金江三級電站1#水輪發電機組改造回顧

唐成軍

（臨武縣水利電力有限責任公司 郴州市 424300）

金江三級電站是臨武縣水利電力有限責任公司下轄的一個引水式電站，發電廠房位于臨武縣金江鎮打鼓村鶴頭山，電站裝機1 000+500 kW，其中1#機組裝機為1 000 kW，1#水輪機型號為HL110-WJ-60，發電機型號為TSW118/49-6，水輪機設計水頭98 m，額定流量 1.44 m3/s。

1#機組于1980年10月投產發電，至2012年，1#發電機組已運行32年，由于高速水流和泥沙水流沖擊，機組空蝕磨蝕嚴重，加上設備老化，故障率高，機組出力逐年下降，年發電量逐年減少，急需進行改造。

1 1#機組存在的問題

（1）水輪機最初采用的是17片葉片的轉輪，由于磨損嚴重和經常堵塞（葉片間間隙小，且水源處于農村居民生活區，生活垃圾多，每到漲水，河水夾雜著泥沙和生活垃圾，造成導葉和轉輪經常堵塞，無法發電），針對此情況，2001年對1#水輪機進行了技改，將轉輪的葉片改成了15片，并對前池的攔污柵也進行了加密處理，改造后的轉輪由于葉片間的間距變大了，堵塞的情況有所改善，但是由于葉片數量減少了，每個葉片所承受的水流沖擊力則增大了，這也增大了葉片損壞的可能性。

2007～2012年，由于地方經濟的發展，建材的漲價，河道內非法采砂現象十分嚴重，使得河水中含有大量的泥沙，水輪機過流部件磨損更加嚴重，2010年由于對轉輪維護保養不善，轉輪葉片尾部被磨出40 mm×50 mm的缺口，如附圖。

附圖 轉輪葉片尾部磨損狀況

此后對葉片的修復只能是將葉片的尾部割掉一截，再補上1片薄鋼板。由于轉輪少了兩個葉片，每片葉片所承受的沖擊力比改造前要增大，再加上修補后材料的不一致性，修復的轉輪葉片特別容易破裂，最多運行兩個多月，甚至是10多天，所補葉片便大部分破裂，且都是連續的，從附圖中可以看出破損葉片并不是磨損所致，而是承受不了水流的沖擊力而破裂的。2012年3月，重新修復后的轉輪在運行不到一個月時又出現了葉片大部分破損，水輪機振動超過允許范圍，平時能發到（600～700）kW的水量甚至還發不到300 kW。

（2）水輪機過流部件磨損嚴重，耗水量大（有時在并網時要通過關主閥控制來水量才能將機端頻率調至與電網一致），出力下降（最初安裝時出力最高可達1 050 kW，而現在最高只能達到750 kW）。

（3）蝸殼銹蝕嚴重，局部已出現過穿孔的情況。

（4）發電機出風通道與尾水通道連在一起，該布局在設計上有缺陷，在漲水時，河道中的水位升高，河水從發電機通風口倒灌進發電機機坑，數次造成發電機機坑中的電流互感器、電纜頭被水淹沒，只得將發電機尾端電流互感器用電纜引到地面單獨的電流互感器室內，造成增大設備投資和占用地面空間。

（5）發電機機坑空間狹小，在安裝了兩個電纜頭（首、尾端）和相關瓷瓶后，幾乎沒有了檢修空間。

（6）受當時技術水平限制，發電機集電環布置在后軸承座與發電機之間，電刷被磨出的電刷粉被吸進發電機內嚴重影響發電機絕緣。

（7）發電機絕緣等級低（為A/B級）且絕緣老化，定子線圈泄漏電流大，2012年2月出現過定子線圈短路擊穿的事故，轉子完全接地。

（8）機組和電氣設備已超過使用期限，嚴重老化，故障率高。

（9）機組檢修工作量逐年增大，發電量逐年減少。

（10）調速器和電動閘閥調節失靈、漏水嚴重、運行維護困難。

（11）勵磁系統老化嚴重，起勵困難、運行不穩定，電壓不穩定。

2 改造方案

更換全新的水輪機、發電機、主閥、調速器和勵磁系統，改造后水輪機效率由不足80%提高到88%以上，水輪發電機組綜合效率由70%提高到85%以上。

2.1 水輪機

水輪機采用型號為HLA550-WJ-60的水輪機，轉輪采用高效轉輪，葉片數量為17片，轉輪材質為全不銹鋼材料，過流部件的材質同樣采用耐磨不銹鋼材料，在額定水頭95 m，水輪機額定出力為1 060 kW，原型水輪機的效率不低于90.2%,相應工況點的模型效率不低于92.5%。在全部運行范圍內，原型水輪機的最高效率保證值不低于90.7%，相應工況點的模型效率不低于92.7%。在最大水頭至最小水頭范圍和45%～110%額定出力范圍內，吸出高度滿足的條件下，機組能在額定轉速下安全穩定運行，機組的振動、噪音和汽蝕等各項技術參數不超過國家標準。

2.2 發電機

發電機為兩支點臥式水輪發電機，型號為SFW1000-6/1180，絕緣等級為F級。為防止發電機長時間停機容易受潮，發電機采用了電加熱器除濕。發電機集電環安裝在飛輪外側，遠離發電機定、轉子線圈，避免了電刷粉被吸進發電機本體。發電機冷卻方式為管道通風冷卻。

定子鐵芯由導磁性能好、損耗小的優質冷軋無取向的硅鋼片交錯地迭制而成，硅鋼片牌號為50 W310。為了減小渦流損耗，在扇形片的兩面均勻地涂以F級絕緣漆，該絕緣漆具有固化時間短、收縮率小、硬度高等優點，不會因運行時間的加長而導致鐵芯松動。鐵芯兩端設有齒壓板和壓圈。

定子繞組為圈式疊繞組，采用F級絕緣。繞組具有良好的電氣和機械性能，股線采用雙玻璃絲包扁銅線，線圈主絕緣采用多層半迭包的F級云母帶結構。線圈嵌入鐵芯后，用槽楔固定于槽中，繞組兩端綁牢在端箍上。繞組接成Y形，共有6根引出線，主引出線和中性點引出線各3根。在線圈兩端設有端箍，以固定繞組。定子槽內還裝有測溫元件，用以監視定子繞組和鐵芯的溫度。

轉子磁極由磁極鐵芯、磁極線圈及磁極托板組成。磁極鐵芯由優質薄鋼板沖制疊壓而成。疊壓后，兩端用磁極壓板通過拉緊螺桿將鐵芯固定成一整體。磁極線圈由扁銅帶自下而上逆時針方向連續繞制而成，每匝間墊有多層0.16 mm厚的F級耐高溫環氧二苯醚上膠布作為匝間絕緣；整個線圈在夾具內加溫加壓，直至銅帶與絕緣固化成一整體。磁極極身絕緣采用環氧酚醛玻璃上膠坯布在磁極極身上燙包的結構，具有承受過電壓的能力。磁極線圈上、下端裝有耐高溫的環氧酚醛玻璃布板加工而成的絕緣托板。

發電機主軸用經過適當熱處理的45鋼整鍛制成，推力盤與主軸整段制成。風扇采用弧板式風扇，裝在磁軛的兩端。發電機前端選用徑向推力軸承,后端為徑向軸承。推力瓦為彈性塑料瓦，徑向軸承軸瓦與軸承座采用球面配合方式支撐，裝拆維修極其方便。

兩軸承潤滑冷卻方式均采用內循環，即冷油器裝設于軸承里邊，冷油由葉輪帶到軸瓦工作面并形成楔形油膜,潤滑后的熱油又從瓦體兩端流進油槽里，熱油按規定路徑流回設在軸承油槽里的油冷卻器進行冷卻。

在運行中，軸承的結構能嚴防油氣逸出。在正常運行溫度下，如果軸承冷卻水中斷，可允許帶負荷無損運行5 min。

推力軸瓦和徑向軸瓦均裝設有鉑熱電阻，用于隨時監控軸瓦溫度。為防止軸電流燒毀軸瓦，后軸承座對底板裝有絕緣墊片，其冷態絕緣電阻不低于1MΩ。

2.3 調速器

調速器型號為YWT-PLC-600，YWT系列數字式水輪機調速器是新型水輪機調速器，它采用了可編程技術、現代液壓技術和數字化技術最新成果。

該調速器不僅技術指標先進，功能齊全，而且較常規油壓的水輪機調速器結構更為簡潔，機械液壓部分由標準的工業液壓件組成，運行可靠性高，維護簡單。由于這種采用標準液壓件構成的調速器技術已經成熟，正在取代常規油壓的中小型水輪機調速器。

該調速器特點如下：

（1）該調速器系統結構簡潔合理，運行穩定可靠，技術性能指標優良，便于維護修理；機械液壓隨動系統采用標準的工業液壓元件組成，運行可靠，維護簡單。

（2）采用了高性能的可編程控制器作為調節器的硬件，無故障時間MTBF>=18 000 h。

（3）采用兩色觸摸屏作為調速器與運行人員的人機接口，具有顯示信息量大、清晰、準確、操作方便等優點。

（4）調速器具有多種運行模式，如頻率調節、開度調節等，能適應不同工況的要求。

（5）設有電氣開度限制，操作靈活，運行可靠。且易于實現自動－手動的無條件無擾動轉換。

（6）具有與上位機的通訊接口，便于實現電站計算機控制。

2.4 勵磁系統

采用CMER-E微機形式的三相全控橋的自并激可控硅勵磁系統。

主要技術參數及性能：

（1）勵磁系統滿足手動或自動準同期并網發電，容量保證機組110%額定容量正常運行要求。

（2）機組運行頻率變化1%，端電壓變化不大于0.25%。

（3）機端電壓下降為80%額定值時，勵磁系統提供2倍額定勵磁電流和2倍額定勵磁電壓，持續時間不小于20 s。

（4）勵磁系統電壓響應時間：上升時間小于0.08 s，下降時間小于0.15 s。

（5）發電機突然甩額定有功和額定無功后，機端電壓超調量不大于額定值15%，振蕩次數不超過3次，調節時間不大于5 s。

（6）勵磁電流電壓互感器設斷線檢測及保護，勵磁系統裝設必要的過流和過壓保護。

（7）勵磁系統調壓范圍滿足有關國家標準要求。

（8）勵磁調節器允許交流工作電源電壓在不大于強勵持續時間下波動范圍為55%～120%額定電壓時正常工作。

（9）在任何情況下，勵磁系統勵磁繞組兩端過電壓的瞬時值不超過出廠試驗時繞組對地耐壓試驗電壓幅值的70%。當勵磁電流小于1.1倍額定勵磁電流下長期運行時，勵磁繞組兩端過電壓的最大瞬時值不超過出廠試驗時該繞組對地耐壓試驗電壓幅值的30%。

2.5 閥 門

采用型號為Z941-25/DN500的電動閘閥。

2.6 其 它

考慮到原來的機坑內空間狹小，無法安裝發電機尾端電流互感器和中性點避雷器，本次改造我們對機坑進行了改造，重新開挖了電流互感器室，將發電機尾端電流互感器和中性點避雷器都安裝在了機坑內，同時針對漲水時尾水倒灌進機坑的缺陷，對發電機出風口也進行了改造，將發電機出風口與尾水道隔開。

3 安裝、調試

機組的安裝質量直接影響到機組運轉或使用壽命，因此電站必須嚴密組織，精心施工，保證達到安裝技術條件規定的要求。

3.1 安裝前的準備

（1）按廠家提供的裝箱清單，清點設備的零部件、隨機附件、備件、技術資料是否齊全。

（2）按水輪機安裝布置圖，檢查與機組有關的土建工程，如預留孔，安裝高度，尺寸位置等是否符合要求（由于老機組的接地網不符合要求，本次改造我們重新布置了接地網，其接地電阻為0.84 Ω）。

（3）準備好安裝所需用的工具，量具和材料。如起吊設備，百分表，萬用表，塞尺，0.02/1 000框式水平儀，調整用斜鐵等。

（4）轉動部分零件應清洗干凈，埋入件外表面的污垢，油漬應清除。

3.2 安裝方法和程序

（1）根據機組布置圖，順序吊裝閥門，伸縮節和進水彎管。所有法蘭面裝上密封條，找正管路軸線方向及進水彎管出口法蘭面的水平及標高 （進水彎管出口法蘭面水平度不超過0.05 mm/m）；澆注彎管支承地腳螺栓二期混凝土。

（2）吊裝蝸殼：蝸殼是水輪機的安裝基準，要特別注意安裝質量。在蝸殼進水管法蘭與進水彎管法蘭之間裝上密封條，用螺栓聯接起來，校正蝸殼與前后蓋板配合端面的不垂直度（蝸殼與前后蓋板配合端面的不垂直度不超過0.03 mm/m），并使蝸殼的軸心線與廠房設計的安裝軸心線相符合達到要求后，澆注蝸殼地腳螺栓二期混凝土，待混凝土養護期滿后，擰緊連接蝸殼地腳螺栓和進水管法蘭聯接螺栓，再次校核蝸殼上與前后蓋板配合端面的不垂直度，澆注進水彎管二期混凝土。

（3）吊裝尾水管：以蝸殼為基準，將尾水彎管和直錐管聯結起來，所有法蘭間上密封條，擰緊連接螺栓，澆注直錐管二期混凝土。

（4）安裝發電機：該步極為重要，所以一定要認真、仔細，安裝過程中，通過檢測轉輪四周間隙再進一步調整發電機主軸的水平度和同心度，直至各方面都滿足技術規范的要求[保證發電機的主軸軸心線與水輪機的蝸殼軸心線的不同軸度在規定范圍內（電機主軸軸心線與水輪機主軸軸心線的不同軸度不超過0.05 mm，電機主軸水平度不超過0.05 mm/m）]。

（5）安裝冷卻管路，飛輪罩及其它部分。

（6）按照安裝技術條件，全面檢查，校核有關不同軸度，不垂直度，檢查各緊固部位。

（7）安裝調速器：在上述工作完成后，再進行調速器的安裝。安裝中應注意調速器的開度限制機構整定值，不得超過水輪機導葉規定的最大開度，以免導葉與轉輪相碰。

（8）安裝勵磁屏和機組測溫屏：拆除老屏柜內的接線，特別要注意斷開有關的控制、保護、信號及廠用電等各方面的電源，做好安全保護措施，拆除有關的接線后將老柜移開，再將新柜就位，布置相關電纜，按圖紙要求接好引線并做好靜態調試。

4 結 語

總的來講，本次改造是比較成功的，消除了原來老機組存在的缺陷，同時新機組的效率更高，出力更好，運行也更安全。