虎牙電站技術供水系統水泵電機改造措施

廖啟智

（會澤縣川渝水電開發有限公司，云南 曲靖 654200）

1 概述

涪江上游虎牙河梯級一級虎牙水電站位于四川省綿陽市平武縣境內，壩址位于虎牙河與白洞溝匯合口下游30 m處，壩址以上集水面積363.0 km2，多年平均入庫徑流量3.47億m3，水庫正常蓄水位1 860.0 m，總庫容30萬m3。電站共裝設2臺24 MW混流式水輪發電機組，多年平均發電量22 632萬kW·h，年利用小時數為4 715 h。

虎牙水電站技術供水系統采用單元供水方式，每臺機組設置一個供水單元，每個供水單元包括2臺立式離心水泵、2臺電動機、冷卻器、閥門、管路及附件組成。

2 技術供水系統組成及原理

2.1 用水設備

虎牙電站技術供水系統的用水設備包括：發電機上、下導軸承冷卻器，發電機空氣冷卻器，水導軸承冷卻器。系統的主要參數見表1。

表1 主要設備參數

表2 更換葉輪參數對照

2.2 水源及供水方式

虎牙電站技術供水系統技術供水系統為內循環式，故冷卻水水源為2臺機組共用一個蓄水池（容積55 m3），每臺機組各有2臺水泵（互為備用），這種供水方式運行靈活，可靠性高，便于自動控制。系統運行路線為：蓄水池→水泵→管路→尾水冷卻器→機組冷卻器→管路→蓄水池[1]。

3 技術供水系統存在的問題

虎牙電站2020年正式投入運行，經過近3年時間的運行，技術供水系統運行主要問題為：

（1）技術供水泵電動機運行發熱嚴重，電機外殼溫度超過75 ℃。

（2）截止2023年4月，技術供水泵4臺電機軸承已損壞超過15次，電機繞組短路燒毀已超過6次，主要現象見圖1、圖2所示。

圖1 轉子掃膛、繞組短路燒毀

圖2 軸承抱死損壞

技術供水系統主要作用是對電站運行中的發電機、軸承等設備進行冷卻，其核心工作就是為機組設備提供充足的冷卻水水源。在技術供水系統中最重要的設備就是水泵、電機和輸水管，其中又以水泵、電機最為重要，它們為冷卻水提供了動力支持，故必須保證技術供水泵和電機的可靠、穩定運行。尤其是豐水期，2臺機組均滿負荷運行，此時若技術供述系統無法正常運行，則機組只能被迫停機，1 d將損失50余萬kW·h電量。

4 故障分析

4.1 運行溫度過高的主要原因

（1）選型方面：選用的水泵參數嚴重偏離工況，如揚程選用過大，而實際 運行揚程較小，此時會使水泵運行流量遠超額定流量，導致電機過負荷運行；選用的電機動力不匹配，電機長期處于過負荷狀態運行，使電機運行溫度過高。

（2）電動機方面：定子繞組有相間短路、匝間短路或局部接地,輕時電動機局部過熱,嚴重時絕緣燒壞；軸承損壞造成電機運行過載故障引起溫度過高。

（3）電源方面：若電源電壓超過10%的額定電壓或低于 5%的額定電壓時，會造成電機運行溫度過高；電源三相電壓不平衡，會引起電機溫度過高。

（4）工作環境方面：若電機受潮或有油污附著在繞組上面，會導致絕緣性能降低，從而導致繞組短路。

4.2 分析計算

（1）根據表1可知，1 臺機組總冷卻水量為219.2 m3/h；現場經壓力表觀察，1號機組1號、2號水泵出口壓力分別為0.36 MPa、0.39 MPa；2號機組1號、2號水泵出口壓力分別為0.36 MPa、0.35 MPa。故判斷選擇揚程46 m，流量選擇240 m3/h的水泵基本滿足運行要求，但根據電機運行電流值，有可能揚程選擇稍大，造成實際運行流量值偏大，水泵性能曲線見圖3。

圖3 ISGD200-400立式單級離心泵性能曲線圖

式中：N—水泵軸功率（kW）；Q—水泵額定流量（m3/h）；H—水泵額定揚程（m）；g—水泵效率（0.6~0.85）。經計算：水泵效率取0.75時，軸功率為40 kW。安全系數取值1.1，電機選型45 kW滿足計算要求。

（2）通過搖表測量電機絕緣值大于0.5 MΩ，滿足要求，故判斷繞組絕緣無問題。由于電機軸承經常更換，通過圖1、圖2的運行現象分析，電機軸承損壞是引起電機溫度過高的主要原因。

根據公式I=P/（cosφU）

式中：P—機額定功率；U—電機輸入電壓（380 V；cosφ—功率因數（0.86））計算，虎牙電站技術供水系統電機額定工況下運行電流約為79 A；但使用鉗形表測量，實際運行電流均超過80 A，即技術供水泵電機長期處于過載狀態下運行。據現場測量，技術供水泵電機運行溫度較高，電機外殼運行溫度超過75℃，又進一步證實了電機處于過載運行狀態。

電機長期過載運行，電機運行溫度過高，高溫環境導致軸承處潤滑脂融化、 蒸發，致使電機軸承潤滑不足，電機運行振動加劇，影響水泵平穩運行[2]。嚴重時導致軸承抱死、軸承滾珠變形掉落，甚至因電機停機不及時可造成電機轉子掃膛，繞組燒毀等故障發生。電機軸承潤滑不足導致電機運行振動超標，振動過大會進一步加劇軸承的損壞，從而造成惡性循環，電機軸承經常損壞導致電機運行溫度過高引起電機繞組絕緣損壞。

（3）經檢查，電站內廠用電電源滿足使用要求，不存在三相不平衡或過壓問題。

（4）運維人員定期對電機進行清潔、清掃，電機運行環境滿足要求。

5 故障處理措施

根據上述故障原因分析，有以下處理方案：

（1）增強軸承潤滑效果。選用SKF 6313-2Z/C3進口軸承，并定期向軸承端蓋內補充耐高溫軸承專用潤滑鋰基脂，但補充的潤滑脂無法有效進入到軸承遮塵蓋內的滾珠內，效果很差。

（2）更換廠家，重新采購一套水泵。由于原廠家水泵電機質量可能不滿足要求，故討論重新選擇一家優質水泵制造廠家，但不同廠家設備的外形尺寸相差很大，水泵出口中心線位置、法蘭間距、基礎螺孔中心距均與原尺寸有很大出入。水泵基礎座需要全部打掉并重新澆筑，管路重新配裝、焊接，另外若更換廠家，水泵電機功率增加，軟啟動器也需重新選型采購，此改造方案的總費用約為4.3萬元（1套水泵的費用），且改造工作量大，既不經濟也費時費力。

（3）咨詢原水泵廠家。將電站技術供水系統及相關運行參數提供水泵原廠家，廠家設計人員分析水泵設計揚程為46 m，水泵出口壓力0.35 MPa，揚程選型偏大，建議選擇揚程為41 m，流量為240 m3/h的水泵，僅需更換水泵葉輪即可實現，1臺葉輪3 600元。經公司討論后決定，更換1臺葉輪觀察運行效果。

新葉輪安裝完成，運行至今，新舊葉輪運行參數對比見表3。

表3 新舊葉輪運行參數對比

通過對比，水泵更換新葉輪后電動機運行電流、溫度都有明顯下降，振動幅值在安全運行允許范圍內。根據1號水泵改造經驗，故將其他3臺水泵均按此方案進行葉輪更換。更換后，運行效果見表4。

表4 水泵葉輪更換前后運行參數表

6 結語

虎牙電站水泵葉輪更換后，由于水泵額定揚程降低至 41 m，故雖然水泵出口流量及出口壓力無明顯變化，但根據水泵性能曲線圖，水泵工況更靠近曲線左側，故電機負載降低，運行電流降低，電機溫度也降低。水泵葉輪更換后，電機徑向振動速度值、運行電流值、溫度值均有明顯減?。凰啺l電機組發電機空冷器及軸承冷卻器進出水溫度、發電機溫度、導軸承瓦溫、油槽溫度均無明顯變化且滿足規范及廠家技術要求，技術供水系統滿足發電機組長期帶額定負荷運行要求。

虎牙電站技術供水泵的成功改造為同類型電站提供了很好的案例，針對具體問題充分討論，不拘泥于固定思維模式，既解決了問題又節約了改造成本，處理效果良好。