山美地面電站機組增效擴容改造

黃少陽（泉州市山美水庫管理處，福建 泉州 362321）

山美地面電站機組增效擴容改造

黃少陽
（泉州市山美水庫管理處，福建 泉州 362321）

摘要：山美地面電站運行將近20年，設備存在諸多缺陷，安裝單位在安裝3號機組時，由于機組安裝高程偏低，機組大軸聯軸法蘭面處理不當，軸線曲折度沒有消除，水輪機轉輪相繼出現振動和葉片裂紋等問題，存在較多安全隱患，嚴重地影響電站的安全運行。電站于2008年將原來HLA296轉輪更換為X75型轉輪，水輪機性能明顯提高，但機組的震動和擺度仍然偏大。根據水能參數和機組實際情況，保留原來的輪輪，對發電機作增容改造，通過改造發電機定子鐵芯、線圈和轉子磁軛、磁極，絕緣采用F級。改造后出力由30MW增至33MW，機組噪音、振動、各部溫升均符合要求，取得了很好的經濟效益。

關鍵詞：地面電站；水輪發電機組；增效擴容改造；安全運行

1工程概況

山美地面電站位于福建省泉州地區南安市境內晉江支流東溪中游，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電站。距著名僑鄉，閩南“金三角”經濟開發區泉州市約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年代建設投產的機組，設計裝機1×30MW。由于該水輪機為HLA296機型，是我國80年代產品，性能參數較高，但穩定性差，相繼出現振動和葉片裂紋等問題。2008年對地面電站機組轉輪進行技術改造，將原來HLA296轉輪更換為X75型轉輪，水輪機性能明顯提高，因此這次改造保留原來的轉輪。

2機組改造的理由

（1）機組經過近20年的運行，由于熱老化、電老化、機械老化等多種因素，以及安裝單位在安裝3號機組時，安裝高程偏低，機組大軸聯軸法蘭面處理不當，軸線曲折度沒有消除，推力頭卡環配合過松等原因，嚴重危及機組安全運行。

（2）根據電站水位變化后的水能參數和機組的實際情況，通過對原水輪機詳細計算分析論證，在不更換轉輪的情況下，能保證發電機容量從30MW增容到33MW。

（3）充分利用水利部財政部2013年對小水電改造提供財政資金補助。該工程投資3211萬元，其中：中央補助1605萬元、省財政補助300萬元、市財政補助300萬元、其它部分自籌。

3水輪機改造基本原則

水輪機設備要滿足以下基本條件：

（1）座環、蝸殼、尾水管流道尺寸不變。

（2）在滿足水輪機安裝高程不變的條件下，水輪機額定出力為34MW。

（3）機組調節保證值要滿足現行運行要求。

（4）滿足原調速器的額定工作壓力P=2.5MPa。

（5）所有改造設備與原設備應有良好的配合。

4機組增容改造的主要項目

4.1水輪機改造

除保留原有X75型轉輪和埋入部件外，包括導水機構改造（含頂蓋、底環）和控制環改造、導葉接力器裝配、主軸密封改造、水輪機軸、水導軸承改造。

改造后水輪機的主要技術特性如下頁表1。

表1水輪機的主要技術特性

4.1.1水輪機軸

水輪機軸經校核在增容至34MW情況下，原主軸不再采用，更換新主軸來保證其具有足夠的剛度和強度，可在最大飛逸轉速范圍內的任一轉速下運轉而不產生有害振動和變形。

主軸與導軸瓦和主軸密封對應的位置采用不銹鋼軸襯，主軸應進行無損檢測。

4.1.2導水機構

導水機構包括頂蓋、底環、控制環、導葉及傳動機構等。

（1）導葉

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

導葉的止推裝置設在頂蓋上部，限位裝置設在底環上，該裝置能限制導葉在破斷銷破斷后不產生擺動及不穩定運行，且能保證導葉不處于自由狀態。

（2）頂蓋

頂蓋采用Q235A鋼板焊接結構，加設抗磨板，抗磨板材料選用0Cr18Ni9不銹鋼材料，具有足夠的強度和剛度。

頂蓋上設有測量頂蓋壓力的測孔、測頭和真空破壞閥。頂蓋下導葉活動范圍設有抗磨板，與轉輪上冠對應部位設有止漏環，止漏環材質采用1Cr18Ni9Ti。

（3）底環

底環采用不銹鋼板（0Cr18Ni9）焊接而成，底環具有足夠強度和剛度以支撐最大壓力和作用在上面的其他荷載，而不產生有害變形。導葉處于關閉狀態時，導葉上、下端面和頂蓋與底環間隙均符合規范要求。

底環上設有止漏環，其材料為耐磨蝕性能好的不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料。

（4）控制環

控制環采用Q235A鋼板，控制環底面裝有環向導軌和抗磨板，抗磨板具有自潤滑性能，不需要潤滑系統。

（5）推拉桿

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

（6）導葉傳動機構

導葉傳動機構包括導葉臂、連板裝配，連板與導葉臂之間裝有剪斷銷。

導水機構除去操作機構螺紋連接零部件（連桿拐臂等）外，暴露在空氣部分的部件和靜態連接螺栓等材質采用不銹鋼。

4.1.3水導軸承

由于山美水庫水質較好，本次技術改造仍然采用水潤滑導軸承，具有耐磨損，壽命長，高承壓和磨擦系數小的金屬彈性塑料瓦。

4.1.4主軸密封

在水導軸承上部設置主軸工作密封，主軸密封方式采用結構簡單，便于檢修和維護的Y型尼龍盤根式密封。

4.1.5導葉接力器

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

4.2發電機改造

發電機改造在保留原有的發電機基礎及定子機座、發電機上支架、發電機下支架情況下，更換發電機定子鐵芯、線棒、主軸，更換發電機轉子；改造原有的冷卻系統；發電機導軸承和組合軸承改造；制動系統改造；改造后發電機額定出力33MW。

水輪發電機的主要技術特性：

型號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0.85（滯后）

額定轉速166.7r/min額定頻率

50Hz相數三相絕緣等級F

飛輪力矩GD2≥3010t·m2定子繞組連接Y型連接勵磁方式可控硅靜止勵磁

4.2.1定子

定子機座不更換，維持定子鐵芯軸向高度不變，定子鐵芯采用低損耗、無時效、機械性能優良的冷軋薄硅鋼片（武鋼50W270）疊裝成整圓。發電機采用上、下兩端進風，端部回風，通風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級絕緣，由單根線棒組成，星形連接。主引出線和中性點引出線的絕緣為線電壓級全絕緣，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轉子

轉子采用無風扇結構，由轉子圓盤支架、磁軛、磁極等部件構成，在結構上都具有足夠的機械強度和剛度，轉子支架為圓盤式焊接結構。磁軛是由經鈍化處理的高強度冷軋薄鋼板疊片組裝成的堅實結構。磁極鐵芯采用由拉緊螺桿緊固的高強度薄鋼板制成，壓力疊裝，通過磁極上的鴿尾或“T”尾與磁軛上相應的鍵槽掛接。磁極繞組的絕緣為“F”級絕緣。制動環的磨擦面采用優質、耐熱、耐磨材料，表面加工光滑。

4.2.3主軸

發電機軸經校核在增容至34MW情況下，原發電機軸也不再采用，更換新主軸來保證其具有足夠的剛度和強度，可在最大飛逸轉速范圍內的任一轉速下運轉而不產生有害振動和變形，新主軸均進行無損檢測。

4.2.4推力軸承及導軸承

推力軸承布置在發電機轉子上方的上機架上，采用金屬彈性塑料瓦；導軸承采用金屬彈性塑料瓦。推力軸承和導軸承在運行中不允許甩油，采用固定式迷宮密封蓋，防止軸承油霧進入發電機內。

4.3冷卻系統

4.3.1發電機空氣冷卻系統

發電機采用密閉自循環空氣冷卻系統。冷卻系統包括冷卻器及其附屬部件、內部管道等。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。冷卻器對稱布置在定子機座周圍形成一個密閉循環冷卻系統，其高度保證定子鐵芯、定子線圈端部、匯流排的通風冷卻。

4.3.2潤滑油冷卻系統

潤滑油的冷卻方式采用同槽內部自循環的油冷卻潤滑方式。油冷卻采用水冷方式。推力軸承、上導軸承油冷卻器布置在上機架內。每個軸承油槽中裝設紫銅制造的油冷卻器，冷卻器水箱蓋、承管板及其進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

5.1改造效益

機組改造后，經過試運行，負荷在33MW工況下長期運行，機組噪音、振動、各部溫升等均符合要求。機組改造增容后,在與改造前相同運行條件下,機組效率提高，減少了耗水率，增加了發電量；發電機改造后,絕緣等級大大提高，保證了機組的安全、經濟運行，減少了機組大修費用和停產損失。

5.2體會

從山美地面電站水輪發電機組增效擴容改造過程和改造后發揮效益來看，可總結有以下幾點：

（1）對于運行多年的水輪發電機組，要使其更好地發揮作用和提高出力，創造更好的經濟效益，對其進行更新改造，使其充分發揮現有的潛力，是一個行之有效的途徑。

（2）機組改造有它的特殊性，在改造前必須做許多仔細的分析和測量工作，必須制訂好切實可行的改造方案，這樣不僅節省了投資，而且成功率高、時間短，發電損失少。

（3）機組改造過程必須加強工程管理，實行項目經理負責制。引進競爭機制，堅持三級質量安全管理，嚴格按照建設規范要求，抓好工程的質量、進度、安全。

（4）電站改造須爭取多方支持，有關部門必須從政策上來扶持，只有這樣才能使老電站走出設備老化嚴重、事故頻率高和經濟效益差的困境。

6結束語

我國早期建設的水電站都面臨著技術改造的問題。一個是運行時間長，設備老化、問題多，不能保證安全經濟運行；另一個是由于科學技術迅猛發展，用新技術來改造舊設備無論在效率、容量、穩定性、可靠性等方面都有很大的余度，山美地面電站的增效擴容改造可以為同類電站提供一個很好的范例。

中圖分類號：TV734.1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）04-0016-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.005

收稿日期：2014-09-19

作者簡介：黃少陽（1974-），男，工程師，從事水輪發電機組的安裝與檢修工作。