淺談佛子嶺水電站3號機組增容改造的經驗

摘 要：佛子嶺水電站3號機組首次增容改造后，運行中監測到定子溫度異常，機組一直不能滿負荷運行。文章結合機組擴大性大修（技改），通過對機組運行工況的分析、查找原因，針對性提出技術改造方案，成功檢修、恢復機組健康，實現擴容增效。

關鍵詞：水電機組；增容改造；溫升異常；技改

中圖分類號：TV737 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）15-0077-02

佛子嶺水電站，位于安徽省霍山縣境內，為淮河支流之一，1954年11月水庫建成。水庫是以防洪、灌溉為主，結合發電、城鎮供水、水產養殖、旅游等綜合利用的大Ⅱ型水利樞紐工程。佛子嶺水電站是梯級開發的中型水力發電企業，從1954年第一臺1 MW機組投產，到1973年最后一臺10 MW機組投運，總裝機容量為60.1 MW。

1 故障機組情況簡介

佛子嶺水電站3號機組由哈爾濱電機廠制造，1956年11月投入運行。2003年電站對該機組進行增容技術改造，發電機轉動部分由浙江春江發電設備有限公司負責制造、組裝、調試，該廠家將發電機轉子磁軛更換為鑄鋼結構，中間帶有通風槽，磁極鐵芯為鑄鋼結構，磁極用螺桿固定在磁軛上，同時更換了轉輪；定子線圈更換工作由安徽電力修造廠完成。技術改造中，保留原發電機主軸、轉子支架、導水機構以及機組其他主要部件。機組設計額定有功功率由3 000 kW增容至4 500 kW，功率因數由0.8設計調整到0.9。機組試運行期間，當機組帶4 000 kW負荷試驗時，定子鐵芯、定子線圈溫度升高較快，始終保持在95℃左右，若增帶負荷，溫升很快突破110℃上限，機組不能正常運行；與此同時，技術人員對發電機組的上導、下導、水導（以下簡稱：“三導”）擺度和上機架振動進行了檢測、“三導”瓦溫和推力瓦瓦溫也進行了檢測，各項指標較為正常，空冷器、油冷器工作正常；但隨著機組運行時間的增長，上導、下導瓦溫緩慢上升，推力瓦溫上升明顯，為穩定瓦溫，逐步降低負荷運行，最終能在2 500 kW負荷穩定運行。顯然，機組運行異常，健康狀況不佳。為了恢復機組正常運行，自2003年～2011年期間，對該機組進行了多次檢修，經檢查發現，轉子極靴表面油漆有明顯過熱后留下的痕跡，轉子磁極線圈等多處絕緣墊（環氧樹脂板）以及其他絕緣材料過熱、發黑，發黑部位絕緣材料一捅即碎。每次處理后均是如此，可以說，機組始終帶病運行。

2 原因分析

根據機組運行參數的監測情況來看，水輪發電機空載運行穩定，甚至在2 500 kW負荷時依然穩定運行，各項機電參數監測指標正常。通過現場逐步增帶負荷試驗、參數變化情況，并對2003年來運行和歷次檢修情況進行分析，認為可能導致機組運行溫度異常升高的原因有三：

①機組增容改造后，轉子磁軛采用磁軛圈結構，磁軛部無通風溝，使得機組徑向通風循環不好，使得機組運行中電流的熱效應產生的熱量不能正常向外界傳導，經過空冷器冷卻的空氣不能較好流入機組定轉子間隙。也就是說，由于轉子結構的原因造成機組通風不暢，冷卻效果不良。并且，在現象上看，機組的轉動部分（轉子）比定子部位過熱情況嚴重的多，轉子磁極線圈等多個絕緣墊以及接頭絕緣材料發黑，發黑部位絕緣材料一捅即碎，而定子部位僅顏色稍有變化。由此判斷，熱源部位轉子比定子產生的熱量更多。

②機組增容改造后，依然使用了原來的空冷器，顯然，機組增容后，轉子的勵磁電流和定子的線圈電流明顯增大，電流的熱效應也隨之明顯增大，原有的空冷器顯然也滿足不了機組增容后循環風冷卻的需要，冷卻效果不好。這在機組運行時風洞口可直接感受到，空冷器出口處監測到冷風溫度高，與其他同容量機組相比高了很多，空冷器的冷、熱風差值與其他同容量機組相比也明顯異常。

③發電機轉子制造工藝較為粗糙。首先，轉子磁軛多處有人工打磨的痕跡，顯然精加工欠缺；其次，磁極與磁軛螺栓孔有近一半對不上，需現場處理螺栓勉強才能連接固定；再次，多個磁極在安裝線圈過程中，中間絕緣材料（環氧樹脂板）厚度不一樣；另外，在機組動態調試中，在局部點加了15 kg配重塊才能平衡運行。

通過以上原因分析，確定了技術改造方案：第一，考察選擇競標方案中性價比較為合適的四川東風電機廠有限公司作為設備改造配套廠，確定設計發電機額定有功功率4 000 kW，功率因數為0.85（滯后）；第二，更換發電機轉子磁軛、磁極鐵芯、轉子線圈；第三，重新設計選擇空冷器；第四，嚴格對新轉子精加工工藝進行檢測以及測圓、靜平衡試驗和動平衡試驗。

3 技術改造方案的實施

①設計、生產發電機轉子和空冷器。其中，機組部分參數為：額定容量4705.8 kVA，額定電壓6 300 V，額定電流431.1 A，額定功率因數0.85（滯后），額定勵磁電壓110 V，額定勵磁電流340 A，轉子絕緣等級F級，轉子電阻（75℃）0.288 Ω，轉子繞組允許溫升90K（允許溫度120℃），效率η（計算）=96%。空冷器的散熱容量為4×50 KW。

②經過設備廠家的校核計算，發電機的轉子及同軸連接的轉動部件，其結構強度按最大飛逸轉速設計，在飛逸轉速時，運轉5 min不發生有害變形。在此基礎上，確定發電機大軸不更換，包括轉子支架。轉子支架由鑄鋼輪轂、鋼板圓盤、立筋組焊而成的，形成圓盤式結構。

③轉子磁軛由鋼板疊壓而成，相鄰兩層間相錯一個極距。磁軛全長分為3段，中間有2條環形通風道，用拉緊螺桿把緊成整體，然后熱套于主軸上。用來支撐磁極和傳遞力矩。

④磁極由磁極鐵芯、磁極線圈、阻尼繞組及磁極托板組成。磁極鐵芯由1.5/Q345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3.15×35.5 mm銅帶自下而上順時針方向連續繞50.5匝（有效匝數）而成，每匝間墊0.14 mm厚的高強度環氧玻璃坯布241層作為匝間絕緣；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。阻尼繞組由阻尼條與阻尼環組成，阻尼條采用Φ15/T2銅棒，阻尼環采用軟銅母線16×40/TMR加工而成。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，為了裝配上的需要還備有1 mm及0.5 mm厚環氧酚醛玻璃布板作調整墊片。

這樣改造后，疊片式磁極比實心式磁極的渦流損耗要小的多；磁軛的2條環形通風道改善了風循環條件；增大了轉子磁極線圈截面積，減小了轉子線圈的電流密度，有效減小控制轉子線圈的熱效應；同時，在機組旋轉時，裝在磁軛兩端的風扇，形成整個風路循環的動力源，強迫冷風去冷卻定、轉子線圈和鐵芯。

⑤空氣冷卻裝置，采用4個空冷器（原有2個），每個有多排銅管組成，銅管表面布有銅質散熱片，機組產生的熱風經過散熱片，熱量由冷卻水管中的帶走，冷卻后的風溫控制在40℃以下，每個空冷器的散熱容量為50 kW，充分滿足機組散熱、冷卻風的需要。確保機組滿負荷運行時，能夠有效控制機組定、轉子溫度穩定在國標范圍內。

⑥機組溫升試驗。機組安裝完成后，經過嚴格的靜態調試和動態調試。溫升試驗按照額定負荷（4 000 kW）的25%、50%、75%、100%遞增和相應反序遞減監測機組運行情況，依次進行試驗，每30 min記錄一次運行參數。當1小時內溫度達到穩態后，進入下一負荷段試驗。試驗中。機組運行平穩，發電機定轉子溫度正常，上導、下導、水導、推力等瓦溫正常、擺度正常，“三導”油槽油溫正常，機組振動正常。

其中，機組滿負荷試驗監測的相關數據如表1所示。

4 結 語

佛子嶺水電站#3機組技改的成功。對我們分析、查找和解決機組技改方面存在的不足和問題積累了經驗、樹立了信心。當前，國內有大量的老舊機組，亟待進行技改或增容改造，成功的的技改或增容改造能夠改善機組健康狀況、增加出力、提高效益，使得老水電廠重新煥發青春，為水電行業經濟的發展注入新的活力。

參考文獻：

[1] 馬龍，周伍，曾廣棟，等.葛洲壩電站3號機組增容改造穩定性分析[J].大電機技術，2012，（6）.