池潭水电厂2 号水轮发电机组改造

罗 勇

（华电福新能源有限公司池潭水力发电厂，福建三明 354400）

1 机组改造的必要性

池潭水电厂2 号机组由东方电机厂设计、制造，额定容量50 MW，水轮机型号为HL220-LJ-380，发电机型号为TS920/115-44，1980 年投产发电，至2018 年已运行38 年，机组运行设计年限已到，设备日趋老化，主机方面存在以下3 个问题：①发电机定子为B 级绝缘，绝缘材料已老化、脆化，已超设计年限；②转轮空蚀严重，在转轮叶片出水边与转轮上冠连接处多次出现贯穿性裂纹，经多年补焊处理后，叶片有较大变形，线型变化大，水力损失较大，效率降低；③机组在15～30 MW 低负荷下运行存在较宽的振动区等，以上隐患随时威胁着该厂的安全生产。因此急需对机组进行更新改造，以确保安全生产，提高经济效益。

2 机组改造原则和范围

2.1 改造原则

在不改变水库特征参数、送出线路、2 号机组流道及埋设部件，水轮机吸出高度不变以及厂房行车不作改造的前提下，借助当前水轮机转轮先进的设计理念及制造工艺，池潭水电厂2号机组改造后装机容量可由原50 MW 增加至53 MW。

2.2 改造范围

水轮机转轮、主轴、导水机构、水导轴承、主轴密封、导叶接力器等非埋设部件；发电机及其附属设备；机组自动化元件；允许水轮机转轮改造需要配套改造的基础环、尾水管里衬部分。机组改造后水轮机剖面如图1 所示、发电机剖面如图2 所示。

图1 机组改造后水轮机剖面图

图2 机组改造后发电机剖面图

2.3 水轮机改造主要项目

（1）转轮：将原HL220-LJ-380 型，材料为ZG20SiMn 转轮更换为HLD385B-LJ-395 型，材质为ZG0Cr13Ni4Mo，叶片采用VOD 精炼铸造，转轮为整体结构。

（2）顶盖：采用Q235B 钢板焊接结构，分两瓣，在顶盖过流面设置有不锈钢抗磨板，采用塞焊方式固定，顶盖上设有不锈钢固定止漏环，材料为0Cr18Ni9 钢板。在顶盖上对应导叶全关位置密封处，设置有可拆换的金属端面密封装置。

（3）底环：由铸钢ZG20SiMn 的下轴座和Q235B 钢板焊接而成，底环分两瓣，底环过流面设有抗磨板。采用塞焊方式固定在底环上。在对应导叶全关位置密合处设置有可拆换的金属端面密封装置。底环上设有固定止漏环，材料为0Cr18Ni9 不锈钢板。

（4）导叶：为整铸不锈钢结构，材料铸钢ZG06Cr13Ni4Mo，上、中、下轴承采用FZ 双金属自润滑材料。

（5）密封装置：检修密封采用实心背压式围带，密封气压为0.4～0.87 MPa。工作密封为水力自动恒压式结构。密封件材料为CESTIDUR。

（6）导轴承：水轮机导轴承为稀油润滑分块瓦式导轴承，油冷却系统为内循环式，冷却器布置在油箱内部，轴承冷却器为双向进水式，并能正、反向工作。轴瓦采用巴氏合金瓦，轴瓦间隙调节是靠楔块完成，易调整并且可靠。

（7）补气装置：原尾水管短管补气方式更改为主轴中心孔补气。补气阀采用200 弹簧式盘形阀，经管道将空气通过发电机上端引至主轴向转轮中心下部出口进行补气。并将可能的漏水排至机坑外。

（8）基础环及尾水管：转轮型号变更，基础环及尾水管需进行配套改造，将原基础环往尾水管方向加长125 mm，并重新制作一段500 mm 长的不锈刚锥管段，过渡到原锥管上。

2.4 发电机主要改造项目

2.4.1 总体结构

池潭水轮发电机采用具有上导轴承的立轴半伞型结构。推力轴承位于转子下部，轴系由上端轴、转子支架中心体、发电机主轴、水轮机主轴组成，并由发电机上导轴承和水轮机水导轴承支撑。

2.4.2 定子

定子机座由钢板焊接而成，分成4 瓣在机坑内组装成整圆，机座外新定子机座与原定子基础板采用过渡板匹配。

（1）定子铁芯采用优质冷轧硅钢片50W270 冲制而成，F 级绝缘。铁芯在机坑内整圆叠装。定子铁芯内通风槽钢采用非磁性的工字钢1Cr18Ni9Ti。定子铁芯上、下端压指均采用非磁性材料，定位筋采用浮动鸽尾结构。

（2）铁芯在现场机坑内整圆叠装。定子铁芯由足够的拉紧螺杆拉紧，拉紧螺栓的材料采用高强度冷拉圆钢35CrMo，在拉紧螺杆的上端设有蝶形弹簧，以维持对铁芯必需的压紧力，以保证定子铁芯在长期运行后不会发生松动。

（3）定子绕组为双层条式绕组、Y 形连接，发电机定子线圈绝缘采用F 级绝缘系统，电磁线材料采用双面绝缘厚度为0.2 mm的双玻璃丝包扁铜线。线棒采用多点强迫均压措施，并采用绝缘槽衬结构，在线棒表面形成弹性层，使之与定子槽结合紧密，有效降低槽电位，提高线棒抗电晕能力，同时有利于减小线棒与铁芯间的热阻，降低介质损耗。

2.4.3 转子

（1）磁极：磁极铁心采用1.5 mm 厚的高强度薄钢板冲片迭压而成，并采用T 尾结构与磁轭相连。磁极线圈由两种宽度不同的半硬紫铜排焊接而成，线圈匝间垫以F 级玻璃坯布或Nomex 绝缘纸，与铜排热压成一体。磁极线圈接头结构及极间连接可靠，接触面采用镀银工艺。磁极托板采用F 级高强度环氧玻璃坯布整体热压而成。

（2）磁轭：磁轭采用优质钢板（DER345）冲片迭压而成，磁轭沿轴向均匀设有3 道高度为40 mm 的通风沟，磁轭用高强度螺杆冷拉圆钢35CrMo 把合成整体，以提高磁轭的整体刚度。磁轭与支架采用热打键的连接方式，通过一定的打键紧量确保在额定转速下磁轭不会发生浮动。

（3）转子支架：转子支架采用圆盘式转子支架结构，中心体和分瓣扇形支臂在工地焊成整体，支架组合缝处设有成对的定位块、确保支架组圆时准确定位。

2.4.4 推力轴承

推力轴承推力负荷为530 t，推力轴承采用单波纹弹性油箱双层瓦支撑方式。共设有10 块瓦，推力瓦采用弹性金属塑料瓦。轴承润滑油冷却采用内循环冷却方式。

2.4.5 上、下机架

发电机上、下机架均由中心体和支臂组成。为防止上导以及推力油槽甩油和油雾问题，将挡油管高度增高，远离油面。在上导滑转子上增加挡油环，阻止上导爬油。为防止推力油槽甩油和油雾问题，将挡油管高度增高，远离油面。新增上导、推力接油槽，对仍有少量爬油进行收集，不会污染机组，同时防止油雾从此逸出。

2.4.6 上导轴承

上导轴承为分块瓦，采用支柱螺钉支撑。

2.4.7 上端轴、主轴

上端轴及主轴采用锻钢20SiMn 制成，上端轴与转子支架中心体采用螺栓把合结构；主轴采用分段轴结构，与转子中心体通过螺栓把合连接，并通过联轴螺栓传递扭矩。

3 改造实施效果

池潭水电厂2 号水轮发电机组2018 年9 月27 日开始实施改造，2019 年5 月5 日顺利通过72 h 试运行，改造工期共221 d。根据福建省亿力建设工程有限公司福建电力调试分公司试验报告和72 h 试运行情况以及并网后机组运行状况分析：池潭水电厂2 号机组改造后，机组各轴承、定子铁芯等处运行温度稳定，未超过规定值。机组运行稳定性、出力和效率以及空蚀性能均得到有效提高，符合规程和可研要求，达到预期效果。机组额定功率由改造前的50 MW 增容至53 MW，机组额定点效率由90%提升至92%，新机加权平均效率保证值不低于90.51%。改造后转轮的上冠、下环、叶片均采用ZG0Cr13Ni4Mo 不锈钢材料制造，抗空蚀性能优于ZG20SiMn。尾水管补气方式由原短管补气改为大轴中心孔补气，补气效果更优。2 号水轮发电机组改造达到预期效果。

4 项目实施的经验教训

4.1 项目实施经验

（1）选择资质和信誉良好的设备制造商以及设备监造是保证项目顺利实施的重要因素。池潭水电厂2 号机组改造几经启停，项目复工后，东方电机有限公司高度重视，能够及时梳理，在生产任务繁忙情况下，优先安排，保证供货工期。同时严格项目质量管理，严格工艺工序要求，对现场出现问题，能及时有效调配设备、专业技术人员给予解决。设备监造方杭州华电工程设备监理有限公司尽心尽责，做好设备生产制度质量的监督和进度的跟踪工作，并且提出专业的意见和建议，为2 号机组改造安全顺利完成打下坚实的基础。

（2）项目单位发挥主导作用、加强项目全过程的跟踪和监督、做好参建各方的沟通和协调，是项目得于顺利实施的保证。2号机组改造实施以来，池潭水电厂各级领导、专业技术人员密切与设备制造商、设备监造方、安装单位等联系，及时协调有效解决项目实施过程中的各类问题，工作总体较为顺畅。

（3）机组改造是一系统工程，在对相关电气设备进行复核的基础上，还要对整个引水系统，特别是压力钢管、尾水管进行全面的检测和复核，必要时结合进行更换或防腐处理。

4.2 项目实施教训

（1）扩建机组涉及审批程序多，要详细掌握机组增效扩容项目相关外部审批、审核制度和要求，事先加强与工信厅、电网调度、能监办、质检站联系，及时做好并网许可、电力业务许可证办理手续。

（2）由于改造项目特殊性，对施工工期要求高，水电站机组改造工作一般安装在枯水期进行，汛期完成，因此如何有效保证工期也是项目实施重要内容之一，要提前谋划，统筹安排。

（3）在保证设备质量和按期供货的前提下，要充分考虑以下3 个因素对工期的影响：①雨雪冰冻天气给设备运输以及春节假期给现场施工带来的影响，应提前策划；②机组定子叠片、下线地点尽可能安排在装配场，有利于其他工序同时开展，缩短工期；③现场装配工序质量的把控，特别是重要设备、重大部件，要加密加强质量控制措施的落实和检查，避免返工。

（4）对于机组改造设备采购等类似的跨年或多年实施的项目，在合同条款中，应增加约定不含税合同总价不变等条款，避免因国家税率变化引起合同争议和纠纷。