竹青背电站2号F水轮发电机技术改造增容

罗征宁

（清流县优恩电力有限责任公司，福建 三明 365300）

1 概述

竹青背电站位于罗口溪长潭河中部的长校镇境内，设计库容870万m3，大坝高42 m坝长203 m，集雨面积498 km2，多年平均降雨量18 120 mm，多年平均流量16.31 m3/s[1]。装设2×2 500 kW水轮发电机，水轮机型号：HL240-LJ-140，设计水头25 m最低水头16.90 m，最高水头32.24 m，设计流量12.12 m3/s，吸出高程10.60 m，水推力194 kN，重量25 t，发电机型号：SF2500-24/2600，重量28.70 t，额定电流286.4 A，额定电压6.3 kV，绝缘等级B级3相[2]。多年平均发电量2 175万kW·h，年利用小时4 350 h。1996年6月1日投产发电，72 h试运行时1号发生声音异常，经调查发现定转子间有划痕；同年10月2号水轮发电机发生定转子碰撞磨损，定子铁心发红，温度达到限值；运行前几年定子温度多次达极限130 ℃，检查发现定子槽漆板没有开导风槽，结合大修开导风槽；在之后运行近20年定子温度还是偏高，电磁声较大，振动近限值[3]。虽然经过多次技改，并在大修中进行多次消缺处理，但是仍然无法达到理想状态。2011年10月份在针对性处理缺陷及大修中发现：①定子线棒被铁心割伤；②铁心变形松动。

2 技术论证

2.1 水轮机出力校核

基于上述概述，水轮发电机日常运行水头控制在390.00～393.51 m以内，折算水头为29～32.50 m以内，结合水轮机洗力型普表[4]可得机组发电力公式为：

公式（1）中，Q为水头高度，η为系数值为0.92，H为水轮机转速。

根据公式（1）可以得到N=(9.81×1.24×293/2×0.92)2=3 054.50 kW，如果水头再提高0.50 m(即29.50 m)，则N=(9.81×1.24×29.53/2×0.92)2=3 215.30 kW。在原有水库水位高度下降量L=1.40，H=250 r/min的情况下，可得水轮机的Qmax，和各种水头下相应的流量为n=N/(9.81L2Q3/2η)=3 215.30/(9.81×1.40229.53/20.92)=12.14 m3/s，故在水头29.50 m时引用流量12.14 m3/s，对应转速H=250 r/min。由此可以得到在不改变水轮机的情况下，通过提高运行水头高度可以促使机组出力达到3 000 kW以上。

2.2 水轮机增容改造要求

在确保额定水头数值不变的情况，通过提高转轮效率，加大过流量，提高水轮机出水量，经工程测试，水轮机经改造后较原机组提高20 %～25 %，且经改造后水轮机性能指标均符合标准要求。为降低水轮机增容改造成本，只更换转轮、导叶臂和部分尾水锥管等零部件。经测试，增容改造后机组抗汽蚀和磨损性能良好[5]。

2.3 原水轮机改变水头主要技术参数

2.3.1 主要技术参数

型号：HL240---LJ—140，转轮直径：1 400 mm。可增大运行水头机组容量，但增大2 500 kW上一级的发电机是SF3200—20/3080，这样将改变原有基础，投资大、耗时长。采用厂家建议，将定子转子改造为3 000 kW非标发电机，技术参数按3 200 kW(型号SF3000---20/30800）计算。主要技术参数分析如表1所示。

表1 主要技术参数分析

水头运行机组容量设计如表2所示。

表2 水头运行机组容量设计

这样调速器达到限值，考虑原有调速器（YDT--1800改）的设计余度，可以满足运行需要。

2.3.2 水轮机主要部位要求

转轮止漏环间隙为0.60～0.84 mm；导水叶闭合边立面间隙0.10 mm；原水轮机主要部位经实测得水轮机转轮止漏环间隙在0.76 mm；导水叶闭合边立面间隙≤0.70 mm；转轮模型较好，没有明显的气蚀、沙蚀，破损等现象，转轮效益高，水头适应范围广，为16.90～32 m。

2.4 水轮机改造原则

水轮机改造中，水轮机机组增容改造的关键是通过改造水轮机转轮，提高水能资源向机械能的转换效率[6]。由于水头和流量存在一定的差异，相同转轮在不同的水头、流量下，其工作效率随之变化，需要合理选择改造水轮机转轮，防止水轮机出现振动、气蚀等不良现象，提高电站经济效益。竹青水电站机组增容改造工程中，在对原机组水头、流量条件进行深入分析的基层上，以保证机组各项参数符合技术规范要求为前提，通过更换效率高、流量大的水轮机转轮，满足水轮机增容改造要求。经改造后的混流式水轮机转轮与原转轮机直径、流道一致，过机流量提升效果明显，机组出力效果显著，根据水轮机改造测试数据表明，机组出力提高约20 %以上。但受压力钢管的限制引用流量改变较小。在综合考虑后决定不更换原有转轮（水轮机部分不动），型号为：HL240—LJ—140，通过在止漏环上薄薄电焊一层并打磨至合格，使水轮机转轮止漏环的间隙为0.65 mm。

3 发电机改造

3.1 发电机现状

发电机定子线杆被铁心切断，铁心变形松动等必然要修复铁心和定子线杆，绝缘等级B。

3.2 发电机改造途径

水轮发电机的增容改造是在现有条件下，有效提高电站经济效益的重要途径，也是改善原机组运行安全问题的重要保证。经本工程水电机组增容改造实践表明，在相同功率下，水轮发电机出力增加幅度为20 %～25 %。但由于改造后的水轮机功率增加可能导致发热量增加，因此，应加强转子温度控制，更换定子线圈和转子线圈为F级绝缘材质，确保转子温度在绝缘允许极限温度控制范围内，满足机组各项电气指标及安全运行要求。

3.3 发电机改造原则

3.3.1 原绕组的改造增容

由发电机现状可以判断原发电机须更换定子线棒、铁心。在对原绕组增容时，应先通过增大定子绕组线规方式，降低定子绕组电阻，确保定子绕组电阻发热量大于原绕组发热量，在合理改造范围内实现绕组的增容改造。由于发电机组定子槽尺寸受限，对增容尺寸存在一定限制，因此，在增容过程中，可通过改变原机组绝缘浸漆工艺，将机组绝缘等级提高至F级，并采用损耗低、耐电压、高介质的优质绝缘材料，合理控制绝缘层厚度，达到在不改变机组定子槽规格的情况下增容的目的。通过上述技术措施，可增加一个容量等级（3 200 kW)。

3.3.2 原机组定子的改造增容

因为发电机基坑环境条件的限制，需根据原机组定子机座尺寸更换发电机定子铁心、铁心槽形尺寸以及发电机定子线圈。通过与厂家协商改容量等级为3 000 kW，型号：SF3000-24/2600，功率3 000 kW，电压6 300 V，额定功率因数0.85（滞后），电流323.4 A，转速250 r/min，频率50 Hz，相数3，接法Y，绝缘耐热等级F级。

4 发电机转子的改造

4.1 增加励磁功率

针对发电机容量增加20 %～25 %，空载励磁功率并未增加的情况，应通过增加定子电流方式，通过电枢反应增加励磁功率。

4.2 转子线圈翻新改造

为满足转子翻新改造要求，本工程将水轮发电机旧线圈做退火处理。通过退火处理方式，能够起到软化铜排和除去旧绝缘的作用。经退火处理后，重新热压转子线圈，并将线圈绝缘等级提高至F级。经转子线圈翻新处理，线圈匝数增加10 %～15 %，有效提高了转子绝缘等级，转子绕组扩容幅度为120%～125 %。

4.3 机组改造增容参数

空载励磁电流100 A；空载励磁电压55.80 V；额定励磁电流226 A；额定励磁电压 218 V；满载效率96.40 % ；直轴同步电抗Xd＝1.41；直轴瞬变电抗Xd/＝0.26；直轴超瞬变电抗Xd//＝0.17；横轴同步电抗Xq＝Xq/＝0.83；横轴超瞬变电抗Xq//＝0.18。

5 机组改造增容和新增装机比较

电机增容扩建方式是改善老电站机组运行效能的重要途径，是新时期中小型电站改造发展的重要方向。与新增机组增容改造相比，老机组增容改造具有以下优势：

5.1 改造增容经济效益高

竹青背电站机组增容改造的费用在1 000元/kW～2 000元/kW之间，但是如果新增装机则需投资5 000元/kW～10 000元/kW，改造增容的投资成本明显低于新增装机。

5.2 投资见效快，不影响正常发电

竹青背电站机组的增容改造可在机组枯水期完成，不影响电站的正常发电。本电站的改造增容只需一两个月就可完成，施工周期短、投资成本低、收益高。电机改造增容后投入运营生产快，投资回报周期短、效益高，电站运营2年左右就可收回改造增容的投资成本。

5.3 施工方便简单

原有的基础设施因外形不变，增加的机组增容必须增加一系列配电设施，施工复杂，而本文中提出的竹青背电站机组增容改造措施，施工简单方便。

6 结语

本次2号F水轮发电机技术改造增容基本成功，解决原发电机运行时间较长、电密较高、冷却风路不畅、运行温度较高、致使铁心变形及松动、线圈绝缘老化及损伤等问题，同时又增加机组效益，在运行上只要轻松调整运行特性，简单节约。