黃少陽(yáng)（泉州市山美水庫(kù)管理處，福建 泉州 362321）

山美地面電站機(jī)組增效擴(kuò)容改造

黃少陽(yáng)
（泉州市山美水庫(kù)管理處，福建 泉州 362321）

摘要：山美地面電站運(yùn)行將近20年，設(shè)備存在諸多缺陷，安裝單位在安裝3號(hào)機(jī)組時(shí)，由于機(jī)組安裝高程偏低，機(jī)組大軸聯(lián)軸法蘭面處理不當(dāng)，軸線曲折度沒(méi)有消除，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪相繼出現(xiàn)振動(dòng)和葉片裂紋等問(wèn)題，存在較多安全隱患，嚴(yán)重地影響電站的安全運(yùn)行。電站于2008年將原來(lái)HLA296轉(zhuǎn)輪更換為X75型轉(zhuǎn)輪，水輪機(jī)性能明顯提高，但機(jī)組的震動(dòng)和擺度仍然偏大。根據(jù)水能參數(shù)和機(jī)組實(shí)際情況，保留原來(lái)的輪輪，對(duì)發(fā)電機(jī)作增容改造，通過(guò)改造發(fā)電機(jī)定子鐵芯、線圈和轉(zhuǎn)子磁軛、磁極，絕緣采用F級(jí)。改造后出力由30MW增至33MW，機(jī)組噪音、振動(dòng)、各部溫升均符合要求，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：地面電站；水輪發(fā)電機(jī)組；增效擴(kuò)容改造；安全運(yùn)行

1工程概況

山美地面電站位于福建省泉州地區(qū)南安市境內(nèi)晉江支流東溪中游，系晉江流域唯一一座大型水利樞紐工程，為晉江支流東溪的龍頭水庫(kù)電站。距著名僑鄉(xiāng)，閩南“金三角”經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)泉州市約50km，距南安約25km，壩址以上控制流域面積1023km2，占東溪流域的53.4%，是一座以灌溉、防洪、發(fā)電、供水等綜合利用的大型水利樞紐工程。地面電站為90年代建設(shè)投產(chǎn)的機(jī)組，設(shè)計(jì)裝機(jī)1×30MW。由于該水輪機(jī)為HLA296機(jī)型，是我國(guó)80年代產(chǎn)品，性能參數(shù)較高，但穩(wěn)定性差，相繼出現(xiàn)振動(dòng)和葉片裂紋等問(wèn)題。2008年對(duì)地面電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪進(jìn)行技術(shù)改造，將原來(lái)HLA296轉(zhuǎn)輪更換為X75型轉(zhuǎn)輪，水輪機(jī)性能明顯提高，因此這次改造保留原來(lái)的轉(zhuǎn)輪。

2機(jī)組改造的理由

（1）機(jī)組經(jīng)過(guò)近20年的運(yùn)行，由于熱老化、電老化、機(jī)械老化等多種因素，以及安裝單位在安裝3號(hào)機(jī)組時(shí)，安裝高程偏低，機(jī)組大軸聯(lián)軸法蘭面處理不當(dāng)，軸線曲折度沒(méi)有消除，推力頭卡環(huán)配合過(guò)松等原因，嚴(yán)重危及機(jī)組安全運(yùn)行。

（2）根據(jù)電站水位變化后的水能參數(shù)和機(jī)組的實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)原水輪機(jī)詳細(xì)計(jì)算分析論證，在不更換轉(zhuǎn)輪的情況下，能保證發(fā)電機(jī)容量從30MW增容到33MW。

（3）充分利用水利部財(cái)政部2013年對(duì)小水電改造提供財(cái)政資金補(bǔ)助。該工程投資3211萬(wàn)元，其中：中央補(bǔ)助1605萬(wàn)元、省財(cái)政補(bǔ)助300萬(wàn)元、市財(cái)政補(bǔ)助300萬(wàn)元、其它部分自籌。

3水輪機(jī)改造基本原則

水輪機(jī)設(shè)備要滿足以下基本條件：

（1）座環(huán)、蝸殼、尾水管流道尺寸不變。

（2）在滿足水輪機(jī)安裝高程不變的條件下，水輪機(jī)額定出力為34MW。

（3）機(jī)組調(diào)節(jié)保證值要滿足現(xiàn)行運(yùn)行要求。

（4）滿足原調(diào)速器的額定工作壓力P=2.5MPa。

（5）所有改造設(shè)備與原設(shè)備應(yīng)有良好的配合。

4機(jī)組增容改造的主要項(xiàng)目

4.1水輪機(jī)改造

除保留原有X75型轉(zhuǎn)輪和埋入部件外，包括導(dǎo)水機(jī)構(gòu)改造（含頂蓋、底環(huán)）和控制環(huán)改造、導(dǎo)葉接力器裝配、主軸密封改造、水輪機(jī)軸、水導(dǎo)軸承改造。

改造后水輪機(jī)的主要技術(shù)特性如下頁(yè)表1。

表1水輪機(jī)的主要技術(shù)特性

4.1.1水輪機(jī)軸

水輪機(jī)軸經(jīng)校核在增容至34MW情況下，原主軸不再采用，更換新主軸來(lái)保證其具有足夠的剛度和強(qiáng)度，可在最大飛逸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的任一轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生有害振動(dòng)和變形。

主軸與導(dǎo)軸瓦和主軸密封對(duì)應(yīng)的位置采用不銹鋼軸襯，主軸應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

4.1.2導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)包括頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)、導(dǎo)葉及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

（1）導(dǎo)葉

導(dǎo)葉采用ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼材料整體鑄造，導(dǎo)葉中部刻有明顯的永久編號(hào)，有3個(gè)自潤(rùn)滑支承軸承，軸承采用銅基鑲嵌自潤(rùn)滑軸承。導(dǎo)葉接觸面（立面）采用金屬密封形式，在導(dǎo)葉軸頸通過(guò)頂蓋處的軸承箱中設(shè)有切實(shí)可靠的導(dǎo)葉軸頸密封。

導(dǎo)葉的止推裝置設(shè)在頂蓋上部，限位裝置設(shè)在底環(huán)上，該裝置能限制導(dǎo)葉在破斷銷破斷后不產(chǎn)生擺動(dòng)及不穩(wěn)定運(yùn)行，且能保證導(dǎo)葉不處于自由狀態(tài)。

（2）頂蓋

頂蓋采用Q235A鋼板焊接結(jié)構(gòu)，加設(shè)抗磨板，抗磨板材料選用0Cr18Ni9不銹鋼材料，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

頂蓋上設(shè)有測(cè)量頂蓋壓力的測(cè)孔、測(cè)頭和真空破壞閥。頂蓋下導(dǎo)葉活動(dòng)范圍設(shè)有抗磨板，與轉(zhuǎn)輪上冠對(duì)應(yīng)部位設(shè)有止漏環(huán)，止漏環(huán)材質(zhì)采用1Cr18Ni9Ti。

（3）底環(huán)

底環(huán)采用不銹鋼板（0Cr18Ni9）焊接而成，底環(huán)具有足夠強(qiáng)度和剛度以支撐最大壓力和作用在上面的其他荷載，而不產(chǎn)生有害變形。導(dǎo)葉處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)葉上、下端面和頂蓋與底環(huán)間隙均符合規(guī)范要求。

底環(huán)上設(shè)有止漏環(huán)，其材料為耐磨蝕性能好的不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料。

（4）控制環(huán)

控制環(huán)采用Q235A鋼板，控制環(huán)底面裝有環(huán)向?qū)к壓涂鼓グ澹鼓グ寰哂凶詽?rùn)滑性能，不需要潤(rùn)滑系統(tǒng)。

（5）推拉桿

導(dǎo)葉接力器活塞桿和控制環(huán)之間的推拉桿為鍛鋼制造，具有足夠剛度并帶有自潤(rùn)滑瓦襯,軸承采用銅基鑲嵌自潤(rùn)滑軸承。

（6）導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)葉臂、連板裝配，連板與導(dǎo)葉臂之間裝有剪斷銷。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)除去操作機(jī)構(gòu)螺紋連接零部件（連桿拐臂等）外，暴露在空氣部分的部件和靜態(tài)連接螺栓等材質(zhì)采用不銹鋼。

4.1.3水導(dǎo)軸承

由于山美水庫(kù)水質(zhì)較好，本次技術(shù)改造仍然采用水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承，具有耐磨損，壽命長(zhǎng)，高承壓和磨擦系數(shù)小的金屬?gòu)椥运芰贤摺?/p>

4.1.4主軸密封

在水導(dǎo)軸承上部設(shè)置主軸工作密封，主軸密封方式采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于檢修和維護(hù)的Y型尼龍盤根式密封。

4.1.5導(dǎo)葉接力器

水輪機(jī)裝有直缸式液壓活塞式接力器，接力器額定油壓為2.5MPa。接力器上裝有機(jī)械鎖定裝置，在關(guān)閉位置鎖住接力器，防導(dǎo)葉被水沖開。接力器上還設(shè)有位移變送器及全開、全關(guān)位置的行程開關(guān)。接力器缸和蓋應(yīng)采用鑄鋼或鋼板焊接制造。

4.2發(fā)電機(jī)改造

發(fā)電機(jī)改造在保留原有的發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)及定子機(jī)座、發(fā)電機(jī)上支架、發(fā)電機(jī)下支架情況下，更換發(fā)電機(jī)定子鐵芯、線棒、主軸，更換發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子；改造原有的冷卻系統(tǒng)；發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承和組合軸承改造；制動(dòng)系統(tǒng)改造；改造后發(fā)電機(jī)額定出力33MW。

水輪發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)特性：

型號(hào)SF33-36/6500

額定容量33MW/38.824MVA

額定電壓10.5kV額定電流1941A

額定功率因數(shù)0.85（滯后）

額定轉(zhuǎn)速166.7r/min額定頻率

50Hz相數(shù)三相絕緣等級(jí)F

飛輪力矩GD2≥3010t·m2定子繞組連接Y型連接勵(lì)磁方式可控硅靜止勵(lì)磁

4.2.1定子

定子機(jī)座不更換，維持定子鐵芯軸向高度不變，定子鐵芯采用低損耗、無(wú)時(shí)效、機(jī)械性能優(yōu)良的冷軋薄硅鋼片（武鋼50W270）疊裝成整圓。發(fā)電機(jī)采用上、下兩端進(jìn)風(fēng)，端部回風(fēng)，通風(fēng)槽材料采用非磁性材料制成以減少損耗。定子鐵芯更新除保留原定子機(jī)座和定位筋外，所有鐵芯齒壓板的壓指、固定定子繞組的端箍等都采用非磁性材料制造。

定子繞組采用F級(jí)絕緣，由單根線棒組成，星形連接。主引出線和中性點(diǎn)引出線的絕緣為線電壓級(jí)全絕緣，定子繞組采用波繞組、條形線棒。定子繞組所有接頭和連接均采用銀銅焊工藝。所有用螺栓連接的母線接頭，表面均鍍銀。

4.2.2轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子采用無(wú)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子圓盤支架、磁軛、磁極等部件構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)上都具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，轉(zhuǎn)子支架為圓盤式焊接結(jié)構(gòu)。磁軛是由經(jīng)鈍化處理的高強(qiáng)度冷軋薄鋼板疊片組裝成的堅(jiān)實(shí)結(jié)構(gòu)。磁極鐵芯采用由拉緊螺桿緊固的高強(qiáng)度薄鋼板制成，壓力疊裝，通過(guò)磁極上的鴿尾或“T”尾與磁軛上相應(yīng)的鍵槽掛接。磁極繞組的絕緣為“F”級(jí)絕緣。制動(dòng)環(huán)的磨擦面采用優(yōu)質(zhì)、耐熱、耐磨材料，表面加工光滑。

4.2.3主軸

發(fā)電機(jī)軸經(jīng)校核在增容至34MW情況下，原發(fā)電機(jī)軸也不再采用，更換新主軸來(lái)保證其具有足夠的剛度和強(qiáng)度，可在最大飛逸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的任一轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生有害振動(dòng)和變形，新主軸均進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

4.2.4推力軸承及導(dǎo)軸承

推力軸承布置在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上方的上機(jī)架上，采用金屬?gòu)椥运芰贤?；?dǎo)軸承采用金屬?gòu)椥运芰贤摺Ｍ屏S承和導(dǎo)軸承在運(yùn)行中不允許甩油，采用固定式迷宮密封蓋，防止軸承油霧進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)。

4.3冷卻系統(tǒng)

4.3.1發(fā)電機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)采用密閉自循環(huán)空氣冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)包括冷卻器及其附屬部件、內(nèi)部管道等。冷卻器由膨脹法脹入防腐管座中的翅片式散熱管組成。散熱管采用紫銅管材料。冷卻器對(duì)稱布置在定子機(jī)座周圍形成一個(gè)密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其高度保證定子鐵芯、定子線圈端部、匯流排的通風(fēng)冷卻。

4.3.2潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)

潤(rùn)滑油的冷卻方式采用同槽內(nèi)部自循環(huán)的油冷卻潤(rùn)滑方式。油冷卻采用水冷方式。推力軸承、上導(dǎo)軸承油冷卻器布置在上機(jī)架內(nèi)。每個(gè)軸承油槽中裝設(shè)紫銅制造的油冷卻器，冷卻器水箱蓋、承管板及其進(jìn)排水管均采用不銹鋼材料。冷卻器采用膨脹法脹入防腐管座中的翅片式散熱管組成。散熱管采用紫銅管材料。供排水管路采用不銹鋼管材料。

5改造效益及體會(huì)

5.1改造效益

機(jī)組改造后，經(jīng)過(guò)試運(yùn)行，負(fù)荷在33MW工況下長(zhǎng)期運(yùn)行，機(jī)組噪音、振動(dòng)、各部溫升等均符合要求。機(jī)組改造增容后,在與改造前相同運(yùn)行條件下,機(jī)組效率提高，減少了耗水率，增加了發(fā)電量；發(fā)電機(jī)改造后,絕緣等級(jí)大大提高，保證了機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減少了機(jī)組大修費(fèi)用和停產(chǎn)損失。

5.2體會(huì)

從山美地面電站水輪發(fā)電機(jī)組增效擴(kuò)容改造過(guò)程和改造后發(fā)揮效益來(lái)看，可總結(jié)有以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)于運(yùn)行多年的水輪發(fā)電機(jī)組，要使其更好地發(fā)揮作用和提高出力，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)其進(jìn)行更新改造，使其充分發(fā)揮現(xiàn)有的潛力，是一個(gè)行之有效的途徑。

（2）機(jī)組改造有它的特殊性，在改造前必須做許多仔細(xì)的分析和測(cè)量工作，必須制訂好切實(shí)可行的改造方案，這樣不僅節(jié)省了投資，而且成功率高、時(shí)間短，發(fā)電損失少。

（3）機(jī)組改造過(guò)程必須加強(qiáng)工程管理，實(shí)行項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)制。引進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，堅(jiān)持三級(jí)質(zhì)量安全管理，嚴(yán)格按照建設(shè)規(guī)范要求，抓好工程的質(zhì)量、進(jìn)度、安全。

（4）電站改造須爭(zhēng)取多方支持，有關(guān)部門必須從政策上來(lái)扶持，只有這樣才能使老電站走出設(shè)備老化嚴(yán)重、事故頻率高和經(jīng)濟(jì)效益差的困境。

6結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)早期建設(shè)的水電站都面臨著技術(shù)改造的問(wèn)題。一個(gè)是運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備老化、問(wèn)題多，不能保證安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；另一個(gè)是由于科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，用新技術(shù)來(lái)改造舊設(shè)備無(wú)論在效率、容量、穩(wěn)定性、可靠性等方面都有很大的余度，山美地面電站的增效擴(kuò)容改造可以為同類電站提供一個(gè)很好的范例。

中圖分類號(hào)：TV734.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）04-0016-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.005

收稿日期：2014-09-19

作者簡(jiǎn)介：黃少陽(yáng)（1974-），男，工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)組的安裝與檢修工作。