界牌枢纽电站机电设备改造及效果

王玉林，吴有树，游伟林，陶长波

（江西省港航局界牌航电枢纽管理处，江西 鹰潭 335001）

1 工程概况

1.1 枢纽概况

界牌航电枢纽是一座以航运为主，兼有发电等效益的建设项目，位于信江干流鹰潭以下12.5 km的中童镇徐杨村附近。工程建设规模为渠化Ⅲ级航道46 km，1000 T级船闸一座，设计单向通航能力为580万t，装机容量2×10 000 kW电站一座，年设计发电量为8 613万kW·h，20孔泄水闸，以及挡水建筑物和相配套的生产、生活设施等建筑工程。枢纽于1992年11月开工，工程主体项目于1997年基本完工投入试运行。工程自建成以来，充分发挥了通航、发电、灌溉、防洪等水资源综合效益，确保了信江沿岸生产生活用水和城市景观生态用水，美化了城市环境，为当地的经济和社会发展做出了积极贡献。

1.2 改造的必要性

界牌航电枢纽电站自投产至今，主要机电设备已经运行近20年，存在诸多问题和安全隐患：由于枢纽不能按设计水位蓄水，2台发电机组长期在低水头运行，偏离了原设计的最优工况区域，长期工作在低效率区间，致使机组出力减少、振动、摆度增大，直接影响到机组的安全稳定运行；主变压器油枕存在渗漏现象，其他电气设备也都存在型号陈旧、技术性能较差，能耗高，效率低的问题，多数属于淘汰产品，不符合国家节能减排政策，而且这些设备的备品配件难以采购，日常的维护检修工作非常困难。为此，当地供电部门曾发函要求电站进行设备技术改造。为了解决以上问题，也为了更好地履行社会责任，枢纽开展了电站机电设备改造工作。

1.3 改造的主要内容

（1）水轮发电机组及其附属设备

1）10 MW的灯泡贯流式水轮发电机组；

2）调速器及油压装置；

3）励磁系统；

4）油、水、气系统；

5）机组在线监测及其他辅助设备。

（2）110 kV开关站设备

1）主变压器及其附属设备；

2）110 kV GIS 设备。

（3）厂内高低压配电设备

1）高低压配电装置（高低压柜、厂变、配电箱等）；

2）电缆及电缆桥架系统；

3）监控、五防系统升级改造；

4）厂房通风系统及其它设备。

2 主要技改设备的选型

2.1 主机设备

（1）2台水轮发电机组采用整体改造方案，即对原机组除埋设部件的管形座、流道盖板基础和尾水管里衬外，其余部件更新为新设备。整台机组采用卧轴水平布置，水轮机、发电机共用一根大轴，为两支点双悬臂的支撑方式，水轮机侧为导轴承，发电机侧为组合轴承，原管形座为机组主支承，传送机组在各种工况下的径向力、推力及扭矩力、以及机组重力。水轮机按适应本电站实际运行水头范围的转轮型号进行选型，转轮直径由原来的5.50 m增加至5.60 m；发电机采用定子机座贴壁结构，发电机舱内定子上游端设置空气冷却器、冷却水管和轴流风机，实现对发电机的通风冷却；每台机组设置一套纯机械过速保护装置和一套机组振动摆度监测装置；改造前后机组主要结构与参数的对比见表1。

表1 改造前后机组主要结构与参数的对比

（2）为了验证新水轮机性能是否达到设计要求，是否适应界牌枢纽电站降低2 m水头运行的实际工况，生产厂家委托北京中水科水电科技开发有限公司做了界牌电站水轮机模型试验。模型试验的内容包括：效率试验、空化试验、飞逸转速试验、水推力试验、导叶水力矩试验、压力脉动试验。试验报告显示新的水轮机性能达到设计要求。

（3）项目实施前对原埋设部件的管形座、尾水管进行强度复核、探伤检测及尺寸测量，经过厂家计算，管形座、尾水管的强度满足新机组运行要求。

（4）新调速器采用武汉四创生产的WZT-80-6.3型双冗余调速器，以两套配置相同的可编程控制器（PLC）为控制核心，以比例伺服阀作为电液转换环节，机械液压系统作为执行机构，组成的一种新型微机调速器。具有结构简单可靠、油耗低、油泵启动次数少、断电后保持当前开度不变、易于操作及人机对话方便等特点。

（5）励磁系统采用微机型自并激可控硅静止励磁系统。此前界牌电站励磁调节柜已经更换，要求本次更改的功率柜、灭磁柜应与现有的励磁调节柜兼容，以便于励磁系统在手动和自动控制下适应于所有规定负载下连续稳定运行。

2.2 110 kV开关站电气设备

为了确保改造后电站机电设备安全可靠，能耗低，自动化水平高，对主要电气设备选型的技术要求做了明确规定。

（1）通过方案比较，开关站的高压设备选用户内SF6气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS设备）。主要电气设备采用安全可靠性高，能耗低的产品，提高设备完好率，大量节省配电装置占地面积和空间。

（2）主变选型：主变压器可以选择9型、10型、11型，其内部结构和损耗也不同，11型的结构先进，损耗最低，故选择11型油浸式三相双绕组无励磁调压变压器（FS11），铁心选择了高导磁材料，线圈选择较大截面积以及先进生产工艺，具有空载及负载损耗均较少、电气绝缘性能好、安全性能好、全密封结构、噪声小等优点。

2.3 高低压配电设备

（1）6.3 kV成套配电装置，采用金属铠装中置移开式开关柜，其中主要元件采用高压真空断路器，适用频繁操作，操作合闸机构由弹簧储能机构，操作功小，使用寿命长。2台发电机出口断路器采用进口产品，其余断路器用国产设备。

（2）400 V低压配电柜采用抽屉式开关柜，具有外观整洁、占地面积小、操作灵活、维护方便、故障低等优点。

（3）厂变、励磁变采用带铝合金外壳的SC11型树脂绝缘干式变压器，近区变采用美观大方的箱式变压器。

3 改造中的问题及经验

3.1 主机改造的问题与处理

（1）管形座内外环高程与方位尺寸偏差问题处理

由于原水轮发电机组属20世纪90年代初产品，制造加工精度不够，工艺比较落后等原因，2台机组管形座内外环高程及方位尺寸与原设计尺寸都出现较大偏差，从而导致2台机组安装过程中出现如1号机组导水机构导叶端面间隙偏小、2号机组水导轴承与主轴轴颈位置存在偏差等现象。因无法查到原设备制造和安装历史资料，为此，业主多次召开技术讨论会，邀请设计院、监理单位、安装单位、主机厂家的专家代表与会讨论，通过现场察看，查阅有关图纸资料，一致认为先测量管形座的实际尺寸，再研究确定解决方案。

首先，确定采用现场测量的方法，由项目参与各方人员共同对管形座进行测量，通过对测量数据分析，发现1号机组管形座内环实际尺寸比图纸长4～5 mm，2号机组管形座内环实际尺寸比图纸尺寸短10 mm。

根据以上管形座实际测量尺寸，对安装遇到的问题采取以下处理措施：

1）1号机组导水机构导叶端面间隙偏小问题处理

根据测量数据分析，1号机管形座内环实际尺寸比图纸长了4～5 mm，是造成导叶端面间隙偏小的主要原因。处理方法为：厂家根据该数据，对转轮室加工尺寸进行修正，确保转轮室与转轮中心一致，对导水机构采取现场修磨内、外环密封工作面，使导叶转动灵活。导叶立面间隙则采取加大偏心销的偏心量（由原来的5 mm调整为8 mm）来调整的方法解决。

2）2号机组管形座内环实际尺寸比图纸尺寸短问题处理

由于2号机组管形座内环实际尺寸比图纸尺寸短10mm，导致水导轴承与主轴轴颈位置相差10mm，从现场来观察，相当于主轴向下游移动了10 mm。处理方法为：在转轮室上游的法兰面加9 mm钢垫，内外端面打坡口，用封水焊加胶粘，使转轮室与转轮中心一致，对受影响的其他部件如主轴密封衬套、接力器与基础板连接支架孔向上游侧相应偏移9 mm。

发电机定子与管形座连接，需重新打孔。为加快施工进度，原计划由厂家技术人员现场测量放样，施工单位提前打好孔。鉴于担心测量误差以及钻孔偏差，无法保证定子与管形座孔精准对位，所以，即使厂家派人进行了放样，我们仍然采用待转子安装到位后，用刚组装好的定子调入机坑预装的方法定位，然后将定子退出，调入安装场进行试验及发电机冷却系统、附件安装等工作，与此同时，施工单位开始打孔作业，两者所花费的时间大致相同，不会耽误工期。通过定子安装结果看，原人工放样的孔位误差还是较大（经现场检测，人工划线定位的孔与实际安装孔最大相差约20 mm），虽然定子多了一次吊装，看起来比较费时费力，但确保了定位精度，反而是节约了时间，使施工工期达到了预期目标。

（3）机组伸缩节漏水问题处理

2台新机组运行一段时间后，伸缩节都出现漏水现象。按厂家图纸要求，第一台机组伸缩节密封采用直径20 mm的橡胶密封条。鉴于第一台机组伸缩节出现漏水现象，在安装第二台机组时，将直径20mm密封条改为16 mm+6 mm的橡胶密封条，但投入运行后，仍然出现了伸缩节漏水现象。我们将这一情况反馈给设备厂家，主机厂技术人员提出了改进方案，今年初将2台机组的伸缩节密封条更换为直径18mm的“O”形丁晴橡胶密封条及加装直径8mm自适应型盘根，自投运以来，未发现漏水现象。

（4）发电机定子绕组引出电缆改型问题

发电机定子绕组中性点引出线电缆以及泡头内的主引出线电缆原厂家设计用聚乙稀交联电缆，由于定子内常年高温环境（100℃左右），聚乙稀交联电缆容易老化，经厂家同意更换为耐高温的硅橡胶绝缘耐高压电缆（型号为ZR-AGG-6 kV，1x150）。

3.2 110 kV电气设备改造

（1）优化110 kV GIS设备及主变施工方案

为减少停电损失，整个改造期间，发电机组仍经原开关站向电网供电，同时在开关站的右侧空地上，建设GIS厂房，在设备安装结束并经供电部门验收合格后，再安排2台机组停机（约2 d时间），拆除原开关站至110 kV界西线1号终端杆联网线，将GIS出线搭接至110 kV界西线1号杆，新主变低压侧由电缆接入原高压室高压柜内，110 kV GIS设备及主变投入试运行，最后拆除旧开关站设备及其附属设施。

（2）主变压器高压套管连接方式

电站主变压器高压套管与110 kV GIS设备的两个进线间隔均采用套管直接连接，这种连接的优点为，空间位置占用小，没有导电部分裸露在外面，外部原因造成三相短路的概率小，设备运行安全可靠性高。但这种接线方式也给检修、试验带来不便，GIS设备与变压器检修试验周期不同，每次变压器检修或试验时，都要涉及到GIS设备（抽空、拆除套管），增加了检修工作量，没有常规连接方式方便（有明显可拆的连接点）。

科学大洋钻探还显示，海洋沉积物中的细胞数量与海洋或土壤中的细胞数量大致相同。探险队不仅在8 000英尺深的沉积物中发现了生命，还在拥有8 600万年历史的沉积物和温度超过60摄氏度的沉积物中发现了生命。

图1 界牌水电站电气主接线图

3.3 高低压配电设备改造

（1）设备布置

原厂内高低压配电设备布置不合理，高压室、低压室及厂用变布置在厂房28 m运行层不同房间，励磁室、励磁变布置在21 m运行层，这样给运行检修带来诸多不便，增加了运行人员的劳动强度。改造方案是将原高压室、低压室、厂变室的隔墙拆除，重新整合为一个大空间，将主要电气设备包括高低压配电柜、励磁柜、厂用变、励磁变集中安装在这空间内，将新高压柜、低压柜和厂用变分别成单列布置，保证了改造后的整体性和美观性，并配备中央空调调节室内温度，大大改善了设备的运行环境（界牌电站电气主接线详见图1）。

（2）实施方案及步骤

为确保枢纽安全运行和降低因电站电气设备改造而造成的机组停机，减少发电损失，电站改造施工时间尽量安排在枯水期。高、低压设备改造根据设计、现场情况和满足单机运行等条件，制定了分步实施、逐步就位的改造方案，与机组改造同步实施，具体改造方案如下：

1）高压柜改造

①根据施工安排，首先改造电站2号发电机组，因此在拆2号机前，先完成1号发电机组I段高压母线段的高压柜（含母联柜）改造工作；

②I段高压柜投入运行后，1号发电机组发电，2号发电机组拆机改造，同步完成II段高压母线段的高压柜改造工作；

③备用电源高压柜因为不影响新高压柜的布置，先保持运行状态，待全部高压柜安装就位并顺利上电后，再办理相关手续退出备用电源，将备用电源电缆移至新柜再上电，至此高压柜全部改造到位；

④高压柜出线高压电缆随机组改造同步实施。

2）低压柜改造

①在2号发电机组改造的同时，首先拆除II段低压柜。拆柜前统计归属1号发电机组辅助设备的供电回路，并在I段低压柜中找电流容量相当的备用回路，将II段1号机组辅助设备的供电回路转移至I段低压柜，实施转移后停II段低压柜电源（含备用电源低压柜），开始拆除工作；

②将拆除的II段低压柜移至已拆除的原II段高压柜位置，布置临时供电低压柜，目的是接I段低压柜的负荷和保证备用电源的供电。期间注意各部分电缆因长度不足接头多的问题，运行时多巡视；

③制定单机运行的I段低压负荷转移计划，再按计划分批将I段低压柜的用电负荷全部转移至临时供电低压柜（有时需短暂停机）；

④拆除I段低压柜，在原低压柜位置安装新低压柜和厂用变压器，调试上电后，新低压柜投入运行，期间新2号发电机组的辅助设备电源全部接入新低压柜，至此低压柜改造就位；

⑤1号发电机组改造期间，所有辅助设备电源全部接入新低压柜，将临时低压柜的供电负荷转移至新低压柜上，拆除临时低压柜。

3）电缆及电缆桥架

拆除旧电缆及桥架，重新架设电缆桥架，布置要求美观，电缆敷设要求强弱电分层布置，编号、标示齐全清晰，无损坏，接地良好。

4 改造的效果

界牌枢纽电站在改造过程当中，很好地利用了原有的设备、空间、人员和切实可行的技术改造方案，不仅顺利完成了改造工作，而且还保证了发电效益，真正实现了技改和效益双“丰收”。改造后，电站设备故障发生率呈直线下降，设备安全可靠性得到提高，而日常运行维护工作量大大减少，整个枢纽运行的安全性、可靠性和经济性取得了显著提升。

（1）通过对枢纽电站机电设备、各辅助系统设备的改造，提高了设备本身的性能和电站的自动化水平，彻底解决了电站存在的设备老化等安全隐患，为电站安全稳定运行提供可靠的设备保障。

（2）根据同水头同流量运行数据对比分析，改造后的发电机组比旧机组提高出力5%-10%左右，每年可增加发电量约300～500万kW·h，取得了较好的经济效益。

（3）主要电气设备包括厂用变、励磁变、高低压配电柜、励磁装置集中安装在高低压室，并配备空调调节运行温度；GIS设备、主变设备布置在室内，这些大大改善了电气设备的运行环境，有利于电气设备运行检修管理，提高了设备的可靠性。

（4）全站电气设备及电缆更换是老电站改造的最大难点，一边改造，一边运行，安全是最大压力。我们通过合理安排工期，优化施工方案，加强现场安全监督，施工期间未发生一起安全事故，在主要施工期的2015～2016年，电站均超额完成了全年发电生产任务。

（5）界牌枢纽检修人员参与机电设备的安装，提高了检修人员的素质，锻炼了检修队伍，熟悉了新设备结构和性能，为今后电站机电设备检修维护创造了有利条件。