天楼地枕水电站机组增容改造实践

卲明华，陈 渊

(国电恩施水电开发有限公司，湖北 恩施 445026)

天楼地枕水电站位于湖北省恩施市屯堡乡境内，装机容量25.2 MW(4×6.3 MW)。水轮机额定水头80.2 m，额定流量9.39 m3/s，额定功率6.57 MW。坝址控制流域面积1 906 km2，平均流量56 m3/s，引水渠道全长6 336 m，设计引用流量42 m3/s。该电站至今已运行25年，由于受当时水轮机选型、技术、材料等因素限制，机组运行工况恶劣，设备老化严重，定子线棒绝缘多次击穿，水导油槽甩油严重，水轮机空蚀、磨损严重，效率降低，出力达不到额定值。

1 机组存在问题和改造的思路

1.1 水轮发电机组存在的问题

该电站投运时间长，目前机组存在以下问题：

1)定子线棒老化，绝缘降低。

2)绕簧式空冷器铜管漏水严重、已封堵多处铜管。

3)导叶关闭不严、水导密封检修频繁、水导油槽甩油严重。

4)转轮空蚀、磨损都十分严重，部分转轮叶片出水边背面脱块、掉落。经过多次处理，改变了转轮叶片原有的型线结构，机组效率也大幅度下降。

5)水轮机导叶为悬臂式结构，导叶间隙偏大，漏水严重，停机时较大的漏水量使机组处于惰转状态，必须关闭蝶阀才能够停机。

6)水轮机水导油槽甩油严重，每次开机时都要加油，平均每次加30公升左右，运行期间根据情况也要加油，每年耗用透平油1 200公升左右。

7)水轮机主轴密封为橡胶平板式结构，汛期由于泥沙含量多，密封易破损，需停机检修，平均每年检修3次。

1.2 增容改造的思路[1-3]

保证电站的引水系统不变的状况下，对水轮发电机组进行改造，机组额定出力由改造前的6.3 MW增容到7.0 MW，机组综合效率提高。

发电机更换定子线棒后，提高绝缘水平，由B级提高到F级。

不改变厂房水工建筑物，包括压力管道，机墩砼机构；不改变机组埋入部件，包括水轮机蜗壳、基础环、尾水管等。

不改变机组中心线、不改变原机组主轴的连接方式、尺寸等。

2 增容改造方案

2.1 机组改造前后发电机主要参数

原水轮机型号为HLA153-LJ-100,发电机型号为SF6300-10/2600。

机组改造前后发电机主要参数见表1。

表1 机组改造前后发电机主要参数表

2.2 增容改造后发电机主要部件机械强度校验[4]

2.2.1 定子

发电机的扭矩随容量成正比变化，但定子的最危险状态在三相突然短路时的冲击力矩，该力矩与输出功率成正比，与X″d成反比。根据计算，cosΦ为0.8，当功率为6.3 MW时，X″d=0.21，增容改造后cosΦ为0.8，当功率为7.0 MW时，X″d=0.22，因此，增容到7.0 MW时冲击力矩变化如下：

即冲击力矩增加6%，对定子各部分的强度、焊缝应力影响较小，定子机座仍在安全范围内。

2.2.2 转子

转轴：发电机增容量为11.1%，增容前后发电机参数基本一致，因此水轮发电机组主轴综合应力约增加11.1%。根据国家标准，主轴设计时应力在2.5倍以上，因此仍然有较高的安全系数。

转子支架与转轴：转子支架通过轮毂与转轴热套，靠热套配合来传递扭矩，而传递扭矩的配合力与容量成正比，配合力增大，转子轮毂与主轴的配合最小紧量变大，使安全系数减小约11.1%。由于设计时发机电传递扭矩的安全系数均高于设计规范，因此本发电机仍具有较高的传递裕度即安全系数。

转子支架各部分应力：转子支架各部分应力高区通常为各焊缝，这些应力最大值发生在磁轭打键时和飞逸转速时，热打键配合力通常按分离转速设计，本机分离转速值及飞逸转速均未改变，故这些应力也将保持不变。换言之，增容到7.0 MW后，转子支架各部分应力值仍与6.3 MW时相同。

磁轭、磁极冲片最大应力：由于增容时转子未更换任何部件，同时机组飞逸转速未增大，因此增容前后磁轭、磁极冲片最大应力不变。

2.2.3 空冷器

改造后的空冷器为新型翘片式，冷却效率提高15%，满足要求。

其他：下机架、上机架等，外载荷基本上没有发生变化，所以，原设计的刚强度仍适应增容需要，且与增容前具有相同裕度。制动条件没有发生变化，所以，刹车制动系统也等同于6.3 MW状态。

2.3 水轮机改造[5]

1)选择高性能转轮，提高水轮机出力。由于不改变水轮机现有流道和固定导叶高度，仅更换水轮机转轮，根据中国水电科学研究院的研究成果，JF2258B型比较适合替代HLA153型转轮，高效区更加宽广，空化系数低，飞逸转速低。

出力特性：根据新旧转轮特性，计算在水轮机出力限制线水轮机的出力，JF2258B型转轮替代HLA153型转轮后，水轮机出力明显提高，在相同水头下最大出力提高了11.4%左右。

效率特性：根据转轮特性曲线分析，JF2258B型转轮效率特性总体上要优于HLA153型转轮，在额定水头80.2 m的情况下，当出力大于5.9 MW时，JF2258B-LJ-100型水轮机效率明显优于HLA153-LJ-100型水轮机。

表2 水轮机改造前后转轮模型对照表

空蚀特性：新转轮的吸出高度Hs=0，现有水轮机高程能满足要求。

2)主轴密封。工作密封采用接触式自补偿型密封结构，在运行中对密封元件的磨损可进行自动调整。

3)导轴承。水导轴承采用稀油润滑抛物面筒式轴承瓦，自调性好，运行稳定，承载力大，摆度小。

4)导水机构。导叶有3个自润滑支承轴承，导叶的水力矩特性具有自关闭的趋势。

2.4 技术参数比较

1)渠道引水流量比较：原机组额定流量9.39 m3/s，改造后的机组额定流量10.09 m3/s，只增加了0.7 m3/s的流量，改造后4台机组总的流量为40.36 m3/s。引水渠道引用流量是42 m3/s，渠道过水量满足改造条件。

2)电气参数比较：经计算，改造后四台发电机组额定出力由6.3 MW增加到7.0 MW，原6.3 kV断路器、主变压器，110 kV断路器等电气设备均满足机组改造要求。

3)调保计算：经计算，改造后调保计算满足改造要求。

4)调速性能：经计算，改造后机组满足过速试验要求，满足甩负荷试验要求。

2.5 经济、环保效益比较

1)改造后每台机组年增发电量370万kW·h。

2)改造后每台机组年节约透平油1 200公升。

3)减少检修维护产生的效益：改造前平均每年需检修水导密封3次，每次检修需8 h。改造后，不仅减轻了维护人员劳动强度，节约了维护成本，同时增发电量约16万kW·h。

4)原水轮机转动油盆甩油严重，改造后解决了这个问题，减少了对下游河流的油污染，保护了环境。

3 增容改造后运行情况及效果

由于该电站为引水式电站，为保证经济效益，该电站分别在20116年至2019年每年冬季枯水期改造一台机组。改造后机组额定出力达到7.0 MW，单机运行时最高出力达到7.3 MW(见表3)，多机同时运行时单机出力达到7.15 MW。机组运行瓦温(见表4)、振动(见表5)等各项技术数据均在标准范围。

表3 机组改造前后出力比较表 MW

表4 轴承瓦温度值表(负荷7 MW) ℃

表5 上机架振动值表(负荷7 MW) μm

4 结 语

通过改造，天楼地枕水电站机组的出力明显增大，解决了长期以来水导油槽甩油严重、水导密封检修频繁、导叶关闭不严等问题，不仅提高了设备的安全可靠性，减少了运行及维修费用、减少了机组的检修时间，增加了发电量，提高了经济效益，还大大降低了工人的劳动强度。

引水式电站机组增容改造可在枯水期实施，不影响电站的正常发电。由于原基础设施没有任何变动，施工方便简单、工期短，天楼地枕水电站的改造可供同类型电站改造借鉴。