酒埠江水电站增效扩容改造技术探讨

陈岳松，曾 扬，黄洪辉

（湖南省酒埠江水电站，株洲 412313）

1 酒埠江水电站概况

酒埠江水电站位于湖南省株洲市攸县境内的湘江二级支流攸水上游。工程1958年动工，1960年电站建成发电。水库控制流域面积625km2，水库正常水位164.0m，总库容为2.65亿m3，是一座具备年调节性能的大型水利枢纽，枢纽开发以灌溉为主，兼顾防洪、发电等综合效益。

电站为坝后引水式电站，装设3台3.0MW的立轴混流式水轮发电机组。采用单隧洞钢筋混凝土一管三支的引水方式，在每台机组蜗壳入口前装设DN1750mm电动蝶阀，蜗壳为半埋入式铸铁蜗壳。电站水轮发电机组均系上个世纪50年代国产设备，水轮机为仿苏PO-263-BM，发电机为TS325/44-22，B级绝缘。机组设计水头为31.7m，单机额定流量为11.88m3/s。由于当时生产工艺及制作水平有限，经过52年运行，机组效率低，出力已不足设计值的70%。同时，机组出现了机械部件磨损、锈蚀，电气设备绝缘老化等问题，机组运行安全性、稳定性下降。

电站2011年被列为全国首批农村水电增效扩容改造试点，2012年11月底，电站3台水轮发电机组全部更新改造完毕，并投入运行。

2 机组选型

2.1 基本原则

1）保持现有水工建筑物基本不变，水轮发电机组必须与现有的水工建筑物及尾水流道相配合；

2）根据国家试点要求，机组增效扩容改造额定工况下水轮发电机组的综合效率达到81%以上，电量增加10%以上。

2.2 基本参数要求

根据上述原则，结合电站水工枢纽建筑物相关特性，增效扩容新机组必须满足下列参数要求：

1）特征水头不变（最大水头38.5m，额定水头31.7m，最小水头24.5m）；

2）水轮机转轮直径基本不变，即1.30m≤D1＜1.34m；

3）机组调节保证值要满足机组设备安全、稳定运行的要求，即机组额定流量≤11.88m3/s，发电机转动惯量≥50t·m2；

4）水轮机在额定水头3 1.7 m 时出力≥3.48MW；发电机额定出力为3.3MW，最大出力为4.125MW；

5）发电机冷却方式由自然通风冷却改为密闭空气循环冷却方式，通风方式应满足机墩基本不动的要求，空冷器的尺寸满足现有发电机机坑尺寸的要求。

2.3 机组容量选择

根据电站上述参数计算及增效扩容改造工作要求，改造后单机容量（P=9.81×11.88×31.7η，考虑综合效率η取90%）可提高到3.3MW。

2.4 水轮机方案选择

根据电站水头范围，以及电站高水位时多为灌溉期，要保证灌溉流量，而在低水位没有灌溉任务时，必须以发电效益为主的运行特点，改造机型仍选择立轴混流式水轮机。

经咨询相关水轮发电机组制造厂商，符合电站改造要求的水轮机有4种（见表1）。

经比较，转轮HLA551C的模型效率及额定点效率最高，HL240效率最低，且HL240单位流量偏小，设计工况偏离最优工况较大，参数不够理想。 HL280模型效率较HLA551C低，且额定流量较大。综合来看，HLA551C型模型转轮比较理想，且HLA551C转轮是一种技术比较成熟的转轮型号，应用也较普遍，运行效果理想。经综合比较，本次改造选用HLA551C模型转轮。

表1 水轮机技术改造方案比较表

根据模型的效率曲线(见图1）分析，HLA551C-132的额定点效率比HLA551C-134高，HLA551C-132在31.7m及以下水头高效率区比较宽，在高水头运行时又能增加机组的过流量，更符合电站调度运行实际。原机组的吸出高度为+1.0m，HLA551C-132的吸出高度为+5.47m，在保持现有的安装高程（126.5m）不变的情况下，水轮机的空蚀特性更好。通过综合比较，水轮机选用HLA551C-132。

考虑到电站原水轮机蜗壳、导水机构都是铸造件加工粗糙，流道不理想，本次改造一并更换成与转轮相匹配的钢板压制蜗壳，以便优化转轮进、出水角度。并更换540mm长尾锥管和尾水补气部分，更好减少流道水能损失，提高尾水能量回收。

2.5 发电机选择

根据电站现有参数计算，机组改造后单机容量可提高到3300kW。同时，考虑到电站地处湘东幕阜山暴雨中心，在极端天气情况下，水库调蓄能力不足，调度手段有限，为增加电站发电消落能力，提高水资源利用效益，本次改造要求发电机具备10%的过负荷能力。综合上述因素，发电机选择了与水轮机相匹配的SF3300-16/3050，相关参数见表2。同时为合理有效利用原有基础，发电机机座不变，以保证发电机结构尺寸与现有水工结构相匹配。

发电机的转速由原来的273r/min提高至现在的375r/min，机组重量减轻，荷载减小。发电机绝缘由B级改为F级绝缘，提高了机组的绝缘等级。冷却方式由开敞式风冷更改为封闭式水冷，不仅可降低定子线圈的温度，还可提高机组的过载能力。

3 技术改造方案优化

3.1 发电机冷却系统改造

1）冷却方式选择：原有发电机是B级绝缘，原自然风冷却冷却方式冷却效果很不理想，在3.0MW额定负荷运行时，定子温度长期超过100℃，加快了线圈绝缘的老化，而且在停机过程中发电机线圈较易受潮，严重影响了机组运行的可靠性、稳定性。针对上述问题，本次改造，将原开敞式自然风冷却改成封闭式空气冷却器冷却方式，外加辅助加热器。

表2 改造后发电机主要参数

2）空冷器设计：由于原来机坑通道宽仅600mm，空间十分有限，不利于冷却系统布置。为了保证通道有足够空间，方便检查维护，将定子外壁挂空冷器处做成直边形，同时冷却器改由紫铜、铜镍合金的无缝管与合金金属叠片组成，以增加散热面积，提高冷却效果。空冷器厚度只有170.0mm，通道空间最小处有430.0mm，最大限度地节约了空间。运行实际表明，在3.4MW负荷运行时，空冷器的热风58.3℃，冷风22.52℃，定子温度最高只有84.6℃，远低于F级绝缘允许的最高温度140℃，冷却效果非常理想。同时，辅助加热器还很好地解决了线圈受潮的问题。

表3 酒埠江电站改造前后效能指标对照表

3）定子内部风道优化：常规情况下，改成封闭式空冷后，为了保证定子内部的通风道，在原有土建结构不作损坏的情况下，定子踏脚板的高度必须抬高，这样势必会出现通风道高度的一个台阶，影响发电机层外观的整体性。由于电站厂房宽度有限，内空仅9.0米，为满足机组运行安全和维护操作的方便，设计时在不降低定子本身强度的前提下，将定子承重支架的线圈上、下端部改成V型钢板支架结构，以增加风道，同时，挡风板采用玻璃钢压制成流线形导风圈，固定在上、下机架的支臂上。运行实际表明，通过改造，既保证了发电机风路中压力损失低、通风顺畅，又减少了漏风和通风损耗，同时其较高的刚度还有效的防止通风引起的机械振动噪音，确保了厂房安全通道的畅通和整体性。

3.2 主轴密封的改造

传统的水轮机主轴密封主要是采用盘根密封，易磨损，漏水，正常维护量大。本次改成巴氏合金无接触式密封，结构简单，维修方便。主要是以巴氏合金材料作为密封件，巴氏合金密封与主轴始终似接触非接触状态，而在顶盖密封与尾水补气箱下部用一根Φ150mm无缝管连接一起，利用顶盖漏水旋转离心力与尾水真空的吸力，达到将主轴密封渗水排至尾水管内的目的。这种密封可自我调整，不但密封效果好，而且减少了机房内的渗水量。

4 增效扩容的效果

湖南省湘电试验研究院有限公司对改造后新机组进行了试验，技术报告评价如表3。

根据试验测试的结果，水轮机出力及效率、流量等各项指标均优于设计值，达到且超过预期效果。

5 结语

在不改变水工建筑物的情况下，对老旧电站的增效扩容改造，选择适合电站水位特征的水轮机型号是增效扩容改造的关键。根据电站实际对机组局部结构进行优化，并选择安装维护简便、性能优越的轴承、冷却器等新产品，不仅可以提高机组运行的可靠和稳定性，降低机组运行、维护成本，确保增效扩容改造成效，还可有效缩短工期，较快恢复电站的正常运转。

[1]左光璧.水轮机[M].北京: 中国水利水电出版社,1995.

[2]盛国林.水轮发电机组安装与检修[M].北京: 中国电力出版社, 2008.

[3]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册出版社[M].北京: 机械工业出版社, 1976.

[4]SL168-96 小型水电站建设工程验收规程[S].