娜孜拉·吐斯布那比

(新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆 阿勒泰　836500)

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新疆阿勒泰市塘巴湖水電站增效擴(kuò)容技改

娜孜拉·吐斯布那比

(新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆 阿勒泰836500)

塘巴湖水電站3臺水輪發(fā)電機(jī)組均發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)部分磨損嚴(yán)重、發(fā)電機(jī)絕緣等級低、機(jī)組整體效率下降、出力嚴(yán)重不足等問題，存在嚴(yán)重安全隱患。本文分析了機(jī)組結(jié)構(gòu)，應(yīng)用新工藝、新技術(shù)，提出了處理方案與實施措施。

機(jī)組磨損；效率下降；技術(shù)改造

1　概　述

新疆阿勒泰市塘巴湖水電站位于阿勒泰市紅墩鄉(xiāng)境內(nèi)克蘭河下游，在阿勒泰市以南30km，有柏油公路相通，阿勒泰市至烏魯木齊有“216” “217”兩條國道相通，項目區(qū)交通便利。地處東經(jīng)88°08′，北緯47°38′，海拔高程661～667.84m。

塘巴湖水電站始建于1977年，1982年投入運(yùn)行，為壩后式電站，裝機(jī)容量3×320kW,設(shè)計流量13.5m3/s，設(shè)計水頭8.1m，設(shè)計年發(fā)電量432萬kW·h，年利用小時4500h。因建設(shè)期間尾水渠渠底沒有開挖到位，造成尾水不暢，電站建成投入運(yùn)行時最大出力只能達(dá)到700kW左右，年發(fā)電量約300萬kW·h。電站經(jīng)過近26年的運(yùn)行，水輪發(fā)電機(jī)組、勵磁、調(diào)速器等輔機(jī)設(shè)備嚴(yán)重老化，控制保護(hù)設(shè)備部分損壞，電站最大出力只有480kW左右，近年來平均年發(fā)電量約220萬kW·h。

因此，急需改造塘巴湖水電站3臺ZD560-LH-100型水輪機(jī)，更換轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、主軸密封和水導(dǎo)軸承，使電站最大出力由3×240kW增至3×320kW，以達(dá)到機(jī)組設(shè)計的額定容量，年平均發(fā)電量428萬kW·h，其中擴(kuò)容增效128萬kW·h。

同時，在保持原有機(jī)坑位置不動的前提下，進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子線圈、轉(zhuǎn)子線圈的增效擴(kuò)容改造設(shè)計、裝配。

2　機(jī)組設(shè)備主要參數(shù)

2.1水輪機(jī)主要參數(shù)

水輪機(jī)主要參數(shù)如表1所列。

表1　水輪機(jī)主要參數(shù)

2.2發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如表2所列。

表2　發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

3　水電站技術(shù)改造的內(nèi)容

3.1水輪機(jī)部分

改造塘巴湖水電站3臺ZD560-LH-100型水輪機(jī)，更換轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)水結(jié)構(gòu)；更新主軸密封和軸瓦。

3.2發(fā)電機(jī)部分

原發(fā)電機(jī)為320kW，發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子線圈老化，絕緣等級為B級，發(fā)電機(jī)運(yùn)行溫度很高。經(jīng)計算，發(fā)電機(jī)的溫升不能滿足增容后的要求，因此需對發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行更新，絕緣由B級改為F 級。增加上下檔風(fēng)板，以增加發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻效果。

4　機(jī)組技術(shù)改造方案分析

4.1總體設(shè)計思想

根據(jù)水電站的設(shè)計參數(shù)和技改要求，應(yīng)用選型軟件對機(jī)組性能結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)計算、分析比較后，選用ZD502型轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪直徑為1m時，機(jī)組能運(yùn)行在高效區(qū)。

根據(jù)該電站的基本參數(shù)，經(jīng)多種方案的綜合比較，最后選定水輪機(jī)型號為ZD502-LH-100。主要基于以下幾點考慮：

a.為使電站逐步實現(xiàn)“無人值班、少人值守”的現(xiàn)代化電站，為電站配置較好的機(jī)組成套設(shè)備。

b.為創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益、保證機(jī)組出力、充分利用流量，選擇高效率轉(zhuǎn)輪ZD502型譜，該轉(zhuǎn)輪為各項性能先進(jìn)的軸流式轉(zhuǎn)輪，已成功應(yīng)用于眾多電站，且通過了用戶最終驗收。該轉(zhuǎn)輪具有空化性好、高效率、性能優(yōu)越等特點。ZD502-LH-100型水輪機(jī)的最高效率達(dá)92.0%，額定點效率達(dá)90.8%，且該轉(zhuǎn)輪的突出優(yōu)點是使水輪機(jī)在規(guī)定的水頭范圍和導(dǎo)葉開度范圍均處于高效率，而單機(jī)的引用流量僅5m3/s，具有較大的超發(fā)余量，在額定出力情況下，電站各水頭段均處于高效率區(qū)，能滿足電站的裝機(jī)及超發(fā)要求。

c.各局部部件采用抗磨蝕材料，對水輪機(jī)結(jié)構(gòu)做優(yōu)化，轉(zhuǎn)輪采用VOD技術(shù)真空精煉鑄造，使?jié){葉葉片材質(zhì)致密、型線準(zhǔn)確、效率更高。

4.1.1選型計算

新舊轉(zhuǎn)輪參數(shù)比較，其基本參數(shù)見表3。

表3　新舊轉(zhuǎn)輪參數(shù)

4.1.2效率修正

按GB/T 15468-2006《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》中混流式效率換算公式:

=90.8%+0.89%=91.7%

4.1.3改造后機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)

水輪機(jī)型號及主要技術(shù)參數(shù)見表4。

表4　水輪機(jī)型號及技術(shù)參數(shù)

4.2主要工藝方案

水輪機(jī)采用抗磨蝕和保證水輪機(jī)效率的措施。

a.水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片采用精密鑄造、組合樣板檢查，保證了葉型與模型的相似性及尺寸的精確性，提高了水輪機(jī)的效率。轉(zhuǎn)輪體上端間隙式密封處堆焊有抗磨蝕性能好的材料。

b.在頂蓋、底環(huán)的過流表面設(shè)有可更換的護(hù)板。

4.3定子線圈更換說明

發(fā)電機(jī)定子改造將絕緣材料的絕緣等級提高至F級，增大線圈斷面尺寸，定子線圈改造后，額定出力不低于320kW。

該機(jī)定子線圈由多匝疊繞組成，每匝由多股并聯(lián)的SBEB雙玻璃絲包線編織而成，并以5440-1桐馬環(huán)氧粉云母帶連續(xù)絕緣，模壓固化成型，為保證定子線圈的絕緣強(qiáng)度有足夠的裕度，主絕緣厚度按加強(qiáng)型絕緣要求選取。

為保證定子線圈的幾何尺寸精確、絕緣整體性好、電氣絕緣性能優(yōu)良，定子線圈的成型采用全模壓熱固化成型工藝，定子線圈防暈處理采用一次成型加表面涂敷的防暈結(jié)構(gòu)以滿足防暈要求。

為使定子線圈能夠承受電磁力及振動造成的機(jī)械破壞，特別在突然短路的工況下不致產(chǎn)生有害位移和變形，造成絕緣損傷、匝間短路等故障，確保發(fā)電機(jī)長期安全運(yùn)行，該機(jī)槽采用槽楔結(jié)構(gòu)，并在槽底及楔下墊條與線圈之間放置浸有低半導(dǎo)體漆的適應(yīng)氈。對端箍絕緣做重新包扎處理。線圈斜邊間隙用絕緣間隔墊片包以經(jīng)過浸漆處理的適應(yīng)氈塞緊并綁牢。為防止定子線圈下沉，在定子線圈槽口處設(shè)有槽口墊塊，塞緊并與線圈綁扎牢固。

為保證定子線圈質(zhì)量，定子線圈制作嚴(yán)格按照DS/ZJ 011-2002《水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量分等規(guī)定》的要求執(zhí)行。

a.定子繞組由單根線圈組成，各支路并聯(lián)。主引出線和中性點引出線的絕緣應(yīng)為線電壓級全絕緣。

b.定子繞組應(yīng)采用羅倍爾換位或更先進(jìn)的換位方式，以減少附加損耗和股間溫差。

c.定子線圈應(yīng)保證導(dǎo)體四邊絕緣厚度均勻，并是嚴(yán)密、無氣隙、具有彈性、均勻圓滑、無明顯棱角和尖角的整體，并具有良好的電氣性能、機(jī)械性能、抗老化潮濕性能和不燃或難燃特性。難燃特性應(yīng)符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。

d.定子線圈應(yīng)具有互換性。

e.定子線圈采用立式嵌線方式。線圈在定子槽內(nèi)與定子鐵心配合應(yīng)緊密，并采取適當(dāng)材料以保證線圈在槽中緊固良好。

f.定子線圈的端部和連接線均應(yīng)牢固可靠地支撐和固定，以防止發(fā)電機(jī)發(fā)生短路而引起作用力時產(chǎn)生變形和振動。繞組間在端部用墊塊隔開，以保證通風(fēng)良好。繞組兩端支撐用端箍采用非磁性高強(qiáng)度鋼材，以減少渦流損耗。

g.定子繞組應(yīng)具有良好的防電暈和耐腐蝕能力，在槽部、端部等應(yīng)采取防暈措施。定子線圈的端部絕緣，應(yīng)采用防暈層與主絕緣一次成型的結(jié)構(gòu)。

h.定子繞組所有接頭和連接應(yīng)采用銀銅焊工藝。接頭絕緣與線圈至絕緣的搭接長度應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定要求。

i.定子繞組在冷態(tài)下，各分支路直流電阻最大與最小兩相間差值，在校正由于引線長度不同引起的誤差后，應(yīng)不超過最小值的2%。

j.定子組裝。定子機(jī)座在現(xiàn)場拆舊線圈，并組裝、安裝新線圈。

4.4轉(zhuǎn)子線圈更換改造說明

轉(zhuǎn)子線圈改造采用增大線圈斷面尺寸的方法來達(dá)到目的，根據(jù)原機(jī)組截面尺寸及絕緣厚度狀況，通過計算，將轉(zhuǎn)子繞組銅線截面尺寸加大并提高絕緣等級至F級，保證線圈在F級絕緣下的絕緣厚度，從而達(dá)到增效擴(kuò)容的目的。

a.轉(zhuǎn)子磁極必須緊靠磁軛，不允許有第二氣隙。

b.轉(zhuǎn)子磁極在廠內(nèi)組裝完成后運(yùn)往工地，出廠時，對配重磁極的編號及每極重量進(jìn)行標(biāo)注。

c.磁極鐵心采用由拉緊螺桿(進(jìn)口)緊固的高強(qiáng)度薄鋼板制成，壓力疊裝，通過磁極上的鴿尾或“T”尾與磁軛上相應(yīng)的鍵槽掛接。

d.磁極繞組的絕緣符合GB755中規(guī)定的F級絕緣。繞組材料為無氧退火銅排。銅排表面應(yīng)光潔，邊緣不得有鋸齒狀缺陷。繞組由銅排經(jīng)銀銅焊接而成。極間連接線的截面積大于繞組銅排截面積，其布置和連接裝置方便拆卸單個磁極。

e.繞組匝間絕緣與相鄰匝完全黏合且突出每匝銅線表面，首末匝與極身和托板間有防爬電的絕緣墊，其爬電距離滿足要求。磁極繞組經(jīng)過加壓熱處理，匝間無間隙，保證組裝緊固。線圈及整個磁極的固定能保證在發(fā)電機(jī)的所有運(yùn)行工況下不發(fā)生有害變形。同時采取相應(yīng)的措施以補(bǔ)償絕緣材料的收縮并在磁極線圈上維持適當(dāng)?shù)膲毫?。磁極繞組、絕緣及極間連接線的連接結(jié)構(gòu)、絕緣性能能同時承受運(yùn)行時的振動、熱位移和飛逸轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力，能承受短路和不平衡電流無機(jī)械的、電氣的損壞。

f.發(fā)電機(jī)具有交直軸阻尼繞組，阻尼繞組具有低電阻值、結(jié)構(gòu)堅固的特點。阻尼條與阻尼環(huán)的焊接采用銀銅焊。阻尼繞組及其連接經(jīng)過對支撐加固，防止由于振動、熱位移以及飛逸轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力造成機(jī)械故障，并具有承受短路和不平衡電流的能力。磁極之間的阻尼環(huán)連接片在設(shè)計時考慮了機(jī)械力和熱應(yīng)力，在其作用下能產(chǎn)生一定的容許變形，其與磁極線圈間有足夠的安全距離，且易于拆卸相關(guān)的磁極。

g.采用帶散熱厄的磁極繞組，繞組的溫升測量方法及運(yùn)行時的溫升值滿足規(guī)定的要求。

5　結(jié)　語

水電站通過增效擴(kuò)容改造，電站出力由原來的700kW提高到960kW，增加了37%；年發(fā)電量由原來的300萬kW·h，增加到428萬kW·h，增加了42.6%。比水利部提出的年發(fā)電量增加20%超出22.6%。機(jī)組改造后，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，充分利用了汛期的大量棄水，極大提高了電站的經(jīng)濟(jì)效益。且電站是在原有廠房、管路、設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)機(jī)，基礎(chǔ)設(shè)施變動少、投資小、見效快、周期短、回報率高，是老電站短、平、快滾動發(fā)展的最佳捷徑。

此類增效擴(kuò)容技術(shù)改造，具結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠、成本低、經(jīng)濟(jì)適用的優(yōu)點，值得大力推廣。

[1]哈爾濱大電機(jī)研究所.水輪機(jī)設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976.

[2]哈爾濱大電機(jī)研究所.發(fā)電機(jī)設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976.

[3]GB/T 50700-2011小型水電站技術(shù)改造規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

Efficiency increase and capacity expansion technical renovation in Xinjiang Altay Tangbahu Hydropower Station

Nazila·Tusibunabi

(XinjiangAltayWaterResourcesandHydropowerSurveyDesignInstitute,Altay836500,China)

Three turbine generator units in Tangbahu Hydropower Station have the problems of turbine partial serious worn-out, low power generator insulation level, decreased unit overall efficiency and serious output insufficiency, etc. More serious security hidden danger is produced. In the paper, unit structure is analyzed, new technology and new process are applied. Treatment scheme and implementation measures are put forward.

unit wear-out; efficiency decrease; technical renovation

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.04.011

TV212

B

1673-8241(2016)04- 0041- 04