翠江水电站灯泡贯流式水轮发电机组增效扩容改造关键技术

首丙香，魏祥发

(翠江水电站，湖南 郴州 423000)

1 概 述

翠江水电站位于耒水中游的湖南省郴州市苏仙区五里牌镇，电站装设3台单机容量为93 00 kW的灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量27 900 kW，设计水头7.94 m，单机引用流量136 m3/s，设计年发电量1.012亿kW·h；坝址控制流域面积5 992 km2，总库容1 560万m3。电站首台机于1991年试机运行，1993年3台机全部投产投入运行。

2 存在的主要问题

由于电站机组原设计为国内首次消化借鉴奥地利进口的马迹塘电站灯泡贯流式机组，造成原机组选型不合理；加之当时国内主机厂生产贯流式机组经验不足，导致最高效率和设计点效率均低于技术协议书要求。同时，由于制造厂家材料选型不当、加工工艺不足，导致3台机组存在严重设备缺陷，水轮机及转轮室磨损、气蚀严重，机组效率极低，高负荷时振动大，经常性烧瓦；发电机温升高，导叶拐臂轴套渗水严重；转轮室伸缩节漏水严重；导致维护成本高，影响电站安全稳定运行。

3 增效扩容改造的目标

此次增效扩容改造的目标是：提升机组的效率及安全可靠性，单机容量提升至10 000 kW，充分发挥电站的综合效益。认真分析原机组效率低、出力不足、运行振动大的各种成因，咨询国内制造厂、设计院等相关专家，并到国内类似水电厂进行调研，总结电站多年来的运行及局部改造的经验，制定出了除管形座等预埋件不动外的彻底更新改造3台套发电机、水轮机的增效扩容改造方案；重点要解决提高水轮机效率，解决机组运行振动大经常性烧瓦、降低发电温升，解决转轮室伸缩节漏水等关键性技术难题。

4 水轮机更新改造

电站原水轮机型号为GZ(FO2)—WP—410，3台水轮发电机组到改造前已投入运行20多年。由于水轮机效率较低，设备运行时间较长，水轮机运行振动大，气蚀十分严重；转轮体及转轮室气蚀深度现已达母材的3/4，现每年都要进行补焊处理，但效果不理想，严重危及安全运行。同时，由于桨叶密封为“λ”型，且机组振动大，密封经常性损坏漏油，造成水环境污染及经济损失。另外，导水机构发卡，正常运行时剪断销经常成批量剪断。

结合电站水力参数，进行了优化选型和结构方案的优化设计，综合考虑水轮机的空化性能、轴面流速、效率等各方面的因素，选取高效率转轮。此次改造选用转轮型号为GZTF07B，该转轮是引进国外先进的4叶片灯泡贯流式模型转轮，已经在哈电的试验台上完成模型试验，且已经在20多座电站得到应用；转轮公称直径4.15 m，轮毂比0.38，4只叶片，详见表1。叶片可根据水头及负荷通过调速器自动调整并与导叶协联，以保证在各种工况下均具有最佳效率。

表1 水轮机改造前、后基本参数对比表

转轮体材料为ZG20Mn，在叶片转角范围内呈球形。桨叶端部活动范围内的轮毂表面堆焊5 mm厚的不锈钢层，以此减少气蚀。叶片材料为ZG06Cr13Ni4Mo，与枢轴铸成一体，4叶片结构，叶片与转臂用圆柱销传递扭矩。为防止转轮体内部的压力油渗出流道及外面的水渗入转轮体内，在叶片法兰外圆处设有V形、X形组合密封，可有效的保证不漏油、不渗水。

为配合新转轮、新水力设计，采取对整个导水机构进行更新改造。优化导叶型线，使同工况下机组过流量增加，为机组增容提供保证。导叶上、下轴套均采用聚甲醛钢背复合材料，轴颈处设置切实可靠的导叶轴颈密封，导轴承、连杆轴承及控制环轴承材料均采用进口均质非金属自润滑耐磨材料。导水传动机构采用折叠连杆结构，由导叶臂、弹簧连杆组成，它与控制环、导叶组成1个空间运动系统；当导叶间有杂物卡住不能关闭时，在导水机构传动件发生过负荷的情况下，弹簧连杆折弯并由信号器自动发出信号，此信号将驱动导叶打开，把卡入的异物排到下游去；同时弹簧连杆将导叶复位到正常状态，很好地解决了原导水机构运行中经常性出现的剪断销成批量剪断问题。

5 发电机更新改造

原来3台发电机经多年运行，绝缘已老化，极易受潮。另外，由于厂家当时选用国产硅钢片，损耗大，导致发电机温升高，无法在额定工况下运行，转子支架严重开裂，目前采取临时加固处理。线圈绝缘水平显著降低，不能满足规范及试验要求，因此必须对发电机进行改造，详见表2。

表2 发电机改造前、后参数对比表

重新进行发电机电磁计算，改变定子结构及冷却系统，定子外形尺寸为φ4 800×2 855 mm。定子铁心采用50W270型硅钢片，采用扇形片交错叠压并借助于42根定位筋与机座固定。定子绕组为叠绕组，主绝缘采用F级桐马粉云母带，防晕层直线部分为低阻，端部为高阻半导体玻璃布带，主绝缘和防晕层一次热压固化成型。

为解决发电机温升问题，冷却系统采用强迫冷却通风方式辅以定子铁心贴壁结构通过定子外壳与河水散热；强迫冷却为轴向密闭循环通风；风路冷却系统由风机、空气冷却器、挡风板、定子、转子等共同组成密闭循环系统。空气冷却器水系统采用外循环方式，为节约资金，沿用了原来冷却水系统，即机组空气冷却器、循环冷却水池、加压水泵及管路；补水深井补水至冷却水池，这样既保证了补充水流带走热量，又保证了水质清洁。定子铁心贴壁结构包括发电机组定子铁心和定子机座，在定子机座和定子铁心接触段喷有0.20～0.30 mm的金属铝层，利用金属铝材质较软的特点使铁心在热膨胀时与机座壁充分贴紧；解决了传统结构直接用机座壁散热且散热间隙难以控制的问题。不仅保证定子机座壁的良好散热性能，还可避免机组在运行过程中因间隙造成定子铁心松动而损坏线圈绝缘给机组带来的不安全隐患。

6 伸缩节及基础环改造

原来伸缩节由于密封结构不合理，且机组大开度运行时振动大，导致伸缩节漏水相当大。为解决伸缩节漏水问题，同时解决新转轮室、伸缩节与基础环配合问题，决定对基础环进行改造。具体实施是在原基础环前增设1个过渡环板，现场测量与转轮室、伸缩节配合设计，过渡环板与基础环采用现场焊接调整，确保了新设备与原预埋件精确过渡。

伸缩节采用L型结构，与转轮室之间通过连接螺栓相连。基础环设置在伸缩节的下端，与伸缩节之间相互紧贴。在伸缩节的下端开设有双道密封槽，采用O形密封。

改造后在导叶大开度、机组大负荷运行等各种工况下，转轮室振动值小于规范要求，伸缩节无漏水。

7 机组轴承系统的改造

根据电站原来机组水导弹性金属塑料瓦改造的成功经验，此次改造将机组的水导、发导、正推、反推瓦全部采用弹性金属塑料轴承。发电机设有正、反推力轴承和径向导轴承的组合轴承，装在同一轴承座内，设在转子下游侧。水轮机导轴承内径φ658 mm，瓦长398 mm，固定于内配水环上，采用扇形薄壁自位支撑。由于塑料瓦摩擦系数小，这使得弹性金属塑料瓦的机组起动变得容易，缩短了机组启动的时间，减少了耗水。弹性金属塑料瓦有一层青铜丝弹性层，具有一定弹性，受压时能自动改善瓦面的压力分布，自调性能好，承载能力强，其平均单位压力比合金瓦大，具有一定的减振性能，为机组的大负荷运行提供了可靠保证，合理地解决了传统钯氏合金瓦需要研刮、运行中对油质要求高、极易烧瓦的问题。

改造后弹性金属塑料瓦运行的瓦温比原来合金瓦低5～8 ℃。

8 改造后运行情况

机组增效扩容完成后，从发电机组带负荷情况表明，在相同水头情况下，单机出力比原来改造前机组增加2 000 kW以上，增幅超21%；三机联合运行比原机组增加出力达23%，超出设计要求。机组振动及噪音比原机组运行时明显减小，详见表3。

表3 增效扩容后机组负荷、温度、振动对比表

9 结 语

翠江水电站增效扩容改造通过对整机进行更新改造，同时采用具有专利技术的部件，采用先进制造、安装工艺，增效扩容改造取得预期效果，为同类型电站改造提供了可借鉴的经验。