界牌樞紐電站機電設備改造及效果

王玉林，吳有樹，游偉林，陶長波

（江西省港航局界牌航電樞紐管理處，江西 鷹潭 335001）

1 工程概況

1.1 樞紐概況

界牌航電樞紐是一座以航運為主，兼有發電等效益的建設項目，位于信江干流鷹潭以下12.5 km的中童鎮徐楊村附近。工程建設規模為渠化Ⅲ級航道46 km，1000 T級船閘一座，設計單向通航能力為580萬t，裝機容量2×10 000 kW電站一座，年設計發電量為8 613萬kW·h，20孔泄水閘，以及擋水建筑物和相配套的生產、生活設施等建筑工程。樞紐于1992年11月開工，工程主體項目于1997年基本完工投入試運行。工程自建成以來，充分發揮了通航、發電、灌溉、防洪等水資源綜合效益，確保了信江沿岸生產生活用水和城市景觀生態用水，美化了城市環境，為當地的經濟和社會發展做出了積極貢獻。

1.2 改造的必要性

界牌航電樞紐電站自投產至今，主要機電設備已經運行近20年，存在諸多問題和安全隱患：由于樞紐不能按設計水位蓄水，2臺發電機組長期在低水頭運行，偏離了原設計的最優工況區域，長期工作在低效率區間，致使機組出力減少、振動、擺度增大，直接影響到機組的安全穩定運行；主變壓器油枕存在滲漏現象，其他電氣設備也都存在型號陳舊、技術性能較差，能耗高，效率低的問題，多數屬于淘汰產品，不符合國家節能減排政策，而且這些設備的備品配件難以采購，日常的維護檢修工作非常困難。為此，當地供電部門曾發函要求電站進行設備技術改造。為了解決以上問題，也為了更好地履行社會責任，樞紐開展了電站機電設備改造工作。

1.3 改造的主要內容

（1）水輪發電機組及其附屬設備

1）10 MW的燈泡貫流式水輪發電機組；

2）調速器及油壓裝置；

3）勵磁系統；

4）油、水、氣系統；

5）機組在線監測及其他輔助設備。

（2）110 kV開關站設備

1）主變壓器及其附屬設備；

2）110 kV GIS 設備。

（3）廠內高低壓配電設備

1）高低壓配電裝置（高低壓柜、廠變、配電箱等）；

2）電纜及電纜橋架系統；

3）監控、五防系統升級改造；

4）廠房通風系統及其它設備。

2 主要技改設備的選型

2.1 主機設備

（1）2臺水輪發電機組采用整體改造方案，即對原機組除埋設部件的管形座、流道蓋板基礎和尾水管里襯外，其余部件更新為新設備。整臺機組采用臥軸水平布置，水輪機、發電機共用一根大軸，為兩支點雙懸臂的支撐方式，水輪機側為導軸承，發電機側為組合軸承，原管形座為機組主支承，傳送機組在各種工況下的徑向力、推力及扭矩力、以及機組重力。水輪機按適應本電站實際運行水頭范圍的轉輪型號進行選型，轉輪直徑由原來的5.50 m增加至5.60 m；發電機采用定子機座貼壁結構，發電機艙內定子上游端設置空氣冷卻器、冷卻水管和軸流風機，實現對發電機的通風冷卻；每臺機組設置一套純機械過速保護裝置和一套機組振動擺度監測裝置；改造前后機組主要結構與參數的對比見表1。

表1 改造前后機組主要結構與參數的對比

（2）為了驗證新水輪機性能是否達到設計要求，是否適應界牌樞紐電站降低2 m水頭運行的實際工況，生產廠家委托北京中水科水電科技開發有限公司做了界牌電站水輪機模型試驗。模型試驗的內容包括：效率試驗、空化試驗、飛逸轉速試驗、水推力試驗、導葉水力矩試驗、壓力脈動試驗。試驗報告顯示新的水輪機性能達到設計要求。

（3）項目實施前對原埋設部件的管形座、尾水管進行強度復核、探傷檢測及尺寸測量，經過廠家計算，管形座、尾水管的強度滿足新機組運行要求。

（4）新調速器采用武漢四創生產的WZT-80-6.3型雙冗余調速器，以兩套配置相同的可編程控制器（PLC）為控制核心，以比例伺服閥作為電液轉換環節，機械液壓系統作為執行機構，組成的一種新型微機調速器。具有結構簡單可靠、油耗低、油泵啟動次數少、斷電后保持當前開度不變、易于操作及人機對話方便等特點。

（5）勵磁系統采用微機型自并激可控硅靜止勵磁系統。此前界牌電站勵磁調節柜已經更換，要求本次更改的功率柜、滅磁柜應與現有的勵磁調節柜兼容，以便于勵磁系統在手動和自動控制下適應于所有規定負載下連續穩定運行。

2.2 110 kV開關站電氣設備

為了確保改造后電站機電設備安全可靠，能耗低，自動化水平高，對主要電氣設備選型的技術要求做了明確規定。

（1）通過方案比較，開關站的高壓設備選用戶內SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備（以下簡稱GIS設備）。主要電氣設備采用安全可靠性高，能耗低的產品，提高設備完好率，大量節省配電裝置占地面積和空間。

（2）主變選型：主變壓器可以選擇9型、10型、11型，其內部結構和損耗也不同，11型的結構先進，損耗最低，故選擇11型油浸式三相雙繞組無勵磁調壓變壓器（FS11），鐵心選擇了高導磁材料，線圈選擇較大截面積以及先進生產工藝，具有空載及負載損耗均較少、電氣絕緣性能好、安全性能好、全密封結構、噪聲小等優點。

2.3 高低壓配電設備

（1）6.3 kV成套配電裝置，采用金屬鎧裝中置移開式開關柜，其中主要元件采用高壓真空斷路器，適用頻繁操作，操作合閘機構由彈簧儲能機構，操作功小，使用壽命長。2臺發電機出口斷路器采用進口產品，其余斷路器用國產設備。

（2）400 V低壓配電柜采用抽屜式開關柜，具有外觀整潔、占地面積小、操作靈活、維護方便、故障低等優點。

（3）廠變、勵磁變采用帶鋁合金外殼的SC11型樹脂絕緣干式變壓器，近區變采用美觀大方的箱式變壓器。

3 改造中的問題及經驗

3.1 主機改造的問題與處理

（1）管形座內外環高程與方位尺寸偏差問題處理

由于原水輪發電機組屬20世紀90年代初產品，制造加工精度不夠，工藝比較落后等原因，2臺機組管形座內外環高程及方位尺寸與原設計尺寸都出現較大偏差，從而導致2臺機組安裝過程中出現如1號機組導水機構導葉端面間隙偏小、2號機組水導軸承與主軸軸頸位置存在偏差等現象。因無法查到原設備制造和安裝歷史資料，為此，業主多次召開技術討論會，邀請設計院、監理單位、安裝單位、主機廠家的專家代表與會討論，通過現場察看，查閱有關圖紙資料，一致認為先測量管形座的實際尺寸，再研究確定解決方案。

首先，確定采用現場測量的方法，由項目參與各方人員共同對管形座進行測量，通過對測量數據分析，發現1號機組管形座內環實際尺寸比圖紙長4～5 mm，2號機組管形座內環實際尺寸比圖紙尺寸短10 mm。

根據以上管形座實際測量尺寸，對安裝遇到的問題采取以下處理措施：

1）1號機組導水機構導葉端面間隙偏小問題處理

根據測量數據分析，1號機管形座內環實際尺寸比圖紙長了4～5 mm，是造成導葉端面間隙偏小的主要原因。處理方法為：廠家根據該數據，對轉輪室加工尺寸進行修正，確保轉輪室與轉輪中心一致，對導水機構采取現場修磨內、外環密封工作面，使導葉轉動靈活。導葉立面間隙則采取加大偏心銷的偏心量（由原來的5 mm調整為8 mm）來調整的方法解決。

2）2號機組管形座內環實際尺寸比圖紙尺寸短問題處理

由于2號機組管形座內環實際尺寸比圖紙尺寸短10mm，導致水導軸承與主軸軸頸位置相差10mm，從現場來觀察，相當于主軸向下游移動了10 mm。處理方法為：在轉輪室上游的法蘭面加9 mm鋼墊，內外端面打坡口，用封水焊加膠粘，使轉輪室與轉輪中心一致，對受影響的其他部件如主軸密封襯套、接力器與基礎板連接支架孔向上游側相應偏移9 mm。

發電機定子與管形座連接，需重新打孔。為加快施工進度，原計劃由廠家技術人員現場測量放樣，施工單位提前打好孔。鑒于擔心測量誤差以及鉆孔偏差，無法保證定子與管形座孔精準對位，所以，即使廠家派人進行了放樣，我們仍然采用待轉子安裝到位后，用剛組裝好的定子調入機坑預裝的方法定位，然后將定子退出，調入安裝場進行試驗及發電機冷卻系統、附件安裝等工作，與此同時，施工單位開始打孔作業，兩者所花費的時間大致相同，不會耽誤工期。通過定子安裝結果看，原人工放樣的孔位誤差還是較大（經現場檢測，人工劃線定位的孔與實際安裝孔最大相差約20 mm），雖然定子多了一次吊裝，看起來比較費時費力，但確保了定位精度，反而是節約了時間，使施工工期達到了預期目標。

（3）機組伸縮節漏水問題處理

2臺新機組運行一段時間后，伸縮節都出現漏水現象。按廠家圖紙要求，第一臺機組伸縮節密封采用直徑20 mm的橡膠密封條。鑒于第一臺機組伸縮節出現漏水現象，在安裝第二臺機組時，將直徑20mm密封條改為16 mm+6 mm的橡膠密封條，但投入運行后，仍然出現了伸縮節漏水現象。我們將這一情況反饋給設備廠家，主機廠技術人員提出了改進方案，今年初將2臺機組的伸縮節密封條更換為直徑18mm的“O”形丁晴橡膠密封條及加裝直徑8mm自適應型盤根，自投運以來，未發現漏水現象。

（4）發電機定子繞組引出電纜改型問題

發電機定子繞組中性點引出線電纜以及泡頭內的主引出線電纜原廠家設計用聚乙稀交聯電纜，由于定子內常年高溫環境（100℃左右），聚乙稀交聯電纜容易老化，經廠家同意更換為耐高溫的硅橡膠絕緣耐高壓電纜（型號為ZR-AGG-6 kV，1x150）。

3.2 110 kV電氣設備改造

（1）優化110 kV GIS設備及主變施工方案

為減少停電損失，整個改造期間，發電機組仍經原開關站向電網供電，同時在開關站的右側空地上，建設GIS廠房，在設備安裝結束并經供電部門驗收合格后，再安排2臺機組停機（約2 d時間），拆除原開關站至110 kV界西線1號終端桿聯網線，將GIS出線搭接至110 kV界西線1號桿，新主變低壓側由電纜接入原高壓室高壓柜內，110 kV GIS設備及主變投入試運行，最后拆除舊開關站設備及其附屬設施。

（2）主變壓器高壓套管連接方式

電站主變壓器高壓套管與110 kV GIS設備的兩個進線間隔均采用套管直接連接，這種連接的優點為，空間位置占用小，沒有導電部分裸露在外面，外部原因造成三相短路的概率小，設備運行安全可靠性高。但這種接線方式也給檢修、試驗帶來不便，GIS設備與變壓器檢修試驗周期不同，每次變壓器檢修或試驗時，都要涉及到GIS設備（抽空、拆除套管），增加了檢修工作量，沒有常規連接方式方便（有明顯可拆的連接點）。

科學大洋鉆探還顯示，海洋沉積物中的細胞數量與海洋或土壤中的細胞數量大致相同。探險隊不僅在8 000英尺深的沉積物中發現了生命，還在擁有8 600萬年歷史的沉積物和溫度超過60攝氏度的沉積物中發現了生命。

圖1 界牌水電站電氣主接線圖

3.3 高低壓配電設備改造

（1）設備布置

原廠內高低壓配電設備布置不合理，高壓室、低壓室及廠用變布置在廠房28 m運行層不同房間，勵磁室、勵磁變布置在21 m運行層，這樣給運行檢修帶來諸多不便，增加了運行人員的勞動強度。改造方案是將原高壓室、低壓室、廠變室的隔墻拆除，重新整合為一個大空間，將主要電氣設備包括高低壓配電柜、勵磁柜、廠用變、勵磁變集中安裝在這空間內，將新高壓柜、低壓柜和廠用變分別成單列布置，保證了改造后的整體性和美觀性，并配備中央空調調節室內溫度，大大改善了設備的運行環境（界牌電站電氣主接線詳見圖1）。

（2）實施方案及步驟

為確保樞紐安全運行和降低因電站電氣設備改造而造成的機組停機，減少發電損失，電站改造施工時間盡量安排在枯水期。高、低壓設備改造根據設計、現場情況和滿足單機運行等條件，制定了分步實施、逐步就位的改造方案，與機組改造同步實施，具體改造方案如下：

1）高壓柜改造

①根據施工安排，首先改造電站2號發電機組，因此在拆2號機前，先完成1號發電機組I段高壓母線段的高壓柜（含母聯柜）改造工作；

②I段高壓柜投入運行后，1號發電機組發電，2號發電機組拆機改造，同步完成II段高壓母線段的高壓柜改造工作；

③備用電源高壓柜因為不影響新高壓柜的布置，先保持運行狀態，待全部高壓柜安裝就位并順利上電后，再辦理相關手續退出備用電源，將備用電源電纜移至新柜再上電，至此高壓柜全部改造到位；

④高壓柜出線高壓電纜隨機組改造同步實施。

2）低壓柜改造

①在2號發電機組改造的同時，首先拆除II段低壓柜。拆柜前統計歸屬1號發電機組輔助設備的供電回路，并在I段低壓柜中找電流容量相當的備用回路，將II段1號機組輔助設備的供電回路轉移至I段低壓柜，實施轉移后停II段低壓柜電源（含備用電源低壓柜），開始拆除工作；

②將拆除的II段低壓柜移至已拆除的原II段高壓柜位置，布置臨時供電低壓柜，目的是接I段低壓柜的負荷和保證備用電源的供電。期間注意各部分電纜因長度不足接頭多的問題，運行時多巡視；

③制定單機運行的I段低壓負荷轉移計劃，再按計劃分批將I段低壓柜的用電負荷全部轉移至臨時供電低壓柜（有時需短暫停機）；

④拆除I段低壓柜，在原低壓柜位置安裝新低壓柜和廠用變壓器，調試上電后，新低壓柜投入運行，期間新2號發電機組的輔助設備電源全部接入新低壓柜，至此低壓柜改造就位；

⑤1號發電機組改造期間，所有輔助設備電源全部接入新低壓柜，將臨時低壓柜的供電負荷轉移至新低壓柜上，拆除臨時低壓柜。

3）電纜及電纜橋架

拆除舊電纜及橋架，重新架設電纜橋架，布置要求美觀，電纜敷設要求強弱電分層布置，編號、標示齊全清晰，無損壞，接地良好。

4 改造的效果

界牌樞紐電站在改造過程當中，很好地利用了原有的設備、空間、人員和切實可行的技術改造方案，不僅順利完成了改造工作，而且還保證了發電效益，真正實現了技改和效益雙“豐收”。改造后，電站設備故障發生率呈直線下降，設備安全可靠性得到提高，而日常運行維護工作量大大減少，整個樞紐運行的安全性、可靠性和經濟性取得了顯著提升。

（1）通過對樞紐電站機電設備、各輔助系統設備的改造，提高了設備本身的性能和電站的自動化水平，徹底解決了電站存在的設備老化等安全隱患，為電站安全穩定運行提供可靠的設備保障。

（2）根據同水頭同流量運行數據對比分析，改造后的發電機組比舊機組提高出力5%-10%左右，每年可增加發電量約300～500萬kW·h，取得了較好的經濟效益。

（3）主要電氣設備包括廠用變、勵磁變、高低壓配電柜、勵磁裝置集中安裝在高低壓室，并配備空調調節運行溫度；GIS設備、主變設備布置在室內，這些大大改善了電氣設備的運行環境，有利于電氣設備運行檢修管理，提高了設備的可靠性。

（4）全站電氣設備及電纜更換是老電站改造的最大難點，一邊改造，一邊運行，安全是最大壓力。我們通過合理安排工期，優化施工方案，加強現場安全監督，施工期間未發生一起安全事故，在主要施工期的2015～2016年，電站均超額完成了全年發電生產任務。

（5）界牌樞紐檢修人員參與機電設備的安裝，提高了檢修人員的素質，鍛煉了檢修隊伍，熟悉了新設備結構和性能，為今后電站機電設備檢修維護創造了有利條件。