卲明華，陳 淵

(國電恩施水電開發(fā)有限公司，湖北 恩施 445026)

天樓地枕水電站位于湖北省恩施市屯堡鄉(xiāng)境內(nèi)，裝機容量25.2 MW(4×6.3 MW)。水輪機額定水頭80.2 m，額定流量9.39 m3/s，額定功率6.57 MW。壩址控制流域面積1 906 km2，平均流量56 m3/s，引水渠道全長6 336 m，設(shè)計引用流量42 m3/s。該電站至今已運行25年，由于受當(dāng)時水輪機選型、技術(shù)、材料等因素限制，機組運行工況惡劣，設(shè)備老化嚴重，定子線棒絕緣多次擊穿，水導(dǎo)油槽甩油嚴重，水輪機空蝕、磨損嚴重，效率降低，出力達不到額定值。

1 機組存在問題和改造的思路

1.1 水輪發(fā)電機組存在的問題

該電站投運時間長，目前機組存在以下問題：

1)定子線棒老化，絕緣降低。

2)繞簧式空冷器銅管漏水嚴重、已封堵多處銅管。

3)導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴、水導(dǎo)密封檢修頻繁、水導(dǎo)油槽甩油嚴重。

4)轉(zhuǎn)輪空蝕、磨損都十分嚴重，部分轉(zhuǎn)輪葉片出水邊背面脫塊、掉落。經(jīng)過多次處理，改變了轉(zhuǎn)輪葉片原有的型線結(jié)構(gòu)，機組效率也大幅度下降。

5)水輪機導(dǎo)葉為懸臂式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉間隙偏大，漏水嚴重，停機時較大的漏水量使機組處于惰轉(zhuǎn)狀態(tài)，必須關(guān)閉蝶閥才能夠停機。

6)水輪機水導(dǎo)油槽甩油嚴重，每次開機時都要加油，平均每次加30公升左右，運行期間根據(jù)情況也要加油，每年耗用透平油1 200公升左右。

7)水輪機主軸密封為橡膠平板式結(jié)構(gòu)，汛期由于泥沙含量多，密封易破損，需停機檢修，平均每年檢修3次。

1.2 增容改造的思路[1-3]

保證電站的引水系統(tǒng)不變的狀況下，對水輪發(fā)電機組進行改造，機組額定出力由改造前的6.3 MW增容到7.0 MW，機組綜合效率提高。

發(fā)電機更換定子線棒后，提高絕緣水平，由B級提高到F級。

不改變廠房水工建筑物，包括壓力管道，機墩砼機構(gòu)；不改變機組埋入部件，包括水輪機蝸殼、基礎(chǔ)環(huán)、尾水管等。

不改變機組中心線、不改變原機組主軸的連接方式、尺寸等。

2 增容改造方案

2.1 機組改造前后發(fā)電機主要參數(shù)

原水輪機型號為HLA153-LJ-100,發(fā)電機型號為SF6300-10/2600。

機組改造前后發(fā)電機主要參數(shù)見表1。

表1 機組改造前后發(fā)電機主要參數(shù)表

2.2 增容改造后發(fā)電機主要部件機械強度校驗[4]

2.2.1 定子

發(fā)電機的扭矩隨容量成正比變化，但定子的最危險狀態(tài)在三相突然短路時的沖擊力矩，該力矩與輸出功率成正比，與X″d成反比。根據(jù)計算，cosΦ為0.8，當(dāng)功率為6.3 MW時，X″d=0.21，增容改造后cosΦ為0.8，當(dāng)功率為7.0 MW時，X″d=0.22，因此，增容到7.0 MW時沖擊力矩變化如下：

即沖擊力矩增加6%，對定子各部分的強度、焊縫應(yīng)力影響較小，定子機座仍在安全范圍內(nèi)。

2.2.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)軸：發(fā)電機增容量為11.1%，增容前后發(fā)電機參數(shù)基本一致，因此水輪發(fā)電機組主軸綜合應(yīng)力約增加11.1%。根據(jù)國家標準，主軸設(shè)計時應(yīng)力在2.5倍以上，因此仍然有較高的安全系數(shù)。

轉(zhuǎn)子支架與轉(zhuǎn)軸：轉(zhuǎn)子支架通過輪轂與轉(zhuǎn)軸熱套，靠熱套配合來傳遞扭矩，而傳遞扭矩的配合力與容量成正比，配合力增大，轉(zhuǎn)子輪轂與主軸的配合最小緊量變大，使安全系數(shù)減小約11.1%。由于設(shè)計時發(fā)機電傳遞扭矩的安全系數(shù)均高于設(shè)計規(guī)范，因此本發(fā)電機仍具有較高的傳遞裕度即安全系數(shù)。

轉(zhuǎn)子支架各部分應(yīng)力：轉(zhuǎn)子支架各部分應(yīng)力高區(qū)通常為各焊縫，這些應(yīng)力最大值發(fā)生在磁軛打鍵時和飛逸轉(zhuǎn)速時，熱打鍵配合力通常按分離轉(zhuǎn)速設(shè)計，本機分離轉(zhuǎn)速值及飛逸轉(zhuǎn)速均未改變，故這些應(yīng)力也將保持不變。換言之，增容到7.0 MW后，轉(zhuǎn)子支架各部分應(yīng)力值仍與6.3 MW時相同。

磁軛、磁極沖片最大應(yīng)力：由于增容時轉(zhuǎn)子未更換任何部件，同時機組飛逸轉(zhuǎn)速未增大，因此增容前后磁軛、磁極沖片最大應(yīng)力不變。

2.2.3 空冷器

改造后的空冷器為新型翹片式，冷卻效率提高15%，滿足要求。

其他：下機架、上機架等，外載荷基本上沒有發(fā)生變化，所以，原設(shè)計的剛強度仍適應(yīng)增容需要，且與增容前具有相同裕度。制動條件沒有發(fā)生變化，所以，剎車制動系統(tǒng)也等同于6.3 MW狀態(tài)。

2.3 水輪機改造[5]

1)選擇高性能轉(zhuǎn)輪，提高水輪機出力。由于不改變水輪機現(xiàn)有流道和固定導(dǎo)葉高度，僅更換水輪機轉(zhuǎn)輪，根據(jù)中國水電科學(xué)研究院的研究成果，JF2258B型比較適合替代HLA153型轉(zhuǎn)輪，高效區(qū)更加寬廣，空化系數(shù)低，飛逸轉(zhuǎn)速低。

出力特性：根據(jù)新舊轉(zhuǎn)輪特性，計算在水輪機出力限制線水輪機的出力，JF2258B型轉(zhuǎn)輪替代HLA153型轉(zhuǎn)輪后，水輪機出力明顯提高，在相同水頭下最大出力提高了11.4%左右。

效率特性：根據(jù)轉(zhuǎn)輪特性曲線分析，JF2258B型轉(zhuǎn)輪效率特性總體上要優(yōu)于HLA153型轉(zhuǎn)輪，在額定水頭80.2 m的情況下，當(dāng)出力大于5.9 MW時，JF2258B-LJ-100型水輪機效率明顯優(yōu)于HLA153-LJ-100型水輪機。

表2 水輪機改造前后轉(zhuǎn)輪模型對照表

空蝕特性：新轉(zhuǎn)輪的吸出高度Hs=0，現(xiàn)有水輪機高程能滿足要求。

2)主軸密封。工作密封采用接觸式自補償型密封結(jié)構(gòu)，在運行中對密封元件的磨損可進行自動調(diào)整。

3)導(dǎo)軸承。水導(dǎo)軸承采用稀油潤滑拋物面筒式軸承瓦，自調(diào)性好，運行穩(wěn)定，承載力大，擺度小。

4)導(dǎo)水機構(gòu)。導(dǎo)葉有3個自潤滑支承軸承，導(dǎo)葉的水力矩特性具有自關(guān)閉的趨勢。

2.4 技術(shù)參數(shù)比較

1)渠道引水流量比較：原機組額定流量9.39 m3/s，改造后的機組額定流量10.09 m3/s，只增加了0.7 m3/s的流量，改造后4臺機組總的流量為40.36 m3/s。引水渠道引用流量是42 m3/s，渠道過水量滿足改造條件。

2)電氣參數(shù)比較：經(jīng)計算，改造后四臺發(fā)電機組額定出力由6.3 MW增加到7.0 MW，原6.3 kV斷路器、主變壓器，110 kV斷路器等電氣設(shè)備均滿足機組改造要求。

3)調(diào)保計算：經(jīng)計算，改造后調(diào)保計算滿足改造要求。

4)調(diào)速性能：經(jīng)計算，改造后機組滿足過速試驗要求，滿足甩負荷試驗要求。

2.5 經(jīng)濟、環(huán)保效益比較

1)改造后每臺機組年增發(fā)電量370萬kW·h。

2)改造后每臺機組年節(jié)約透平油1 200公升。

3)減少檢修維護產(chǎn)生的效益：改造前平均每年需檢修水導(dǎo)密封3次，每次檢修需8 h。改造后，不僅減輕了維護人員勞動強度，節(jié)約了維護成本，同時增發(fā)電量約16萬kW·h。

4)原水輪機轉(zhuǎn)動油盆甩油嚴重，改造后解決了這個問題，減少了對下游河流的油污染，保護了環(huán)境。

3 增容改造后運行情況及效果

由于該電站為引水式電站，為保證經(jīng)濟效益，該電站分別在20116年至2019年每年冬季枯水期改造一臺機組。改造后機組額定出力達到7.0 MW，單機運行時最高出力達到7.3 MW(見表3)，多機同時運行時單機出力達到7.15 MW。機組運行瓦溫(見表4)、振動(見表5)等各項技術(shù)數(shù)據(jù)均在標準范圍。

表3 機組改造前后出力比較表 MW

表4 軸承瓦溫度值表(負荷7 MW) ℃

表5 上機架振動值表(負荷7 MW) μm

4 結(jié) 語

通過改造，天樓地枕水電站機組的出力明顯增大，解決了長期以來水導(dǎo)油槽甩油嚴重、水導(dǎo)密封檢修頻繁、導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴等問題，不僅提高了設(shè)備的安全可靠性，減少了運行及維修費用、減少了機組的檢修時間，增加了發(fā)電量，提高了經(jīng)濟效益，還大大降低了工人的勞動強度。

引水式電站機組增容改造可在枯水期實施，不影響電站的正常發(fā)電。由于原基礎(chǔ)設(shè)施沒有任何變動，施工方便簡單、工期短，天樓地枕水電站的改造可供同類型電站改造借鑒。