酒埠江水電站增效擴(kuò)容改造技術(shù)探討

陳岳松，曾 揚(yáng)，黃洪輝

（湖南省酒埠江水電站，株洲 412313）

1 酒埠江水電站概況

酒埠江水電站位于湖南省株洲市攸縣境內(nèi)的湘江二級支流攸水上游。工程1958年動工，1960年電站建成發(fā)電。水庫控制流域面積625km2，水庫正常水位164.0m，總庫容為2.65億m3，是一座具備年調(diào)節(jié)性能的大型水利樞紐，樞紐開發(fā)以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益。

電站為壩后引水式電站，裝設(shè)3臺3.0MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。采用單隧洞鋼筋混凝土一管三支的引水方式，在每臺機(jī)組蝸殼入口前裝設(shè)DN1750mm電動蝶閥，蝸殼為半埋入式鑄鐵蝸殼。電站水輪發(fā)電機(jī)組均系上個(gè)世紀(jì)50年代國產(chǎn)設(shè)備，水輪機(jī)為仿蘇PO-263-BM，發(fā)電機(jī)為TS325/44-22，B級絕緣。機(jī)組設(shè)計(jì)水頭為31.7m，單機(jī)額定流量為11.88m3/s。由于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)工藝及制作水平有限，經(jīng)過52年運(yùn)行，機(jī)組效率低，出力已不足設(shè)計(jì)值的70%。同時(shí)，機(jī)組出現(xiàn)了機(jī)械部件磨損、銹蝕，電氣設(shè)備絕緣老化等問題，機(jī)組運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性下降。

電站2011年被列為全國首批農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造試點(diǎn)，2012年11月底，電站3臺水輪發(fā)電機(jī)組全部更新改造完畢，并投入運(yùn)行。

2 機(jī)組選型

2.1 基本原則

1）保持現(xiàn)有水工建筑物基本不變，水輪發(fā)電機(jī)組必須與現(xiàn)有的水工建筑物及尾水流道相配合；

2）根據(jù)國家試點(diǎn)要求，機(jī)組增效擴(kuò)容改造額定工況下水輪發(fā)電機(jī)組的綜合效率達(dá)到81%以上，電量增加10%以上。

2.2 基本參數(shù)要求

根據(jù)上述原則，結(jié)合電站水工樞紐建筑物相關(guān)特性，增效擴(kuò)容新機(jī)組必須滿足下列參數(shù)要求：

1）特征水頭不變（最大水頭38.5m，額定水頭31.7m，最小水頭24.5m）；

2）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑基本不變，即1.30m≤D1＜1.34m；

3）機(jī)組調(diào)節(jié)保證值要滿足機(jī)組設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求，即機(jī)組額定流量≤11.88m3/s，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量≥50t·m2；

4）水輪機(jī)在額定水頭3 1.7 m 時(shí)出力≥3.48MW；發(fā)電機(jī)額定出力為3.3MW，最大出力為4.125MW；

5）發(fā)電機(jī)冷卻方式由自然通風(fēng)冷卻改為密閉空氣循環(huán)冷卻方式，通風(fēng)方式應(yīng)滿足機(jī)墩基本不動的要求，空冷器的尺寸滿足現(xiàn)有發(fā)電機(jī)機(jī)坑尺寸的要求。

2.3 機(jī)組容量選擇

根據(jù)電站上述參數(shù)計(jì)算及增效擴(kuò)容改造工作要求，改造后單機(jī)容量（P=9.81×11.88×31.7η，考慮綜合效率η取90%）可提高到3.3MW。

2.4 水輪機(jī)方案選擇

根據(jù)電站水頭范圍，以及電站高水位時(shí)多為灌溉期，要保證灌溉流量，而在低水位沒有灌溉任務(wù)時(shí)，必須以發(fā)電效益為主的運(yùn)行特點(diǎn)，改造機(jī)型仍選擇立軸混流式水輪機(jī)。

經(jīng)咨詢相關(guān)水輪發(fā)電機(jī)組制造廠商，符合電站改造要求的水輪機(jī)有4種（見表1）。

經(jīng)比較，轉(zhuǎn)輪HLA551C的模型效率及額定點(diǎn)效率最高，HL240效率最低，且HL240單位流量偏小，設(shè)計(jì)工況偏離最優(yōu)工況較大，參數(shù)不夠理想。 HL280模型效率較HLA551C低，且額定流量較大。綜合來看，HLA551C型模型轉(zhuǎn)輪比較理想，且HLA551C轉(zhuǎn)輪是一種技術(shù)比較成熟的轉(zhuǎn)輪型號，應(yīng)用也較普遍，運(yùn)行效果理想。經(jīng)綜合比較，本次改造選用HLA551C模型轉(zhuǎn)輪。

表1 水輪機(jī)技術(shù)改造方案比較表

根據(jù)模型的效率曲線(見圖1）分析，HLA551C-132的額定點(diǎn)效率比HLA551C-134高，HLA551C-132在31.7m及以下水頭高效率區(qū)比較寬，在高水頭運(yùn)行時(shí)又能增加機(jī)組的過流量，更符合電站調(diào)度運(yùn)行實(shí)際。原機(jī)組的吸出高度為+1.0m，HLA551C-132的吸出高度為+5.47m，在保持現(xiàn)有的安裝高程（126.5m）不變的情況下，水輪機(jī)的空蝕特性更好。通過綜合比較，水輪機(jī)選用HLA551C-132。

考慮到電站原水輪機(jī)蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)都是鑄造件加工粗糙，流道不理想，本次改造一并更換成與轉(zhuǎn)輪相匹配的鋼板壓制蝸殼，以便優(yōu)化轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出水角度。并更換540mm長尾錐管和尾水補(bǔ)氣部分，更好減少流道水能損失，提高尾水能量回收。

2.5 發(fā)電機(jī)選擇

根據(jù)電站現(xiàn)有參數(shù)計(jì)算，機(jī)組改造后單機(jī)容量可提高到3300kW。同時(shí)，考慮到電站地處湘東幕阜山暴雨中心，在極端天氣情況下，水庫調(diào)蓄能力不足，調(diào)度手段有限，為增加電站發(fā)電消落能力，提高水資源利用效益，本次改造要求發(fā)電機(jī)具備10%的過負(fù)荷能力。綜合上述因素，發(fā)電機(jī)選擇了與水輪機(jī)相匹配的SF3300-16/3050，相關(guān)參數(shù)見表2。同時(shí)為合理有效利用原有基礎(chǔ)，發(fā)電機(jī)機(jī)座不變，以保證發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸與現(xiàn)有水工結(jié)構(gòu)相匹配。

發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由原來的273r/min提高至現(xiàn)在的375r/min，機(jī)組重量減輕，荷載減小。發(fā)電機(jī)絕緣由B級改為F級絕緣，提高了機(jī)組的絕緣等級。冷卻方式由開敞式風(fēng)冷更改為封閉式水冷，不僅可降低定子線圈的溫度，還可提高機(jī)組的過載能力。

3 技術(shù)改造方案優(yōu)化

3.1 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)改造

1）冷卻方式選擇：原有發(fā)電機(jī)是B級絕緣，原自然風(fēng)冷卻冷卻方式冷卻效果很不理想，在3.0MW額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，定子溫度長期超過100℃，加快了線圈絕緣的老化，而且在停機(jī)過程中發(fā)電機(jī)線圈較易受潮，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性。針對上述問題，本次改造，將原開敞式自然風(fēng)冷卻改成封閉式空氣冷卻器冷卻方式，外加輔助加熱器。

表2 改造后發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

2）空冷器設(shè)計(jì)：由于原來機(jī)坑通道寬僅600mm，空間十分有限，不利于冷卻系統(tǒng)布置。為了保證通道有足夠空間，方便檢查維護(hù)，將定子外壁掛空冷器處做成直邊形，同時(shí)冷卻器改由紫銅、銅鎳合金的無縫管與合金金屬疊片組成，以增加散熱面積，提高冷卻效果?？绽淦骱穸戎挥?70.0mm，通道空間最小處有430.0mm，最大限度地節(jié)約了空間。運(yùn)行實(shí)際表明，在3.4MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，空冷器的熱風(fēng)58.3℃，冷風(fēng)22.52℃，定子溫度最高只有84.6℃，遠(yuǎn)低于F級絕緣允許的最高溫度140℃，冷卻效果非常理想。同時(shí)，輔助加熱器還很好地解決了線圈受潮的問題。

表3 酒埠江電站改造前后效能指標(biāo)對照表

3）定子內(nèi)部風(fēng)道優(yōu)化：常規(guī)情況下，改成封閉式空冷后，為了保證定子內(nèi)部的通風(fēng)道，在原有土建結(jié)構(gòu)不作損壞的情況下，定子踏腳板的高度必須抬高，這樣勢必會出現(xiàn)通風(fēng)道高度的一個(gè)臺階，影響發(fā)電機(jī)層外觀的整體性。由于電站廠房寬度有限，內(nèi)空僅9.0米，為滿足機(jī)組運(yùn)行安全和維護(hù)操作的方便，設(shè)計(jì)時(shí)在不降低定子本身強(qiáng)度的前提下，將定子承重支架的線圈上、下端部改成V型鋼板支架結(jié)構(gòu)，以增加風(fēng)道，同時(shí)，擋風(fēng)板采用玻璃鋼壓制成流線形導(dǎo)風(fēng)圈，固定在上、下機(jī)架的支臂上。運(yùn)行實(shí)際表明，通過改造，既保證了發(fā)電機(jī)風(fēng)路中壓力損失低、通風(fēng)順暢，又減少了漏風(fēng)和通風(fēng)損耗，同時(shí)其較高的剛度還有效的防止通風(fēng)引起的機(jī)械振動噪音，確保了廠房安全通道的暢通和整體性。

3.2 主軸密封的改造

傳統(tǒng)的水輪機(jī)主軸密封主要是采用盤根密封，易磨損，漏水，正常維護(hù)量大。本次改成巴氏合金無接觸式密封，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。主要是以巴氏合金材料作為密封件，巴氏合金密封與主軸始終似接觸非接觸狀態(tài)，而在頂蓋密封與尾水補(bǔ)氣箱下部用一根Φ150mm無縫管連接一起，利用頂蓋漏水旋轉(zhuǎn)離心力與尾水真空的吸力，達(dá)到將主軸密封滲水排至尾水管內(nèi)的目的。這種密封可自我調(diào)整，不但密封效果好，而且減少了機(jī)房內(nèi)的滲水量。

4 增效擴(kuò)容的效果

湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司對改造后新機(jī)組進(jìn)行了試驗(yàn)，技術(shù)報(bào)告評價(jià)如表3。

根據(jù)試驗(yàn)測試的結(jié)果，水輪機(jī)出力及效率、流量等各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)值，達(dá)到且超過預(yù)期效果。

5 結(jié)語

在不改變水工建筑物的情況下，對老舊電站的增效擴(kuò)容改造，選擇適合電站水位特征的水輪機(jī)型號是增效擴(kuò)容改造的關(guān)鍵。根據(jù)電站實(shí)際對機(jī)組局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并選擇安裝維護(hù)簡便、性能優(yōu)越的軸承、冷卻器等新產(chǎn)品，不僅可以提高機(jī)組運(yùn)行的可靠和穩(wěn)定性，降低機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)成本，確保增效擴(kuò)容改造成效，還可有效縮短工期，較快恢復(fù)電站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

[1]左光璧.水輪機(jī)[M].北京: 中國水利水電出版社,1995.

[2]盛國林.水輪發(fā)電機(jī)組安裝與檢修[M].北京: 中國電力出版社, 2008.

[3]哈爾濱大電機(jī)研究所.水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊出版社[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1976.

[4]SL168-96 小型水電站建設(shè)工程驗(yàn)收規(guī)程[S].