竹青背電站2號F水輪發電機技術改造增容

羅征寧

（清流縣優恩電力有限責任公司，福建 三明 365300）

1 概述

竹青背電站位于羅口溪長潭河中部的長校鎮境內，設計庫容870萬m3，大壩高42 m壩長203 m，集雨面積498 km2，多年平均降雨量18 120 mm，多年平均流量16.31 m3/s[1]。裝設2×2 500 kW水輪發電機，水輪機型號：HL240-LJ-140，設計水頭25 m最低水頭16.90 m，最高水頭32.24 m，設計流量12.12 m3/s，吸出高程10.60 m，水推力194 kN，重量25 t，發電機型號：SF2500-24/2600，重量28.70 t，額定電流286.4 A，額定電壓6.3 kV，絕緣等級B級3相[2]。多年平均發電量2 175萬kW·h，年利用小時4 350 h。1996年6月1日投產發電，72 h試運行時1號發生聲音異常，經調查發現定轉子間有劃痕；同年10月2號水輪發電機發生定轉子碰撞磨損，定子鐵心發紅，溫度達到限值；運行前幾年定子溫度多次達極限130 ℃，檢查發現定子槽漆板沒有開導風槽，結合大修開導風槽；在之后運行近20年定子溫度還是偏高，電磁聲較大，振動近限值[3]。雖然經過多次技改，并在大修中進行多次消缺處理，但是仍然無法達到理想狀態。2011年10月份在針對性處理缺陷及大修中發現：①定子線棒被鐵心割傷；②鐵心變形松動。

2 技術論證

2.1 水輪機出力校核

基于上述概述，水輪發電機日常運行水頭控制在390.00～393.51 m以內，折算水頭為29～32.50 m以內，結合水輪機洗力型普表[4]可得機組發電力公式為：

公式（1）中，Q為水頭高度，η為系數值為0.92，H為水輪機轉速。

根據公式（1）可以得到N=(9.81×1.24×293/2×0.92)2=3 054.50 kW，如果水頭再提高0.50 m(即29.50 m)，則N=(9.81×1.24×29.53/2×0.92)2=3 215.30 kW。在原有水庫水位高度下降量L=1.40，H=250 r/min的情況下，可得水輪機的Qmax，和各種水頭下相應的流量為n=N/(9.81L2Q3/2η)=3 215.30/(9.81×1.40229.53/20.92)=12.14 m3/s，故在水頭29.50 m時引用流量12.14 m3/s，對應轉速H=250 r/min。由此可以得到在不改變水輪機的情況下，通過提高運行水頭高度可以促使機組出力達到3 000 kW以上。

2.2 水輪機增容改造要求

在確保額定水頭數值不變的情況，通過提高轉輪效率，加大過流量，提高水輪機出水量，經工程測試，水輪機經改造后較原機組提高20 %～25 %，且經改造后水輪機性能指標均符合標準要求。為降低水輪機增容改造成本，只更換轉輪、導葉臂和部分尾水錐管等零部件。經測試，增容改造后機組抗汽蝕和磨損性能良好[5]。

2.3 原水輪機改變水頭主要技術參數

2.3.1 主要技術參數

型號：HL240---LJ—140，轉輪直徑：1 400 mm。可增大運行水頭機組容量，但增大2 500 kW上一級的發電機是SF3200—20/3080，這樣將改變原有基礎，投資大、耗時長。采用廠家建議，將定子轉子改造為3 000 kW非標發電機，技術參數按3 200 kW(型號SF3000---20/30800）計算。主要技術參數分析如表1所示。

表1 主要技術參數分析

水頭運行機組容量設計如表2所示。

表2 水頭運行機組容量設計

這樣調速器達到限值，考慮原有調速器（YDT--1800改）的設計余度，可以滿足運行需要。

2.3.2 水輪機主要部位要求

轉輪止漏環間隙為0.60～0.84 mm；導水葉閉合邊立面間隙0.10 mm；原水輪機主要部位經實測得水輪機轉輪止漏環間隙在0.76 mm；導水葉閉合邊立面間隙≤0.70 mm；轉輪模型較好，沒有明顯的氣蝕、沙蝕，破損等現象，轉輪效益高，水頭適應范圍廣，為16.90～32 m。

2.4 水輪機改造原則

水輪機改造中，水輪機機組增容改造的關鍵是通過改造水輪機轉輪，提高水能資源向機械能的轉換效率[6]。由于水頭和流量存在一定的差異，相同轉輪在不同的水頭、流量下，其工作效率隨之變化，需要合理選擇改造水輪機轉輪，防止水輪機出現振動、氣蝕等不良現象，提高電站經濟效益。竹青水電站機組增容改造工程中，在對原機組水頭、流量條件進行深入分析的基層上，以保證機組各項參數符合技術規范要求為前提，通過更換效率高、流量大的水輪機轉輪，滿足水輪機增容改造要求。經改造后的混流式水輪機轉輪與原轉輪機直徑、流道一致，過機流量提升效果明顯，機組出力效果顯著，根據水輪機改造測試數據表明，機組出力提高約20 %以上。但受壓力鋼管的限制引用流量改變較小。在綜合考慮后決定不更換原有轉輪（水輪機部分不動），型號為：HL240—LJ—140，通過在止漏環上薄薄電焊一層并打磨至合格，使水輪機轉輪止漏環的間隙為0.65 mm。

3 發電機改造

3.1 發電機現狀

發電機定子線桿被鐵心切斷，鐵心變形松動等必然要修復鐵心和定子線桿，絕緣等級B。

3.2 發電機改造途徑

水輪發電機的增容改造是在現有條件下，有效提高電站經濟效益的重要途徑，也是改善原機組運行安全問題的重要保證。經本工程水電機組增容改造實踐表明，在相同功率下，水輪發電機出力增加幅度為20 %～25 %。但由于改造后的水輪機功率增加可能導致發熱量增加，因此，應加強轉子溫度控制，更換定子線圈和轉子線圈為F級絕緣材質，確保轉子溫度在絕緣允許極限溫度控制范圍內，滿足機組各項電氣指標及安全運行要求。

3.3 發電機改造原則

3.3.1 原繞組的改造增容

由發電機現狀可以判斷原發電機須更換定子線棒、鐵心。在對原繞組增容時，應先通過增大定子繞組線規方式，降低定子繞組電阻，確保定子繞組電阻發熱量大于原繞組發熱量，在合理改造范圍內實現繞組的增容改造。由于發電機組定子槽尺寸受限，對增容尺寸存在一定限制，因此，在增容過程中，可通過改變原機組絕緣浸漆工藝，將機組絕緣等級提高至F級，并采用損耗低、耐電壓、高介質的優質絕緣材料，合理控制絕緣層厚度，達到在不改變機組定子槽規格的情況下增容的目的。通過上述技術措施，可增加一個容量等級（3 200 kW)。

3.3.2 原機組定子的改造增容

因為發電機基坑環境條件的限制，需根據原機組定子機座尺寸更換發電機定子鐵心、鐵心槽形尺寸以及發電機定子線圈。通過與廠家協商改容量等級為3 000 kW，型號：SF3000-24/2600，功率3 000 kW，電壓6 300 V，額定功率因數0.85（滯后），電流323.4 A，轉速250 r/min，頻率50 Hz，相數3，接法Y，絕緣耐熱等級F級。

4 發電機轉子的改造

4.1 增加勵磁功率

針對發電機容量增加20 %～25 %，空載勵磁功率并未增加的情況，應通過增加定子電流方式，通過電樞反應增加勵磁功率。

4.2 轉子線圈翻新改造

為滿足轉子翻新改造要求，本工程將水輪發電機舊線圈做退火處理。通過退火處理方式，能夠起到軟化銅排和除去舊絕緣的作用。經退火處理后，重新熱壓轉子線圈，并將線圈絕緣等級提高至F級。經轉子線圈翻新處理，線圈匝數增加10 %～15 %，有效提高了轉子絕緣等級，轉子繞組擴容幅度為120%～125 %。

4.3 機組改造增容參數

空載勵磁電流100 A；空載勵磁電壓55.80 V；額定勵磁電流226 A；額定勵磁電壓 218 V；滿載效率96.40 % ；直軸同步電抗Xd＝1.41；直軸瞬變電抗Xd/＝0.26；直軸超瞬變電抗Xd//＝0.17；橫軸同步電抗Xq＝Xq/＝0.83；橫軸超瞬變電抗Xq//＝0.18。

5 機組改造增容和新增裝機比較

電機增容擴建方式是改善老電站機組運行效能的重要途徑，是新時期中小型電站改造發展的重要方向。與新增機組增容改造相比，老機組增容改造具有以下優勢：

5.1 改造增容經濟效益高

竹青背電站機組增容改造的費用在1 000元/kW～2 000元/kW之間，但是如果新增裝機則需投資5 000元/kW～10 000元/kW，改造增容的投資成本明顯低于新增裝機。

5.2 投資見效快，不影響正常發電

竹青背電站機組的增容改造可在機組枯水期完成，不影響電站的正常發電。本電站的改造增容只需一兩個月就可完成，施工周期短、投資成本低、收益高。電機改造增容后投入運營生產快，投資回報周期短、效益高，電站運營2年左右就可收回改造增容的投資成本。

5.3 施工方便簡單

原有的基礎設施因外形不變，增加的機組增容必須增加一系列配電設施，施工復雜，而本文中提出的竹青背電站機組增容改造措施，施工簡單方便。

6 結語

本次2號F水輪發電機技術改造增容基本成功，解決原發電機運行時間較長、電密較高、冷卻風路不暢、運行溫度較高、致使鐵心變形及松動、線圈絕緣老化及損傷等問題，同時又增加機組效益，在運行上只要輕松調整運行特性，簡單節約。