华安水电厂一号机组技术改造的探索与实践

黄立芹，施国庆，朱罗平（.华电福新能源股份有限公司华安水力发电厂，福建华安363800；.华电电力科学研究院，浙江杭州30030）



华安水电厂一号机组技术改造的探索与实践

黄立芹1，施国庆2，朱罗平2
（1.华电福新能源股份有限公司华安水力发电厂，福建华安363800；2.华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

摘要：通过对华安水电厂一号机组进行增容改造，解决了过流部件磨损、主轴密封不可靠漏水、主轴中心补气口漏水等问题。结合华安水电厂一号机组技术改造中出现的问题及相应的解决措施，系统阐述水电机组改造的关键技术与注意事项，为今后相关工程项目提供借鉴和参考。

关键词：技术改造；主轴密封；主轴中心补气；调速器

0　引言

华安水电厂位于福建省境内九龙江北溪中游华安县城关至新圩河段，库区流域面积6880km2，是一座闸坝挡水、渠道隧洞混合引水、径流开发的中型水力发电厂。设计、建设于20世纪70年代，1979年10月一号、二号机组投产发电，1980年4月全部建成。总装机容量60MW，90%保证出力20.8MW，设计平均发电量3.6亿 kW·h，年利用6000h，在系统中担负基荷和调峰任务。

华安水电厂一号机组自1979年投运，至今已运行近36年，长期运行导致设备出现磨损老化。同时，机组系七十年代产品，受当时技术水平、材料、制造工艺等限制，机组各部件存在很多固有缺陷。2006年，华电集团公司组织专家对华安水电厂进行安全性评价，并给出最终评审意见：华安水电厂1#、2#、3#、4#水轮发电机组已运行近三十年，接近技术寿命上限，需逐步安排更新改造。因此，华安水电厂从2012年开始，首先启动了对一号机组的技术改造工作，改造经过可研、招标、设计、监造、供货、安装、试验及并网运行等阶段，到2015 年5月全部完成，机组改造后各项性能指标均达到了设计及部颁规程标准的要求。通过对华安水电厂一号机组改造过程的探索与实践，取得了系列成果，其改造工作可供其它相关技术改造提供借鉴参考。

1　一号机组的技术改造

1.1新水轮机参数的选择与确定

表1　华安水电厂一号机组改造前、后水轮机参数

（1）水轮机额定水头Hr的选择

通过对华安水电厂进行水力计算可得，其加权平均水头为47.8m。由文献[1]的规定和水电厂当前实际运行水头可知，水轮机的额定水头宜在加权平均水头的0.95～1.0倍范围内选取。根据国内外大中型水轮机统计数据分析，水轮机的额定水头与运行稳定性之间有着密切的联系。例如，当水轮机的水头比为Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15或Hmax/Hmin≤1.5、Hmax/Hr≤1.2时，其运行稳定性较好。因此，机组改造中水头选择范围为55.0～40.0m，同时考虑到原额定水头为47.0m，若额定水头维持不变，则Hmax/Hmin=55.5/40＝1.3875＜1.5，Hmax/Hr＝55.5/47＝1.18＜1.2。故选定增容改造后的水轮机额定水头仍为47.0m。

（2）水轮机出力Nr的选择

在水电厂引水系统、水轮机固定过流部件（如蜗壳、尾水管等）、以及水轮机安装高程（▽29.8m）等条件基本不变时，可根据边界条件优化水轮机的水力设计[2]，从而水轮机在规定的运行范围和导叶开度较宽的范围内，有较高的效率，且效率曲线变化平缓，以达到更加优越的水轮机性能参数。

考虑到现有引水系统过水能力限制，经对机组和压力引水系统的调节保证和厂房基础载荷进行校核计算，机组容量维持15MW不变，改造过程中主要通过更换高效水轮机转轮适当提高出力，要求发电机能在15.75MW负荷下长期稳定运行。

1.2解决过流部件的磨损问题

原转轮为HL211-LJ225为铸钢材料，检修时从现场情况看转轮受空蚀和锈蚀损害比较严重。根据1#机组2007年12月检修报告，水轮机汽蚀修补总面积达1.8m2，耗用焊条40kg，远远超过《反击式水轮机气蚀损坏评定标准》DL444-91内允许的8.1kg的合格标准值。其中转轮有四个叶片空蚀较为严重，面积约30× 30mm，深度约10mm。同时转轮多次补焊[3]，翼形也已发生改变，水轮机效率和机组稳定性受到较大影响。改造中转轮的直径选为Φ2280mm，由上冠、下环和叶片等组焊而成，且组焊部件采用ZG06Cr13Ni4Mo铸造[4]，叶片数控加工，水轮机叶片由原来的14片改为13片。转轮的上冠和下环上直接车制有不锈钢止漏环。导叶采用VOD精炼铸造，材料为ZG06Cr13Ni4Mo，导叶立面密封为刚性密封。原导叶数为16片，设计时导叶数取24个，导叶分布圆取2700，导叶数增加可以减少导叶辦体的长度，而增大导叶与转轮叶片之间的距离和分布圆直径可以减少活动导叶对叶片进水边的干扰。另外，增加导叶数也可避免导叶数16片与转轮叶片数13片不匹配的现象。

1.3解决主轴密封不可靠漏水问题

主轴密封原采用水压端面结构，改造前存在较大缺陷，运行过程中出现密封不可靠漏水。改造后主轴密封为静压自调式端面密封，如图1所示。密封结构主要由转动部件与固定部件组成，其中转动部件抗磨板通过螺栓安装在主轴螺栓护盖上。密封圈由螺栓固定，且密封圈上有环形密封水槽。浮动环与上盖之间装有数个弹簧，弹簧由压紧螺母固定。浮动环与密封圈内设有4个通水孔，密封工作时由供水管路引入清洁水，利用浮动环的重力、浮动环与上盖间的弹簧压力以及清洁水压力，使密封圈与抗磨板之间形成润滑水膜。工作密封块采用进口高分子材料（塞思德尔）该材料耐泥沙性能好，耐磨性好，耐腐蚀，耐温性强，抗冲击性能好，水胀率小且水摩擦系数较小。改造后经机组首次启动运转后，主轴密封工作良好，漏水情况得到改善。

1.4主轴中心补气装置的增设

改造前机组采用主轴中心补气及十字架补气装置两种结构，主轴中心补气的补气口在水轮机与发电机法兰之间，当尾水位较高时，会出现补气口漏水，因此，改造中将主轴中心补气封堵取消，仅采用十字架补气装置，如图2所示。研究结果[5]表明，向转轮出口中心区域补入空气，可经济高效地消除或减轻气蚀涡带、气蚀空腔、气蚀空泡等因素引起的振动，所以设计时考虑选用主轴中心补气装置，同时考虑到可能出现机组尾水位高过发电机高程的情况，如补气装置不可靠容易造成水淋发电机，因此，改造时选择了具有双重密封结构的补气阀。另外，改造后的补气阀还有具有如下优点：1）补气阀轴与缓冲活塞采用万向连接器，可保证动静部套同心度，以防止出现卡塞；2）阀门满足快开慢关（或缓关）的要求，当阀门斜面密封正常工作时，可有效避免因尾水位抬高而产生的漏水现象；3）阀盖关闭时，主轴内部空气不发生泄漏，且对上涌的水力冲击密封和缓冲效果良好，同时阀轴的轴套采用单轴套自润滑密封形式，可避免经常添加润滑油。机组改造后并网运行发现，主轴中心补气工作状况基本满足改造要求。

1.5调速器的更换

一号机组原调速器为WZ-100步进式调速器，改造时选用新一代水轮机调速器CVT-100。CVT-100调速器由电子调节器和液压随动系统两大部分构成[6]。调速器基于现代液压数字逻辑插装技术，由高速开关阀与逻辑插装阀等标准液压件，进行元件-组件-回路的多层次组合与优化设计，以实现调速器调节与控制的所有功能。调速器改造完成后，按照GB/T9652.1-2007、GB/T9652.2-2007等国家标准和DL/T563-2004、DL/T496-2001等行业标准的要求，对调速器进行了性能验收试验，所有指标均优于国家标准和行业标准的要求。其中，性能验收试验主要包括调速器测频单元、整机静特性、空载试验、甩负荷、不动时间等。另外，改造前调速器压油系统平均1h启动1次，改造后压油系统平均48h启动1次，大大延长了油泵以及电机的使用寿命，不仅减少了厂用电，也降低了电厂设备的损耗，改造效果良好。

2　一号机组技术改造过程中的启示

2.1招标设计阶段

（1）要重视水轮机转轮的调研工作

水轮机转轮是将水能转换成机械能的核心部件，在水轮机选型前，要详细调研各类型转轮在实际水电站的运行状况，借鉴经验，结合本厂实际，选择合适的水轮机转轮。改造过程中，华安水电厂借鉴了湖北白莲河水电站等水电厂的水轮机组改造经验，表2为国内采用HL211－LJ－225水轮机的水电站的基本情况。

表2　国内采用HL211－LJ－225水轮机的水电站的基本情况

（2）要做好详细的技术论证

应将机组多年运行中存在的问题汇总，并把所需要改进的项目体现在标书中，避免设计阶段和制造阶段产生方案的重大变更。同时，为充分保证设备的安全性和可靠性，在招标设计阶段，要做好相关的技术论证和设备材料材质的把关工作，如要求制造厂提供水轮机模型试验报告及水轮机全流道CFD分析，水轮机及发电机的联轴螺栓应为强度较高的35CrMo，冷却器承管板及水箱盖应为不锈钢材料等。

（3）要做好旧设备和部件的测量记录

改造机组多为老电站，由于历史原因，多为资料不全，同时由于当时制造水平，表面粗糙度较大，不利于精确测量，一旦出现尺寸偏差，就会出现返厂，从而拖延工期的问题。例如，此次一号机组技术改造过程中，设计时顶盖的直径为3210mm，复核时发现应为3185mm，经现场测量确定为3185mm，从而避免了顶盖返厂。因此，在改造过程中，要特别注意新旧设备的衔接，详细测量记录旧设备结构尺寸、高程和埋设部件把合螺栓孔分布尺寸等，以确保新设备的顺利安装。

另外，由于机组改造需要对机组进行拆机测量，所以需要恰当地把握机组拆机时机。若需拆机测量时，应确认以下制造进度已完成：水轮机顶盖及底环已完成粗车，定子机座、上支架、下支架及转子支架、水发机主轴已完成粗车，定子线圈、转子线圈已完成过半，定子冲片及转子冲片已回厂，其它外购件及自动化元件采购合同已签订。建议有规划改造的机组，事先做好周密计划，结合机组大修时仔细复核测量图纸，为以后机组改造做好充分地准备。

（4）要加强与设计人员和设备制造商的沟通

为防止设计人员按常规设计，设计方案体现不出电厂的实际需求，参与机组改造的人员一定要加强与制造厂设计人员的联络沟通，以确保投标文件的精神在设计方案中得到体现。同时，参与机组改造的人员还应注意与制造商之间的相互衔接问题，提供相关设备部件的接口尺寸，并及时复核有关参数。

2.2驻厂监造及催货阶段

（1）要加强设备监造和设备催货力度

设备到货和设备制造质量是影响工期的主要因素，应派出责任心强、专业知识扎实及具有良好协调能力的人员作为驻厂代表进行设备监造和设备催货。驻厂代表不仅要负责监督设备的制造质量，同时还要负责催促设备的回厂，并参与机组改造工作。

（2）要严格监督设备的生产质量

为避免因缺料而出现较长的停工现象，监造时需及时整理清单，对缺少的材料和零部件及时补充。同时，为确保设备质量，需督促制造厂质检部门逐项检查材料型号和规格尺寸是否符合施工图样规定，审核材质证明原件所列的化学成份及机械性能是否符合国家标准或规范的要求。设备到货后，应组织有关部门人员，严格按照有关制度进行开箱验收，避免设备缺漏。

（3）要全面了解设备的生产状况

要熟悉和掌握制造厂各生产制造流程及加工周，由于制造厂加工任务紧张，不会因为某电站的要求而优先安排，而是会根据相关进度平衡安排，如发电机转子支架进行粗车时，就要注意推力头、水轮机轴及发电机轴是否已完成精车，否则转子支架热套进度就会滞后，影响机组改造工作进度。

2.3安装阶段

（1）安装前应对油水气系统管路进行清扫或改造

机组冷却水系统一般存在结垢管路堵塞情况，利用机组改造机会进行彻底清扫，同时对部分管路重新打洞，为后期机组安装过程做准备，避免影响机组安装进度。

（2）加强验收制度的执行和质量的管理

在机组改造过程中，必须严格遵守各有关工艺规程、改造技术方案和安全保障措施，开展改造安装工作。在确保人身、设备和电网安全的情况下，应用运筹学和网络技术，采用先进工艺、新技术、新方法以提高工效，及时对改造安装的网络图进行修正，即使全部设备都不能按时到货，仍能有效地缩短改造安装及技术改造的工期。

（3）加强机组安装全过程管理

为确保改造安装的工作进度，及时处理出现的相关问题，在机组改造工作一开始，应每天开展一次工作汇报协调会，及时修正和调整各工作面的工作，把工作效率控制到最佳状态。主要设备到货后，应立即安排第三方进行全面金属检测，进一步确保设备质量。在最后的试验阶段，需进行统一的计划管理，安排检修负责人专门负责，对交叉作业进行协调管理，确保试验各项工作全面高效地完成。

2.4启动调试阶段

（1）启动试运行工作须统一指挥

启动试运行工作是一项系统工程，为确保电站机组试运行的安全顺利进行，必须成立指挥有力、技术精湛、专业齐全、工作负责的试运行组织机构，试运行组织机构在机组启动验收委员会的领导下工作。启动验收委员会由上级主管单位、生技部、检修部、发电部、设备制造厂驻厂代表、安装单位等各单位有关人员组成，负责协调机组的验收、启动试运行、机组的交接等工作，并着力解决试运行过程中出现的问题。试运行工作在启委会的统一领导下，试运行指挥部的具体组织下，按审批的试运行大纲和试验措施进行。所有工作人员要严格按各自的岗位职责、安全要求、工作程序进行工作，并持证上岗，遵守各项安全规程，服从试运行指挥部统一领导。

（2）启动试运行工作须制定详细的工作方案

机组及机电设备调试及试运行涉及面广，投入设备多，持续时间长，且设备均已带电，应对机组进行多次有组织地全面检查，特别是机组转动部分、过水部分、电气一次部分等，防止一旦遗漏将造成比较严重的后果，因此，制定完善的安全措施、严格的工作制度、操作规程、试验大纲和运行程序是安全工作的前提。

3　改造前、后对比

（1）指数效率试验结果

2015年5月华安一号机组进行改造后指数效率试验，试验数据见表3。

表3　一号机组指数效率试验数据

在额定水头47m附近，原水轮机设计效率为89%，经2006测试，指数效率已下降至84%左右，可见效率下降很大，改造后的机组段效率较改造前提高5.5%，按5 月9日至9月30日共发电4675万kW·h，增发257万kW·h，取得较明显经济效益。

（2）最大出力试验结果

机组在最大出力试验时，有功最大试验值15.95MW，无功7.66MVar。机组在此工况下运行4h后，机组各部温升满足机组运行要求，机组各部位测点振动、摆度试验值满足机组正常运行要求，试验数据见表4。

表4　机组最大出力时振动摆度试验值

4　结语

华安水电厂一号机组经过技术改造后，运行情况比较稳定，不但克服了改造前电厂重要设备的缺陷及运行过程中产生的一些问题，也积累了宝贵的经验，节约了生产成本，提高了本台机组的安全运行水平，是一次成功的技术改造，对今后相关工程项目具有重要的借鉴和参考意义。

参考文献：

[1] DL/T 5186-2004，水力发电厂机电设计规范[S].

[2]郑源，鞠小明，程云山.水轮机[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[3]赵颖.重型铸钢件的补焊[J].焊接技术，1995，（5）：19～21.

[4]龚志钰，李章政.材料力学[M].北京：科学出版社，1999.

[5]水轮机主轴密封漏水的故障分析及处理[J].润滑与密封，2011，36 （12）：104～106.

[6]彭天波.水电厂调速系统建模参数测试与现场试验方法[J].湖北电力，2009，33（1）：40～42.

修回日期：2016-01-21

Exploration and Practice of Technical Transformation of No.1 Generating-unit in Huaan Hydropower Station

HUANG Li-qin1，SHI Guo-qing2，ZHU Luo-ping2
（1. Huaan Hydropower Plant of Huadian Fuxin Energy Corporation Limited，Hua’an 363800，China；2. Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Abstract：Through the capacity expansion of No.1 generating-unit in Huaan hydropower plant，the flow passage wear，the unreliable leakage of main-shaft sealing，the leakage of main-spindle center air admission inlet and other problems were solved. Combination appeared problems when No.1 generating-unit of Huaan Hydropower Station was technically transformed and corresponding solutions，key technologies and matters needing attention of hydropower generator units transformation were formulated，which will provide the reference for the future related projects.

Key words：technical transformation；main-shaft seal；main-spindle center air admission；speed governor

收稿日期：2015-11-11

作者简介：黄立芹（1973-），男，福建泰宁人，本科，学士学位，工程师，主要从事水电厂生产技术管理工作。

中图分类号：T612

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）01-0011-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.003