端部的電場(chǎng)分布。
3.3 定子線(xiàn)圈下線(xiàn)
下線(xiàn)嚴格按圈式線(xiàn)圈下線(xiàn)工藝進(jìn)行。線(xiàn)圈綁扎繩采用目前大電機上采用的滌玻繩材料，它具有綁扎牢固、通風(fēng)好等優(yōu)點(diǎn)。槽內墊條均采用半導體材料。嵌線(xiàn)完畢，按國標新機組規定值進(jìn)行電氣試驗;試驗合格后，按工藝要求整體絕緣處理。最后外表面再?lài)娨粚臃莱�、防霉F級覆蓋漆。
3.4 轉子改造要點(diǎn)
轉子線(xiàn)原為扁銅排繞制而成。線(xiàn)圈根據目前新F級絕緣規范計算，匝數增加了3匝，繞好后的轉子線(xiàn)圈進(jìn)行無(wú)氧退火處理，軟化線(xiàn)圈和消除應力后，再進(jìn)行了冷壓整形→ 去毛→ 清理→ 墊F級匝間絕緣→ 熱壓固化→ 清鏟→ 試驗等工序。轉子線(xiàn)圈與鐵芯裝配前進(jìn)行稱(chēng)重搭配，機身絕緣也更換為F級，并采用了900翻角結構，有效增加了線(xiàn)圈對地爬電距離，避免了機組運行長(cháng)久后內部積灰而造成絕緣電阻下降。磁極掛裝時(shí)，按重量對稱(chēng)布置。斜鍵打緊后，須保證磁極鐵芯與軛面緊貼，絕緣托板與線(xiàn)圈壓緊，以及轉子外圓尺寸符合要求，完工后進(jìn)行轉子線(xiàn)圈對地耐壓試驗和交流阻抗試驗。
3.5 改造后發(fā)電機效果
定子繞組匝數不變，增容后各部磁通密度不變，因此定子鐵芯通過(guò)清理和局部處理試驗后，其溫升不會(huì )超過(guò)原值。
發(fā)電機通過(guò)定、轉子線(xiàn)圈改造后，當出力為1 600kW 時(shí)，定子溫升為49 ℃，轉子溫升為56℃。技改后定、轉子線(xiàn)圈均采用F 級絕緣，按《水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件》(GB 7894—2001)規定，F級絕緣定子允許最高運行溫升為100℃，轉子允許最高運行溫升為100℃。其允許使用溫度比原機組可提高20℃，因此發(fā)電機擴容技改后，其運行溫度將遠遠低于允許最高運行溫度，機組安全運行得到了可靠保證。機械部分增容后，主軸強度，軸承負荷、機座剛度等均能滿(mǎn)足增容要求。
4 結 語(yǔ)
綜上所述，跋山水庫水電站4臺水輪發(fā)電機單機從1 250kW 增容到1 600kW 后，年發(fā)電量平均增加25%，達到了增效擴容的理想效果。
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