翠江水電站燈泡貫流式水輪發電機組增效擴容改造關鍵技術

首丙香，魏祥發

(翠江水電站，湖南 郴州 423000)

1 概 述

翠江水電站位于耒水中游的湖南省郴州市蘇仙區五里牌鎮，電站裝設3臺單機容量為93 00 kW的燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量27 900 kW，設計水頭7.94 m，單機引用流量136 m3/s，設計年發電量1.012億kW·h；壩址控制流域面積5 992 km2，總庫容1 560萬m3。電站首臺機于1991年試機運行，1993年3臺機全部投產投入運行。

2 存在的主要問題

由于電站機組原設計為國內首次消化借鑒奧地利進口的馬跡塘電站燈泡貫流式機組，造成原機組選型不合理；加之當時國內主機廠生產貫流式機組經驗不足，導致最高效率和設計點效率均低于技術協議書要求。同時，由于制造廠家材料選型不當、加工工藝不足，導致3臺機組存在嚴重設備缺陷，水輪機及轉輪室磨損、氣蝕嚴重，機組效率極低，高負荷時振動大，經常性燒瓦；發電機溫升高，導葉拐臂軸套滲水嚴重；轉輪室伸縮節漏水嚴重；導致維護成本高，影響電站安全穩定運行。

3 增效擴容改造的目標

此次增效擴容改造的目標是：提升機組的效率及安全可靠性，單機容量提升至10 000 kW，充分發揮電站的綜合效益。認真分析原機組效率低、出力不足、運行振動大的各種成因，咨詢國內制造廠、設計院等相關專家，并到國內類似水電廠進行調研，總結電站多年來的運行及局部改造的經驗，制定出了除管形座等預埋件不動外的徹底更新改造3臺套發電機、水輪機的增效擴容改造方案；重點要解決提高水輪機效率，解決機組運行振動大經常性燒瓦、降低發電溫升，解決轉輪室伸縮節漏水等關鍵性技術難題。

4 水輪機更新改造

電站原水輪機型號為GZ(FO2)—WP—410，3臺水輪發電機組到改造前已投入運行20多年。由于水輪機效率較低，設備運行時間較長，水輪機運行振動大，氣蝕十分嚴重；轉輪體及轉輪室氣蝕深度現已達母材的3/4，現每年都要進行補焊處理，但效果不理想，嚴重危及安全運行。同時，由于槳葉密封為“λ”型，且機組振動大，密封經常性損壞漏油，造成水環境污染及經濟損失。另外，導水機構發卡，正常運行時剪斷銷經常成批量剪斷。

結合電站水力參數，進行了優化選型和結構方案的優化設計，綜合考慮水輪機的空化性能、軸面流速、效率等各方面的因素，選取高效率轉輪。此次改造選用轉輪型號為GZTF07B，該轉輪是引進國外先進的4葉片燈泡貫流式模型轉輪，已經在哈電的試驗臺上完成模型試驗，且已經在20多座電站得到應用；轉輪公稱直徑4.15 m，輪轂比0.38，4只葉片，詳見表1。葉片可根據水頭及負荷通過調速器自動調整并與導葉協聯，以保證在各種工況下均具有最佳效率。

表1 水輪機改造前、后基本參數對比表

轉輪體材料為ZG20Mn，在葉片轉角范圍內呈球形。槳葉端部活動范圍內的輪轂表面堆焊5 mm厚的不銹鋼層，以此減少氣蝕。葉片材料為ZG06Cr13Ni4Mo，與樞軸鑄成一體，4葉片結構，葉片與轉臂用圓柱銷傳遞扭矩。為防止轉輪體內部的壓力油滲出流道及外面的水滲入轉輪體內，在葉片法蘭外圓處設有V形、X形組合密封，可有效的保證不漏油、不滲水。

為配合新轉輪、新水力設計，采取對整個導水機構進行更新改造。優化導葉型線，使同工況下機組過流量增加，為機組增容提供保證。導葉上、下軸套均采用聚甲醛鋼背復合材料，軸頸處設置切實可靠的導葉軸頸密封，導軸承、連桿軸承及控制環軸承材料均采用進口均質非金屬自潤滑耐磨材料。導水傳動機構采用折疊連桿結構，由導葉臂、彈簧連桿組成，它與控制環、導葉組成1個空間運動系統；當導葉間有雜物卡住不能關閉時，在導水機構傳動件發生過負荷的情況下，彈簧連桿折彎并由信號器自動發出信號，此信號將驅動導葉打開，把卡入的異物排到下游去；同時彈簧連桿將導葉復位到正常狀態，很好地解決了原導水機構運行中經常性出現的剪斷銷成批量剪斷問題。

5 發電機更新改造

原來3臺發電機經多年運行，絕緣已老化，極易受潮。另外，由于廠家當時選用國產硅鋼片，損耗大，導致發電機溫升高，無法在額定工況下運行，轉子支架嚴重開裂，目前采取臨時加固處理。線圈絕緣水平顯著降低，不能滿足規范及試驗要求，因此必須對發電機進行改造，詳見表2。

表2 發電機改造前、后參數對比表

重新進行發電機電磁計算，改變定子結構及冷卻系統，定子外形尺寸為φ4 800×2 855 mm。定子鐵心采用50W270型硅鋼片，采用扇形片交錯疊壓并借助于42根定位筋與機座固定。定子繞組為疊繞組，主絕緣采用F級桐馬粉云母帶，防暈層直線部分為低阻，端部為高阻半導體玻璃布帶，主絕緣和防暈層一次熱壓固化成型。

為解決發電機溫升問題，冷卻系統采用強迫冷卻通風方式輔以定子鐵心貼壁結構通過定子外殼與河水散熱；強迫冷卻為軸向密閉循環通風；風路冷卻系統由風機、空氣冷卻器、擋風板、定子、轉子等共同組成密閉循環系統?？諝饫鋮s器水系統采用外循環方式，為節約資金，沿用了原來冷卻水系統，即機組空氣冷卻器、循環冷卻水池、加壓水泵及管路；補水深井補水至冷卻水池，這樣既保證了補充水流帶走熱量，又保證了水質清潔。定子鐵心貼壁結構包括發電機組定子鐵心和定子機座，在定子機座和定子鐵心接觸段噴有0.20～0.30 mm的金屬鋁層，利用金屬鋁材質較軟的特點使鐵心在熱膨脹時與機座壁充分貼緊；解決了傳統結構直接用機座壁散熱且散熱間隙難以控制的問題。不僅保證定子機座壁的良好散熱性能，還可避免機組在運行過程中因間隙造成定子鐵心松動而損壞線圈絕緣給機組帶來的不安全隱患。

6 伸縮節及基礎環改造

原來伸縮節由于密封結構不合理，且機組大開度運行時振動大，導致伸縮節漏水相當大。為解決伸縮節漏水問題，同時解決新轉輪室、伸縮節與基礎環配合問題，決定對基礎環進行改造。具體實施是在原基礎環前增設1個過渡環板，現場測量與轉輪室、伸縮節配合設計，過渡環板與基礎環采用現場焊接調整，確保了新設備與原預埋件精確過渡。

伸縮節采用L型結構，與轉輪室之間通過連接螺栓相連?；A環設置在伸縮節的下端，與伸縮節之間相互緊貼。在伸縮節的下端開設有雙道密封槽，采用O形密封。

改造后在導葉大開度、機組大負荷運行等各種工況下，轉輪室振動值小于規范要求，伸縮節無漏水。

7 機組軸承系統的改造

根據電站原來機組水導彈性金屬塑料瓦改造的成功經驗，此次改造將機組的水導、發導、正推、反推瓦全部采用彈性金屬塑料軸承。發電機設有正、反推力軸承和徑向導軸承的組合軸承，裝在同一軸承座內，設在轉子下游側。水輪機導軸承內徑φ658 mm，瓦長398 mm，固定于內配水環上，采用扇形薄壁自位支撐。由于塑料瓦摩擦系數小，這使得彈性金屬塑料瓦的機組起動變得容易，縮短了機組啟動的時間，減少了耗水。彈性金屬塑料瓦有一層青銅絲彈性層，具有一定彈性，受壓時能自動改善瓦面的壓力分布，自調性能好，承載能力強，其平均單位壓力比合金瓦大，具有一定的減振性能，為機組的大負荷運行提供了可靠保證，合理地解決了傳統鈀氏合金瓦需要研刮、運行中對油質要求高、極易燒瓦的問題。

改造后彈性金屬塑料瓦運行的瓦溫比原來合金瓦低5～8 ℃。

8 改造后運行情況

機組增效擴容完成后，從發電機組帶負荷情況表明，在相同水頭情況下，單機出力比原來改造前機組增加2 000 kW以上，增幅超21%；三機聯合運行比原機組增加出力達23%，超出設計要求。機組振動及噪音比原機組運行時明顯減小，詳見表3。

表3 增效擴容后機組負荷、溫度、振動對比表

9 結 語

翠江水電站增效擴容改造通過對整機進行更新改造，同時采用具有專利技術的部件，采用先進制造、安裝工藝，增效擴容改造取得預期效果，為同類型電站改造提供了可借鑒的經驗。