豐滿發(fā)電廠三號水輪發(fā)電機(jī)組改造

趙迎春，李昱潔

1.豐滿發(fā)電廠，吉林吉林 132108

2.赤峰電業(yè)局，內(nèi)蒙古赤峰 024000

1 概述

豐滿三號水輪發(fā)電機(jī)組的水輪機(jī)部分是蘇聯(lián)列寧格勒金屬工廠產(chǎn)品，發(fā)電機(jī)部分是西德AEG與哈爾濱電機(jī)廠混合產(chǎn)品，該機(jī)組于1960年5月投產(chǎn)。這是豐滿電廠一期最后投運的一臺機(jī)組，至今已運行50多年。在總結(jié)了以往水輪發(fā)電機(jī)改造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)三號水輪發(fā)電機(jī)組的具體情況，對三號機(jī)組實行全面現(xiàn)代化增容改造，這是我廠機(jī)組改造中規(guī)模最大、內(nèi)容最多、增容效果明顯的一臺機(jī)組。并將為老水電機(jī)組的現(xiàn)代化改造闖出一條新的道路。

2 改造的必要性

豐滿三號水輪發(fā)電機(jī)原設(shè)計為西德AEG公司產(chǎn)品，由于二次世界大戰(zhàn)，部分部件未到貨，解放后，豐滿電廠改建工程開工建設(shè)。

三號水輪機(jī)自1960年投產(chǎn)發(fā)電以來，經(jīng)過半個世紀(jì)的長期運行，曾多次出現(xiàn)了不同程度的轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、汽蝕、尾水管脈動壓力大等嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運行問題，且主閥操作機(jī)構(gòu)磨損嚴(yán)重，用于自動控制的電磁液壓閥線圈老化嚴(yán)重，無備品。由于設(shè)計上的原因，主閥不具備動水關(guān)閉的功能，而主閥前面只設(shè)有檢修閘門，無快速閘門，沒有事故配壓閥，當(dāng)調(diào)速器主配壓閥卡住時，水輪機(jī)導(dǎo)葉無法關(guān)閉，勢必導(dǎo)致機(jī)組飛逸，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運行。

為了徹底解決三號水輪發(fā)電機(jī)組存在的諸多重大隱患，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運行，必須對三號機(jī)組改造。

3 改造的可行性論證及改造方案確定

3.1 水輪發(fā)電機(jī)組增容改造

為了做好三號機(jī)組改造可行性論證工作，2002年初委托中國水利水電科學(xué)研究院、哈爾濱大電機(jī)研究所分別對三號水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)增容改造進(jìn)行可行性論證。委托大連理工大學(xué)用有限元法對發(fā)電機(jī)機(jī)墩的強(qiáng)度進(jìn)行核算、委托中水東北勘測設(shè)計院對豐滿一期工程水輪機(jī)進(jìn)水閥更新改造進(jìn)行可行性技術(shù)論證等通過論證，目前國內(nèi)外水輪機(jī)生產(chǎn)廠家均有能力制造適合豐滿電站運行水頭范圍、性能優(yōu)良的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。三號水輪機(jī)改造前后的主要參數(shù)見表1。

表1 三號水輪機(jī)改造前后主要參數(shù)

注：ЭМЗ—列寧格勒金屬工廠

東北電力科學(xué)研究院對發(fā)電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)溫升試驗、試驗結(jié)果表明通風(fēng)溫升試驗指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。，通過對發(fā)電機(jī)機(jī)墩的受力進(jìn)行科學(xué)的有限元分析，當(dāng)三號機(jī)組額定出力增至81mW/85.5 mW時，三號發(fā)電機(jī)的機(jī)墩能夠安全運行。

鑒于1988年三號發(fā)電機(jī)增容改造后東北電力試驗研究院進(jìn)行的參數(shù)、溫升及效率試驗結(jié)果表明，改造后定子及轉(zhuǎn)子溫升尚有一定余量。在1991年汛期大發(fā)電期間，3號發(fā)電機(jī)實際最大出力高達(dá)85mW，實踐證明3號發(fā)電機(jī)實際容量要高于88年增容改造的目標(biāo)值72.5mW。為了合理準(zhǔn)確地確定新轉(zhuǎn)輪的參數(shù)，在保證3號發(fā)電機(jī)長期安全運行的前提下，結(jié)合水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換，有必要對3號發(fā)電機(jī)安全發(fā)電容量進(jìn)行核算。經(jīng)過對電磁參數(shù)、溫升、強(qiáng)度、通風(fēng)及空冷器散熱容量等項核算表明：3號發(fā)電機(jī)的視在功率為90MVA，81mW，功率因數(shù)0.9，當(dāng)功率因數(shù)為0.95時，有功功率為85.5mW，此時水輪機(jī)出力可達(dá)87.5mW。三號發(fā)電機(jī)改造前后的主要參數(shù)見表2。

表2 三號發(fā)電機(jī)增容改造前后主要參數(shù)

通過上述論證分析，豐滿三號機(jī)組改造是以發(fā)電機(jī)再增容電磁、溫升核算結(jié)果，即發(fā)電機(jī)額定功率81mW/85.5mW（CosФN=0.9/0.95）為依據(jù)，配套選取新轉(zhuǎn)輪的相關(guān)參數(shù)（見表2），使改造后的三號機(jī)組成為性能好、容量大、效率高具有當(dāng)代技術(shù)水平的新機(jī)組。

3.2 水輪機(jī)進(jìn)水閥更新改造

為了做好豐滿發(fā)電廠水輪機(jī)進(jìn)水閥的更新改造工作，專門委托中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司對豐滿發(fā)電廠一期工程安裝的8臺水輪機(jī)進(jìn)水閥更新改造進(jìn)行可行性技術(shù)論證。更新改造后的進(jìn)水閥能夠消除原蝶閥不能實現(xiàn)動水關(guān)閉的重大隱患。

3.3 三號水輪機(jī)尾水管加固方案研究

為了徹底解決豐滿發(fā)電廠老機(jī)組水輪機(jī)尾水管鋼襯經(jīng)常大面積脫落問題，2002年豐滿發(fā)電廠委托哈爾濱電機(jī)廠設(shè)計部進(jìn)行“豐滿老機(jī)組尾水管鋼襯脫落可行性研究”，研究結(jié)果表明：要徹底解決豐滿發(fā)電廠1-8號水輪機(jī)尾水管經(jīng)常脫落問題，必須結(jié)合水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換，對水輪機(jī)尾水管鋼襯進(jìn)行更換。

4 改造內(nèi)容

4.1 水輪機(jī)部分

4.1.1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換

將原HL631-LJ-435型轉(zhuǎn)輪更換成哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HLA835b-LJ-440型高強(qiáng)度、耐空蝕全不銹鋼轉(zhuǎn)輪。

4.1.2 尾水管鋼襯更換

因三號機(jī)組經(jīng)常處于低負(fù)荷工況運行(旋轉(zhuǎn)備用),再加上機(jī)組運行年久及水流的沖刷，導(dǎo)致尾水管里襯鋼板多次脫落。結(jié)合三號水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更新改造,對尾水管鋼襯進(jìn)行更換.

4.1.3 水導(dǎo)橡膠軸承更新改造

豐滿發(fā)電廠通過科學(xué)論證和廣泛的調(diào)查研究，大膽地選用加拿大生產(chǎn)的環(huán)保型賽龍材料，設(shè)計、制造出新型水潤滑水輪機(jī)軸承，替代原水導(dǎo)橡膠軸承。

4.1.4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)雙連臂更換

原水輪機(jī)導(dǎo)葉連臂為雙耳式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉間隙不易調(diào)整，剪斷銷銹蝕嚴(yán)重起不到剪斷銷作用，結(jié)合三號機(jī)組改造將原雙耳式連臂更換成框式可調(diào)雙連臂，該設(shè)備不僅導(dǎo)葉的立面間隙便于調(diào)整，而且剪斷銷便于更換，減少了設(shè)備的檢修維護(hù)量。

4.1.5 水輪機(jī)補(bǔ)氣系統(tǒng)改造。

原水輪機(jī)補(bǔ)氣系統(tǒng)有尾水管短管補(bǔ)氣與主軸中心孔補(bǔ)氣兩種補(bǔ)氣方式。本次水輪機(jī)改造，補(bǔ)氣系統(tǒng)只采用主軸中心孔補(bǔ)氣方式，但主軸中心補(bǔ)氣量增加了1/3，即逆止閥由原來的四個（活塞直徑為50mm）增加到6個。

4.1.6 油裝置更新改造

因新水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出力的增大，使得水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)操作力矩增加，接力器的額定操作油壓需由原來的2.0MPa增加到2.5MPa，因此對原蘇聯(lián)生產(chǎn)的壓油裝置進(jìn)行更換

4.2 水輪機(jī)進(jìn)水閥（蝶閥）更新改造

豐滿三號水輪機(jī)原進(jìn)水閥為德國Votih 公司1940年生產(chǎn)的水輪機(jī)進(jìn)水閥更換成長沙閥門廠生產(chǎn)的具有動水關(guān)閉功能的新型重錘式液控蝶閥。

4.3 發(fā)電機(jī)部分

發(fā)電機(jī)部分針對原來的推力軸承嚴(yán)重甩油進(jìn)行了油槽蓋重新設(shè)計、制作處理，效果在之后的運行驗證還是達(dá)到了預(yù)期的止漏目的。

4.4 機(jī)組一次系統(tǒng)改造

1）三號主變高壓開關(guān)更換。結(jié)合本次改造工程對操作次數(shù)已逾4 000次的3號主變高壓開關(guān)（Siemens 3AV1型）進(jìn)行了更換，新開關(guān)為北京ABB HPL245B1型SF6斷路器；

2）三號機(jī)發(fā)電機(jī)分支線開關(guān)更換。對已運行60余年的三號機(jī)分支線多油開關(guān)（日本日立 YGC型）進(jìn)行了更換，新開關(guān)為德國Siemens 3AH3 818-7型真空斷路器；

3）三號機(jī)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)安裝。在3號機(jī)發(fā)電機(jī)出口增設(shè)了一臺發(fā)電機(jī)出口開關(guān)。新開關(guān)為德國Siemens 3AH3 818-8型真空斷路器；

4）機(jī)組分支線刀閘更換。對已運行60余年的3號機(jī)分支線甲乙刀閘（手動、單相操作）進(jìn)行了更換。新刀閘為沈高 GN23-20/5000型隔離開關(guān)；

5）三號機(jī)勵磁機(jī)改造。對已運行50余年、絕緣已嚴(yán)重老化的三號機(jī)主、副勵磁機(jī)進(jìn)行了改造。改造工作由哈電機(jī)廠完成。主要項目有：主勵磁機(jī)電樞繞組及整流子更換；主勵磁機(jī)定子主極、和流、差流繞組更換；副勵磁機(jī)定子并勵、串勵繞組更換。改造后三號機(jī)勵磁機(jī)絕緣水平為F級。

4.5 電氣二次系統(tǒng)改造

1）發(fā)電機(jī)變壓器組微機(jī)保護(hù)更換。因3號機(jī)組主接線發(fā)生變化，CT、PT配置相應(yīng)變化，對發(fā)變組保護(hù)重新配置，將WFBZ-01型微機(jī)發(fā)變組保護(hù)裝置更換為GDGT-801B型數(shù)字式機(jī)變保護(hù)；

2）發(fā)電機(jī)出口同期裝置安裝。為增加豐滿電廠機(jī)組運行方式的靈活性，在三號發(fā)電機(jī)出口與主變壓器之間安裝一臺ABB斷路器，故增加了1個同期并列點，設(shè)備選用SYN-3000,由法國伊林公司制造，增設(shè)同期回路；

3）機(jī)組振動擺度在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝與調(diào)試。安裝了機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及跟蹤分析系統(tǒng)，設(shè)計安裝了擺度、振動、壓力脈動、壓差、接力器行程等傳感器，對狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器、終端機(jī)等設(shè)備硬件軟件進(jìn)行了安裝，對軟硬件系統(tǒng)安裝調(diào)試后，達(dá)到了設(shè)計要求；

4）水車自動控制系統(tǒng)及計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合主閥、側(cè)路閥更換、水導(dǎo)軸承更換、壓油裝置更換、156、116高壓開關(guān)更換、126開關(guān)安裝、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)安裝、自動控制及發(fā)變組保護(hù)系統(tǒng)改造等改造，對機(jī)組的自動化及計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的改造；

5）蝶閥控制系統(tǒng)設(shè)計與安裝。對于長沙閥門廠的控制系統(tǒng)，采用本廠現(xiàn)有的主機(jī)QUANTUM完成對閥門的自動控制，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。由我廠維護(hù)進(jìn)行主閥控制的PLC軟件編程調(diào)試。結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 效果

5.1 機(jī)組的運行性能

三號水輪發(fā)電機(jī)組增容改造工程歷時六個半月，于2005年6月30日投入運行，三號機(jī)組立即進(jìn)入全廠滿出力（1 000mW）運行，在今年汛期該機(jī)組曾經(jīng)歷了兩次大發(fā)電的考驗。為了檢驗三號機(jī)組改造的效果，委托東北電力科學(xué)研究院在機(jī)組改造前后進(jìn)行了全面試驗。各項試驗結(jié)果都達(dá)到了預(yù)期的效果，機(jī)組額定功率、效率、水輪機(jī)最大功率均達(dá)到了廠家的保證值。通過對機(jī)組自動控制控制系統(tǒng)的進(jìn)一步完善，極大地提高了機(jī)組的自動化水平。由此次可見，該機(jī)組通過以更新水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為中心的現(xiàn)代化改造，其運行性能及參數(shù)水平由50年代末一躍達(dá)到了21世紀(jì)初的先進(jìn)水平使老水電機(jī)組煥發(fā)了青春。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

豐滿三號機(jī)組增容改造效果顯著，不僅增加了系統(tǒng)的調(diào)頻及事故備用容量（8.5mW），而且增加了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

每年可多發(fā)季節(jié)電能：326萬kW·h、增發(fā)調(diào)峰電量1 717萬kW·h、機(jī)組效率的提高可增發(fā)電量近327萬度。由此可見，改造后豐滿三號機(jī)組年增發(fā)電量2 370萬kW·h，創(chuàng)直接經(jīng)濟(jì)效益折合人民幣為900萬元。

綜上所述，三號機(jī)組現(xiàn)代化改造采用了近代先進(jìn)的新技術(shù)、工藝及材料，使機(jī)組的運行性能及參數(shù)水平一躍達(dá)到了國內(nèi)21世紀(jì)初的先進(jìn)水平。是一項投資少、見效快、效益好的改造，為老水電機(jī)組現(xiàn)代化改造闖出了一條新路。

[1]豐滿發(fā)電廠3#水輪機(jī)技改增容可行性論證報告.

[2]豐滿電廠3號發(fā)電機(jī)容量核算分析報告.

[3]豐滿三號發(fā)電機(jī)機(jī)墩穩(wěn)定性計算分析報告.

[4]豐滿電廠3號發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)補(bǔ)充計算報告.

[5]豐滿發(fā)電廠1-8號機(jī)進(jìn)水閥更新改造可行性論證報告.

[6]豐滿老機(jī)組尾水管鋼襯脫落可行性研究.

[7]“豐滿發(fā)電廠三號水輪機(jī)尾水管加固可行性數(shù)值計算”.

[8]勵磁機(jī)改造工作的會議紀(jì)要.

[9]接力器進(jìn)行強(qiáng)度核算.