解析跋山水庫電站水輪發電機組增效擴容改造論文
解析跋山水庫電站水輪發電機組增效擴容改造論文
1 工程概況
跋山水庫位於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，沂河與支流暖陽河的匯流處，是1座以防洪為主，兼顧灌溉、發電、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。壩後電站總裝機容量5 000kW，位於放水洞下游，主要工程包括壓力管道、廠房、洩水閘、尾水渠、升壓站、開關站、油庫、水泵房、機修車間等。電站設計年發電量1 300萬kW·h，多年平均發電量810萬kW·h，年最高發電量1 760萬kW·h。跋山水電站建於20世紀70年代，水輪機為HL123—LJ—120型混流式，效能落後，已列入小型水電站機電裝置應淘汰的產品目錄中;發電機為TSL—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。機組經近40a執行，轉輪氣蝕嚴重，水輪機出力下降，發電機絕緣老化嚴重，其綜合效率已非常低下，超過報廢年限，生產執行存在很大的安全隱患。輔助裝置已經嚴重老化，管路鏽蝕，閥門不能正常關閉，已難以滿足機組執行需要。
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。氣蝕效能為在全工況範圍內滿足安全穩定執行要求，旋轉方向與發電機旋轉方向相同。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。採取了更換轉輪、導水機構大修的原則。轉輪採用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範圍內，水輪機出力不低於額定出力。在大於額定水頭條件，機組額定出力超過10%～15%範圍內，水輪機應保證持續安全執行。水輪機能保證機組在75%～100%額定出力範圍內穩定執行。
2.1 效率保證
機組在設計水頭21m，發出額定出力達到了1 600kW時，保證了原型水輪機的效率不低於94.2%。
2.2 對轉輪的技術要求
轉輪採用了抗氣蝕效能及抗磨效能良好，並保證在常溫下具有良好可焊性的不鏽鋼材料(精煉ZG06Cr13Ni4Mo)模壓後焊成一體，葉片加工方式採用五座標數控機床加工，符合《混流泵、軸流泵開式葉片驗收技術條件》(JB/T 5413)中的A級要求。葉片加工後過流表面光滑，無裂紋。葉片與轉輪室的間隙均勻，保證葉輪轉動靈活，儘量減少容積損失。另外，轉動各部應具有足夠強度以承受最大轉速、應力，並具有足夠的剛度和抗疲勞強度，確保轉輪在週期性變動荷載下不出現任何裂紋斷裂或有害變形。
2.3 出廠前試驗
水輪機改造完後需進行如下實驗：
(1)材料試驗。水輪機的各主要零部件都應經過工作檢驗，以證明其原材料在加工過程中無缺陷。
(2)效能試驗。水輪機在製造廠內應進行全效能試驗，以證明其運轉效能、引數符合設計要求，試驗按《小型水輪機現場驗收試驗規程》(GB/T22140—2008)標準進行出廠試驗。
(3)試執行實驗。機組裝置安裝完畢，經現場安裝試驗，對各附屬系統進行單項除錯和試執行，在確信各系統裝置已經安裝除錯就緒後，對裝置進行檢查並完成執行試驗，以確保裝置安裝除錯就緒，並能安全正常地投入連續執行。
(4)振動測量。證明其運轉效能、引數符合設計要求，應按《小型水輪機現場驗收試驗規程》(GB/T 22140—2008)標準進行出廠試驗。如葉輪加工完成後，一方面在廠內進行了檢查並進行機構效能試驗，提交檢查試驗報告;另一方面在製造廠內應按ISO1940—73標準進行靜平衡試驗，
3 發電機改造
跋山水庫電站原發電機型號為SF1250—24/2600，定、轉子線圈採用為B級絕緣，經多年的執行，線圈絕緣有不同程度的老化現象。為產生更高的經濟效益，更換原機定轉子線圈，增容到1 600kW;改變原有出線電壓升壓到6 300V
3.1 發電機改造方案
發電機從1 250kW 增加至1 600kW，定轉子採用F級絕緣，定子增加23%的導線截面積。轉子線規利用增加導線匝數、加勵磁分量、提高出力等來減小溫升;增容後發電機執行安全可靠，完全能滿足長期安全執行的要求。
3.2 定子線圈技改工藝
技改後導線採用雙玻璃絲扁銅線並繞而成，截面面積比原來增加23%。主絕緣採用高雲母含量和低介損的'優質F級粉雲母帶。匝間和對地絕緣模壓採用二次熱模壓加冷模定型和三次整形的特殊工藝，保證了線圈主絕緣厚度的均勻性和一致性，大大提高了線圈的耐壓水平。同時，線圈的外形一致性非常好，下線後整齊漂亮，通風又好。線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分佈。
3.3 定子線圈下線
下線嚴格按圈式線圈下線工藝進行。線圈綁紮繩採用目前大電機上採用的滌玻繩材料，它具有綁紮牢固、通風好等優點。槽內墊條均採用半導體材料。嵌線完畢，按國標新機組規定值進行電氣試驗;試驗合格後，按工藝要求整體絕緣處理。最後外表面再噴一層防潮、防黴F級覆蓋漆。
3.4 轉子改造要點
轉子線原為扁銅排繞制而成。線圈根據目前新F級絕緣規範計算，匝數增加了3匝，繞好後的轉子線圈進行無氧退火處理，軟化線圈和消除應力後，再進行了冷壓整形→ 去毛→ 清理→ 墊F級匝間絕緣→ 熱壓固化→ 清鏟→ 試驗等工序。轉子線圈與鐵芯裝配前進行稱重搭配，機身絕緣也更換為F級，並採用了900翻角結構，有效增加了線圈對地爬電距離，避免了機組執行長久後內部積灰而造成絕緣電阻下降。磁極掛裝時，按重量對稱佈置。斜鍵打緊後，須保證磁極鐵芯與軛面緊貼，絕緣託板與線圈壓緊，以及轉子外圓尺寸符合要求，完工後進行轉子線圈對地耐壓試驗和交流阻抗試驗。
3.5 改造後發電機效果
定子繞組匝數不變，增容後各部磁通密度不變，因此定子鐵芯透過清理和區域性處理試驗後，其溫升不會超過原值。
發電機透過定、轉子線圈改造後，當出力為1 600kW 時，定子溫升為49 ℃，轉子溫升為56℃。技改後定、轉子線圈均採用F 級絕緣，按《水輪發電機基本技術條件》(GB 7894—2001)規定，F級絕緣定子允許最高執行溫升為100℃，轉子允許最高執行溫升為100℃。其允許使用溫度比原機組可提高20℃，因此發電機擴容技改後，其執行溫度將遠遠低於允許最高執行溫度，機組安全執行得到了可靠保證。機械部分增容後，主軸強度，軸承負荷、機座剛度等均能滿足增容要求。
4 結 語
綜上所述，跋山水庫水電站4臺水輪發電機單機從1 250kW 增容到1 600kW 後，年發電量平均增加25%，達到了增效擴容的理想效果。