虎牙电站技术供水系统水泵电机改造措施

廖启智

（会泽县川渝水电开发有限公司，云南 曲靖 654200）

1 概述

涪江上游虎牙河梯级一级虎牙水电站位于四川省绵阳市平武县境内，坝址位于虎牙河与白洞沟汇合口下游30 m处，坝址以上集水面积363.0 km2，多年平均入库径流量3.47亿m3，水库正常蓄水位1 860.0 m，总库容30万m3。电站共装设2台24 MW混流式水轮发电机组，多年平均发电量22 632万kW·h，年利用小时数为4 715 h。

虎牙水电站技术供水系统采用单元供水方式，每台机组设置一个供水单元，每个供水单元包括2台立式离心水泵、2台电动机、冷却器、阀门、管路及附件组成。

2 技术供水系统组成及原理

2.1 用水设备

虎牙电站技术供水系统的用水设备包括：发电机上、下导轴承冷却器，发电机空气冷却器，水导轴承冷却器。系统的主要参数见表1。

表1 主要设备参数

表2 更换叶轮参数对照

2.2 水源及供水方式

虎牙电站技术供水系统技术供水系统为内循环式，故冷却水水源为2台机组共用一个蓄水池（容积55 m3），每台机组各有2台水泵（互为备用），这种供水方式运行灵活，可靠性高，便于自动控制。系统运行路线为：蓄水池→水泵→管路→尾水冷却器→机组冷却器→管路→蓄水池[1]。

3 技术供水系统存在的问题

虎牙电站2020年正式投入运行，经过近3年时间的运行，技术供水系统运行主要问题为：

（1）技术供水泵电动机运行发热严重，电机外壳温度超过75 ℃。

（2）截止2023年4月，技术供水泵4台电机轴承已损坏超过15次，电机绕组短路烧毁已超过6次，主要现象见图1、图2所示。

图1 转子扫膛、绕组短路烧毁

图2 轴承抱死损坏

技术供水系统主要作用是对电站运行中的发电机、轴承等设备进行冷却，其核心工作就是为机组设备提供充足的冷却水水源。在技术供水系统中最重要的设备就是水泵、电机和输水管，其中又以水泵、电机最为重要，它们为冷却水提供了动力支持，故必须保证技术供水泵和电机的可靠、稳定运行。尤其是丰水期，2台机组均满负荷运行，此时若技术供述系统无法正常运行，则机组只能被迫停机，1 d将损失50余万kW·h电量。

4 故障分析

4.1 运行温度过高的主要原因

（1）选型方面：选用的水泵参数严重偏离工况，如扬程选用过大，而实际 运行扬程较小，此时会使水泵运行流量远超额定流量，导致电机过负荷运行；选用的电机动力不匹配，电机长期处于过负荷状态运行，使电机运行温度过高。

（2）电动机方面：定子绕组有相间短路、匝间短路或局部接地,轻时电动机局部过热,严重时绝缘烧坏；轴承损坏造成电机运行过载故障引起温度过高。

（3）电源方面：若电源电压超过10%的额定电压或低于 5%的额定电压时，会造成电机运行温度过高；电源三相电压不平衡，会引起电机温度过高。

（4）工作环境方面：若电机受潮或有油污附着在绕组上面，会导致绝缘性能降低，从而导致绕组短路。

4.2 分析计算

（1）根据表1可知，1 台机组总冷却水量为219.2 m3/h；现场经压力表观察，1号机组1号、2号水泵出口压力分别为0.36 MPa、0.39 MPa；2号机组1号、2号水泵出口压力分别为0.36 MPa、0.35 MPa。故判断选择扬程46 m，流量选择240 m3/h的水泵基本满足运行要求，但根据电机运行电流值，有可能扬程选择稍大，造成实际运行流量值偏大，水泵性能曲线见图3。

图3 ISGD200-400立式单级离心泵性能曲线图

式中：N—水泵轴功率（kW）；Q—水泵额定流量（m3/h）；H—水泵额定扬程（m）；g—水泵效率（0.6~0.85）。经计算：水泵效率取0.75时，轴功率为40 kW。安全系数取值1.1，电机选型45 kW满足计算要求。

（2）通过摇表测量电机绝缘值大于0.5 MΩ，满足要求，故判断绕组绝缘无问题。由于电机轴承经常更换，通过图1、图2的运行现象分析，电机轴承损坏是引起电机温度过高的主要原因。

根据公式I=P/（cosφU）

式中：P—机额定功率；U—电机输入电压（380 V；cosφ—功率因数（0.86））计算，虎牙电站技术供水系统电机额定工况下运行电流约为79 A；但使用钳形表测量，实际运行电流均超过80 A，即技术供水泵电机长期处于过载状态下运行。据现场测量，技术供水泵电机运行温度较高，电机外壳运行温度超过75℃，又进一步证实了电机处于过载运行状态。

电机长期过载运行，电机运行温度过高，高温环境导致轴承处润滑脂融化、 蒸发，致使电机轴承润滑不足，电机运行振动加剧，影响水泵平稳运行[2]。严重时导致轴承抱死、轴承滚珠变形掉落，甚至因电机停机不及时可造成电机转子扫膛，绕组烧毁等故障发生。电机轴承润滑不足导致电机运行振动超标，振动过大会进一步加剧轴承的损坏，从而造成恶性循环，电机轴承经常损坏导致电机运行温度过高引起电机绕组绝缘损坏。

（3）经检查，电站内厂用电电源满足使用要求，不存在三相不平衡或过压问题。

（4）运维人员定期对电机进行清洁、清扫，电机运行环境满足要求。

5 故障处理措施

根据上述故障原因分析，有以下处理方案：

（1）增强轴承润滑效果。选用SKF 6313-2Z/C3进口轴承，并定期向轴承端盖内补充耐高温轴承专用润滑锂基脂，但补充的润滑脂无法有效进入到轴承遮尘盖内的滚珠内，效果很差。

（2）更换厂家，重新采购一套水泵。由于原厂家水泵电机质量可能不满足要求，故讨论重新选择一家优质水泵制造厂家，但不同厂家设备的外形尺寸相差很大，水泵出口中心线位置、法兰间距、基础螺孔中心距均与原尺寸有很大出入。水泵基础座需要全部打掉并重新浇筑，管路重新配装、焊接，另外若更换厂家，水泵电机功率增加，软启动器也需重新选型采购，此改造方案的总费用约为4.3万元（1套水泵的费用），且改造工作量大，既不经济也费时费力。

（3）咨询原水泵厂家。将电站技术供水系统及相关运行参数提供水泵原厂家，厂家设计人员分析水泵设计扬程为46 m，水泵出口压力0.35 MPa，扬程选型偏大，建议选择扬程为41 m，流量为240 m3/h的水泵，仅需更换水泵叶轮即可实现，1台叶轮3 600元。经公司讨论后决定，更换1台叶轮观察运行效果。

新叶轮安装完成，运行至今，新旧叶轮运行参数对比见表3。

表3 新旧叶轮运行参数对比

通过对比，水泵更换新叶轮后电动机运行电流、温度都有明显下降，振动幅值在安全运行允许范围内。根据1号水泵改造经验，故将其他3台水泵均按此方案进行叶轮更换。更换后，运行效果见表4。

表4 水泵叶轮更换前后运行参数表

6 结语

虎牙电站水泵叶轮更换后，由于水泵额定扬程降低至 41 m，故虽然水泵出口流量及出口压力无明显变化，但根据水泵性能曲线图，水泵工况更靠近曲线左侧，故电机负载降低，运行电流降低，电机温度也降低。水泵叶轮更换后，电机径向振动速度值、运行电流值、温度值均有明显减小；水轮发电机组发电机空冷器及轴承冷却器进出水温度、发电机温度、导轴承瓦温、油槽温度均无明显变化且满足规范及厂家技术要求，技术供水系统满足发电机组长期带额定负荷运行要求。

虎牙电站技术供水泵的成功改造为同类型电站提供了很好的案例，针对具体问题充分讨论，不拘泥于固定思维模式，既解决了问题又节约了改造成本，处理效果良好。