金江三级电站1#水轮发电机组改造回顾

唐成军

（临武县水利电力有限责任公司 郴州市 424300）

金江三级电站是临武县水利电力有限责任公司下辖的一个引水式电站，发电厂房位于临武县金江镇打鼓村鹤头山，电站装机1 000+500 kW，其中1#机组装机为1 000 kW，1#水轮机型号为HL110-WJ-60，发电机型号为TSW118/49-6，水轮机设计水头98 m，额定流量 1.44 m3/s。

1#机组于1980年10月投产发电，至2012年，1#发电机组已运行32年，由于高速水流和泥沙水流冲击，机组空蚀磨蚀严重，加上设备老化，故障率高，机组出力逐年下降，年发电量逐年减少，急需进行改造。

1 1#机组存在的问题

（1）水轮机最初采用的是17片叶片的转轮，由于磨损严重和经常堵塞（叶片间间隙小，且水源处于农村居民生活区，生活垃圾多，每到涨水，河水夹杂着泥沙和生活垃圾，造成导叶和转轮经常堵塞，无法发电），针对此情况，2001年对1#水轮机进行了技改，将转轮的叶片改成了15片，并对前池的拦污栅也进行了加密处理，改造后的转轮由于叶片间的间距变大了，堵塞的情况有所改善，但是由于叶片数量减少了，每个叶片所承受的水流冲击力则增大了，这也增大了叶片损坏的可能性。

2007～2012年，由于地方经济的发展，建材的涨价，河道内非法采砂现象十分严重，使得河水中含有大量的泥沙，水轮机过流部件磨损更加严重，2010年由于对转轮维护保养不善，转轮叶片尾部被磨出40 mm×50 mm的缺口，如附图。

附图 转轮叶片尾部磨损状况

此后对叶片的修复只能是将叶片的尾部割掉一截，再补上1片薄钢板。由于转轮少了两个叶片，每片叶片所承受的冲击力比改造前要增大，再加上修补后材料的不一致性，修复的转轮叶片特别容易破裂，最多运行两个多月，甚至是10多天，所补叶片便大部分破裂，且都是连续的，从附图中可以看出破损叶片并不是磨损所致，而是承受不了水流的冲击力而破裂的。2012年3月，重新修复后的转轮在运行不到一个月时又出现了叶片大部分破损，水轮机振动超过允许范围，平时能发到（600～700）kW的水量甚至还发不到300 kW。

（2）水轮机过流部件磨损严重，耗水量大（有时在并网时要通过关主阀控制来水量才能将机端频率调至与电网一致），出力下降（最初安装时出力最高可达1 050 kW，而现在最高只能达到750 kW）。

（3）蜗壳锈蚀严重，局部已出现过穿孔的情况。

（4）发电机出风通道与尾水通道连在一起，该布局在设计上有缺陷，在涨水时，河道中的水位升高，河水从发电机通风口倒灌进发电机机坑，数次造成发电机机坑中的电流互感器、电缆头被水淹没，只得将发电机尾端电流互感器用电缆引到地面单独的电流互感器室内，造成增大设备投资和占用地面空间。

（5）发电机机坑空间狭小，在安装了两个电缆头（首、尾端）和相关瓷瓶后，几乎没有了检修空间。

（6）受当时技术水平限制，发电机集电环布置在后轴承座与发电机之间，电刷被磨出的电刷粉被吸进发电机内严重影响发电机绝缘。

（7）发电机绝缘等级低（为A/B级）且绝缘老化，定子线圈泄漏电流大，2012年2月出现过定子线圈短路击穿的事故，转子完全接地。

（8）机组和电气设备已超过使用期限，严重老化，故障率高。

（9）机组检修工作量逐年增大，发电量逐年减少。

（10）调速器和电动闸阀调节失灵、漏水严重、运行维护困难。

（11）励磁系统老化严重，起励困难、运行不稳定，电压不稳定。

2 改造方案

更换全新的水轮机、发电机、主阀、调速器和励磁系统，改造后水轮机效率由不足80%提高到88%以上，水轮发电机组综合效率由70%提高到85%以上。

2.1 水轮机

水轮机采用型号为HLA550-WJ-60的水轮机，转轮采用高效转轮，叶片数量为17片，转轮材质为全不锈钢材料，过流部件的材质同样采用耐磨不锈钢材料，在额定水头95 m，水轮机额定出力为1 060 kW，原型水轮机的效率不低于90.2%,相应工况点的模型效率不低于92.5%。在全部运行范围内，原型水轮机的最高效率保证值不低于90.7%，相应工况点的模型效率不低于92.7%。在最大水头至最小水头范围和45%～110%额定出力范围内，吸出高度满足的条件下，机组能在额定转速下安全稳定运行，机组的振动、噪音和汽蚀等各项技术参数不超过国家标准。

2.2 发电机

发电机为两支点卧式水轮发电机，型号为SFW1000-6/1180，绝缘等级为F级。为防止发电机长时间停机容易受潮，发电机采用了电加热器除湿。发电机集电环安装在飞轮外侧，远离发电机定、转子线圈，避免了电刷粉被吸进发电机本体。发电机冷却方式为管道通风冷却。

定子铁芯由导磁性能好、损耗小的优质冷轧无取向的硅钢片交错地迭制而成，硅钢片牌号为50 W310。为了减小涡流损耗，在扇形片的两面均匀地涂以F级绝缘漆，该绝缘漆具有固化时间短、收缩率小、硬度高等优点，不会因运行时间的加长而导致铁芯松动。铁芯两端设有齿压板和压圈。

定子绕组为圈式叠绕组，采用F级绝缘。绕组具有良好的电气和机械性能，股线采用双玻璃丝包扁铜线，线圈主绝缘采用多层半迭包的F级云母带结构。线圈嵌入铁芯后，用槽楔固定于槽中，绕组两端绑牢在端箍上。绕组接成Y形，共有6根引出线，主引出线和中性点引出线各3根。在线圈两端设有端箍，以固定绕组。定子槽内还装有测温元件，用以监视定子绕组和铁芯的温度。

转子磁极由磁极铁芯、磁极线圈及磁极托板组成。磁极铁芯由优质薄钢板冲制叠压而成。叠压后，两端用磁极压板通过拉紧螺杆将铁芯固定成一整体。磁极线圈由扁铜带自下而上逆时针方向连续绕制而成，每匝间垫有多层0.16 mm厚的F级耐高温环氧二苯醚上胶布作为匝间绝缘；整个线圈在夹具内加温加压，直至铜带与绝缘固化成一整体。磁极极身绝缘采用环氧酚醛玻璃上胶坯布在磁极极身上烫包的结构，具有承受过电压的能力。磁极线圈上、下端装有耐高温的环氧酚醛玻璃布板加工而成的绝缘托板。

发电机主轴用经过适当热处理的45钢整锻制成，推力盘与主轴整段制成。风扇采用弧板式风扇，装在磁轭的两端。发电机前端选用径向推力轴承,后端为径向轴承。推力瓦为弹性塑料瓦，径向轴承轴瓦与轴承座采用球面配合方式支撑，装拆维修极其方便。

两轴承润滑冷却方式均采用内循环，即冷油器装设于轴承里边，冷油由叶轮带到轴瓦工作面并形成楔形油膜,润滑后的热油又从瓦体两端流进油槽里，热油按规定路径流回设在轴承油槽里的油冷却器进行冷却。

在运行中，轴承的结构能严防油气逸出。在正常运行温度下，如果轴承冷却水中断，可允许带负荷无损运行5 min。

推力轴瓦和径向轴瓦均装设有铂热电阻，用于随时监控轴瓦温度。为防止轴电流烧毁轴瓦，后轴承座对底板装有绝缘垫片，其冷态绝缘电阻不低于1MΩ。

2.3 调速器

调速器型号为YWT-PLC-600，YWT系列数字式水轮机调速器是新型水轮机调速器，它采用了可编程技术、现代液压技术和数字化技术最新成果。

该调速器不仅技术指标先进，功能齐全，而且较常规油压的水轮机调速器结构更为简洁，机械液压部分由标准的工业液压件组成，运行可靠性高，维护简单。由于这种采用标准液压件构成的调速器技术已经成熟，正在取代常规油压的中小型水轮机调速器。

该调速器特点如下：

（1）该调速器系统结构简洁合理，运行稳定可靠，技术性能指标优良，便于维护修理；机械液压随动系统采用标准的工业液压元件组成，运行可靠，维护简单。

（2）采用了高性能的可编程控制器作为调节器的硬件，无故障时间MTBF>=18 000 h。

（3）采用两色触摸屏作为调速器与运行人员的人机接口，具有显示信息量大、清晰、准确、操作方便等优点。

（4）调速器具有多种运行模式，如频率调节、开度调节等，能适应不同工况的要求。

（5）设有电气开度限制，操作灵活，运行可靠。且易于实现自动－手动的无条件无扰动转换。

（6）具有与上位机的通讯接口，便于实现电站计算机控制。

2.4 励磁系统

采用CMER-E微机形式的三相全控桥的自并激可控硅励磁系统。

主要技术参数及性能：

（1）励磁系统满足手动或自动准同期并网发电，容量保证机组110%额定容量正常运行要求。

（2）机组运行频率变化1%，端电压变化不大于0.25%。

（3）机端电压下降为80%额定值时，励磁系统提供2倍额定励磁电流和2倍额定励磁电压，持续时间不小于20 s。

（4）励磁系统电压响应时间：上升时间小于0.08 s，下降时间小于0.15 s。

（5）发电机突然甩额定有功和额定无功后，机端电压超调量不大于额定值15%，振荡次数不超过3次，调节时间不大于5 s。

（6）励磁电流电压互感器设断线检测及保护，励磁系统装设必要的过流和过压保护。

（7）励磁系统调压范围满足有关国家标准要求。

（8）励磁调节器允许交流工作电源电压在不大于强励持续时间下波动范围为55%～120%额定电压时正常工作。

（9）在任何情况下，励磁系统励磁绕组两端过电压的瞬时值不超过出厂试验时绕组对地耐压试验电压幅值的70%。当励磁电流小于1.1倍额定励磁电流下长期运行时，励磁绕组两端过电压的最大瞬时值不超过出厂试验时该绕组对地耐压试验电压幅值的30%。

2.5 阀 门

采用型号为Z941-25/DN500的电动闸阀。

2.6 其 它

考虑到原来的机坑内空间狭小，无法安装发电机尾端电流互感器和中性点避雷器，本次改造我们对机坑进行了改造，重新开挖了电流互感器室，将发电机尾端电流互感器和中性点避雷器都安装在了机坑内，同时针对涨水时尾水倒灌进机坑的缺陷，对发电机出风口也进行了改造，将发电机出风口与尾水道隔开。

3 安装、调试

机组的安装质量直接影响到机组运转或使用寿命，因此电站必须严密组织，精心施工，保证达到安装技术条件规定的要求。

3.1 安装前的准备

（1）按厂家提供的装箱清单，清点设备的零部件、随机附件、备件、技术资料是否齐全。

（2）按水轮机安装布置图，检查与机组有关的土建工程，如预留孔，安装高度，尺寸位置等是否符合要求（由于老机组的接地网不符合要求，本次改造我们重新布置了接地网，其接地电阻为0.84 Ω）。

（3）准备好安装所需用的工具，量具和材料。如起吊设备，百分表，万用表，塞尺，0.02/1 000框式水平仪，调整用斜铁等。

（4）转动部分零件应清洗干净，埋入件外表面的污垢，油渍应清除。

3.2 安装方法和程序

（1）根据机组布置图，顺序吊装阀门，伸缩节和进水弯管。所有法兰面装上密封条，找正管路轴线方向及进水弯管出口法兰面的水平及标高 （进水弯管出口法兰面水平度不超过0.05 mm/m）；浇注弯管支承地脚螺栓二期混凝土。

（2）吊装蜗壳：蜗壳是水轮机的安装基准，要特别注意安装质量。在蜗壳进水管法兰与进水弯管法兰之间装上密封条，用螺栓联接起来，校正蜗壳与前后盖板配合端面的不垂直度（蜗壳与前后盖板配合端面的不垂直度不超过0.03 mm/m），并使蜗壳的轴心线与厂房设计的安装轴心线相符合达到要求后，浇注蜗壳地脚螺栓二期混凝土，待混凝土养护期满后，拧紧连接蜗壳地脚螺栓和进水管法兰联接螺栓，再次校核蜗壳上与前后盖板配合端面的不垂直度，浇注进水弯管二期混凝土。

（3）吊装尾水管：以蜗壳为基准，将尾水弯管和直锥管联结起来，所有法兰间上密封条，拧紧连接螺栓，浇注直锥管二期混凝土。

（4）安装发电机：该步极为重要，所以一定要认真、仔细，安装过程中，通过检测转轮四周间隙再进一步调整发电机主轴的水平度和同心度，直至各方面都满足技术规范的要求[保证发电机的主轴轴心线与水轮机的蜗壳轴心线的不同轴度在规定范围内（电机主轴轴心线与水轮机主轴轴心线的不同轴度不超过0.05 mm，电机主轴水平度不超过0.05 mm/m）]。

（5）安装冷却管路，飞轮罩及其它部分。

（6）按照安装技术条件，全面检查，校核有关不同轴度，不垂直度，检查各紧固部位。

（7）安装调速器：在上述工作完成后，再进行调速器的安装。安装中应注意调速器的开度限制机构整定值，不得超过水轮机导叶规定的最大开度，以免导叶与转轮相碰。

（8）安装励磁屏和机组测温屏：拆除老屏柜内的接线，特别要注意断开有关的控制、保护、信号及厂用电等各方面的电源，做好安全保护措施，拆除有关的接线后将老柜移开，再将新柜就位，布置相关电缆，按图纸要求接好引线并做好静态调试。

4 结 语

总的来讲，本次改造是比较成功的，消除了原来老机组存在的缺陷，同时新机组的效率更高，出力更好，运行也更安全。