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，沂河與支流暖陽河的匯流處，是1座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等功能的大型水庫。水庫控制流域面積1 782km2，現(xiàn)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、廠房、泄水閘、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(fā)電量1 300萬kW·h，多年平均發(fā)電量810萬kW·h，年最高發(fā)電量1 760萬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(jīng)近40a運行，轉(zhuǎn)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，閥門不能正常關閉，已難以滿足機組運行需要。
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(zhuǎn)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(nèi)滿足安全穩(wěn)定運行要求，旋轉(zhuǎn)方向與發(fā)電機旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪、導水機構大修的原則。轉(zhuǎn)輪采用3689—120轉(zhuǎn)輪，可達到電站增容目標。各機組在設計水頭、額定轉(zhuǎn)速及允許吸出高度范圍內(nèi)，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10%～15%范圍內(nèi)，水輪機應保證持續(xù)安全運行。水輪機能保證機組在75%～100%額定出力范圍內(nèi)穩(wěn)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，保證了原型水輪機的效率不低于94.2%。
2.2 對轉(zhuǎn)輪的技術要求
轉(zhuǎn)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(shù)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。葉片加工后過流表面光滑，無裂紋。葉片與轉(zhuǎn)輪室的間隙均勻，保證葉輪轉(zhuǎn)動靈活，盡量減少容積損失。另外，轉(zhuǎn)動各部應具有足夠強度以承受最大轉(zhuǎn)速、應力，并具有足夠的剛度和抗疲勞強度，確保轉(zhuǎn)輪在周期性變動荷載下不出現(xiàn)任何裂紋斷裂或有害變形。
2.3 出廠前試驗
水輪機改造完后需進行如下實驗：
(1)材料試驗。水輪機的各主要零部件都應經(jīng)過工作檢驗，以證明其原材料在加工過程中無缺陷。
(2)性能試驗。水輪機在制造廠內(nèi)應進行全性能試驗，以證明其運轉(zhuǎn)性能、參數(shù)符合設計要求，試驗按《小型水輪機現(xiàn)場驗收試驗規(guī)程》(GB/T22140—2008)標準進行出廠試驗。
(3)試運行實驗。機組設備安裝完畢，經(jīng)現(xiàn)場安裝試驗，對各附屬系統(tǒng)進行單項調(diào)試和試運行，在確信各系統(tǒng)設備已經(jīng)安裝調(diào)試就緒后，對設備進行檢查并完成運行試驗，以確保設備安裝調(diào)試就緒，并能安全正常地投入連續(xù)運行。
(4)振動測量。證明其運轉(zhuǎn)性能、參數(shù)符合設計要求，應按《小型水輪機現(xiàn)場驗收試驗規(guī)程》(GB/T 22140—2008)標準進行出廠試驗。如葉輪加工完成后，一方面在廠內(nèi)進行了檢查并進行機構性能試驗，提交檢查試驗報告;另一方面在制造廠內(nèi)應按ISO1940—73標準進行靜平衡試驗，
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(zhuǎn)子線圈采用為B級絕緣，經(jīng)多年的運行，線圈絕緣有不同程度的老化現(xiàn)象。為產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益，更換原機定轉(zhuǎn)子線圈，增容到1 600kW;改變原有出線電壓升壓到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(zhuǎn)子采用F級絕緣，定子增加23%的導線截面積。轉(zhuǎn)子線規(guī)利用增加導線匝數(shù)、加勵磁分量、提高出力等來減小溫升;增容后發(fā)電機運行安全可靠，完全能滿足長期安全運行的要求。
3.2 定子線圈技改工藝
技改后導線采用雙玻璃絲扁銅線并繞而成，截面面積比原來增加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，下線后整齊漂亮，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布。
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、通風好等優(yōu)點。槽內(nèi)墊條均采用半導體材料。嵌線完畢，按國標新機組規(guī)定值進行電氣試驗;試驗合格后，按工藝要求整體絕緣處理。最后外表面再噴一層防潮、防霉F級覆蓋漆。
3.4 轉(zhuǎn)子改造要點
轉(zhuǎn)子線原為扁銅排繞制而成。線圈根據(jù)目前新F級絕緣規(guī)范計算，匝數(shù)增加了3匝，繞好后的轉(zhuǎn)子線圈進行無氧退火處理，軟化線圈和消除應力后，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(zhuǎn)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，并采用了900翻角結構，有效增加了線圈對地爬電距離，避免了機組運行長久后內(nèi)部積灰而造成絕緣電阻下降。磁極掛裝時，按重量對稱布置。斜鍵打緊后，須保證磁極鐵芯與軛面緊貼，絕緣托板與線圈壓緊，以及轉(zhuǎn)子外圓尺寸符合要求，完工后進行轉(zhuǎn)子線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(shù)不變，增容后各部磁通密度不變，因此定子鐵芯通過清理和局部處理試驗后，其溫升不會超過原值。
發(fā)電機通過定、轉(zhuǎn)子線圈改造后，當出力為1 600kW 時，定子溫升為49 ℃，轉(zhuǎn)子溫升為56℃。技改后定、轉(zhuǎn)子線圈均采用F 級絕緣，按《水輪發(fā)電機基本技術條件》(GB 7894—2001)規(guī)定，F(xiàn)級絕緣定子允許最高運行溫升為100℃，轉(zhuǎn)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、機座剛度等均能滿足增容要求。
4 結 語
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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