水輪發(fā)電機(jī)組增容改造技術(shù)研究

陳良勇，胡小剛

(1.三峽金沙江川云水電開發(fā)有限公司向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓644612； 2.重慶大唐國際武隆水電開發(fā)有限公司，重慶408506)

沙灣水電站位于四川省木里藏族自治縣境內(nèi)，系木里河干流水電規(guī)劃“一庫六級(jí)”的第3級(jí)水電站。電站采用引水式開發(fā)，閘址位于木里河干流瓦郎溝溝口下游1.5 km處，右岸引水至沙灣大橋下游2 km處建廠發(fā)電。電站的水輪機(jī)型號(hào)為HLA351-LJ-305，發(fā)電型號(hào)為SF60-18/5500。電站具有日調(diào)節(jié)功能，共裝有4臺(tái)單機(jī)容量為60 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組運(yùn)行最大水頭259.33 m，額定水頭220 m，額定轉(zhuǎn)速333.3 r/min。受某些客觀因素和技術(shù)條件的影響，沙灣水電站在建設(shè)過程中存在以下幾點(diǎn)問題。

1)沙灣水電站閘址和廠址初設(shè)時(shí)均無實(shí)測水文資料，以該電站上游濯桑和下游呷姑站作為該水電站分析的依據(jù)站，以上游濯桑和下游呷姑站設(shè)計(jì)徑流成果，按照該電站集雨面積線性內(nèi)插，推求本電站徑流設(shè)計(jì)成果。閘址多年平均流量為103 m3/s，按面積線性內(nèi)插推求的本電站3個(gè)年份逐日平均流量為水能設(shè)計(jì)依據(jù)。該電站于2012年投產(chǎn)，在2013年、2014年、2015年3年的運(yùn)行期該電站集雨面積入庫流量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)流量。

2)該電站設(shè)計(jì)廠址開工不久就出現(xiàn)涌水，導(dǎo)致大范圍變形體的問題。隨后將廠房向下游遷建1 km，機(jī)組安裝高程較設(shè)計(jì)高程低1 m，電站實(shí)際運(yùn)行水頭較額定水頭要高，相應(yīng)的耗水率減小。

3)作為日調(diào)節(jié)水庫，電站原設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為240 MW 所對應(yīng)的最大引用流量為124 m3/s，而上游銜接卡基娃水庫為年調(diào)節(jié)水庫，最大引用流量為216.1 m3/s，兩電站調(diào)峰流量不匹配。盡管沙灣電站有日調(diào)節(jié)庫容171.8萬m3，可調(diào)約5 h調(diào)峰多余流量。若上游電站日調(diào)峰時(shí)間增長，該電站就有可能棄水。因此，將該電站裝機(jī)容量由240 MW增加到288 MW，相應(yīng)的最大引用流量增大到148 m3/s，將減少上游電站的日調(diào)峰產(chǎn)生的棄水，同時(shí)提高了本電站的調(diào)峰容量和電量，使電網(wǎng)的電量更加合理。

為了最大限度提高木里河水能資源利用率，同時(shí)考慮到電站的實(shí)際情況，經(jīng)過綜合研究分析，目前擬對沙灣水電機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)容改造，每臺(tái)機(jī)組在原有基礎(chǔ)上擴(kuò)容20%，即從60 MW擴(kuò)容至72 MW。擴(kuò)容后，水輪機(jī)型號(hào)保持不變，發(fā)電機(jī)型號(hào)變?yōu)镾F72-18/5500。

1機(jī)組技改擴(kuò)容實(shí)施方案

1.1水輪機(jī)部分

1)轉(zhuǎn)輪修型前準(zhǔn)備。根據(jù)機(jī)組技改增容論證報(bào)告[1-2]和原轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)流通參數(shù)及葉片型線參數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)提出修改數(shù)據(jù)，再通過計(jì)算機(jī)流場分析軟件CFX(現(xiàn)在用的較多是FLuent，CFX，F(xiàn)LOTRAN等)來驗(yàn)證，不斷修正達(dá)到要求，并按修正后的最終數(shù)據(jù)，做樣板用于轉(zhuǎn)輪修型及修復(fù)用。

2)轉(zhuǎn)輪改造內(nèi)容。現(xiàn)轉(zhuǎn)輪型號(hào)為HLA351為15+15長短葉片，改造的主要內(nèi)容是葉片修型，并少量加工下環(huán)出口直徑。葉片修型分長短葉片，其中長葉片出水邊將截短，并將葉片出水邊修薄倒圓，長短葉片的背面堆焊，正面去除部分，轉(zhuǎn)輪整體退火處理，注意用水玻璃保護(hù)轉(zhuǎn)輪法蘭面、螺孔等。清理轉(zhuǎn)輪，在立車上車加工轉(zhuǎn)輪外圓，上下梳齒及下環(huán)出口。將轉(zhuǎn)輪放在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上，數(shù)控鏜床上銑加工葉頭部正背面。轉(zhuǎn)輪放在數(shù)控龍門銑上加工長葉片出水邊，出水邊先截短，再加工葉片背面并倒圓，鏟磨葉片型線，并用樣板檢查。轉(zhuǎn)輪進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。轉(zhuǎn)輪修型如圖1所示。

圖1轉(zhuǎn)輪葉片修型

1.2發(fā)電機(jī)部分

1)發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)驗(yàn)算。根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，額定功率在60 MW(水溫25℃)時(shí)，冷風(fēng)溫度32℃，熱風(fēng)溫度65℃，冷熱風(fēng)溫差達(dá)33 K。額定功率在72 MW(水溫25℃)時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)需帶走的損耗將由功率為60 MW的1 010 kW增加到功率為72 MW時(shí)的1 226 kW, 冷熱風(fēng)溫差將達(dá)40 K。為在72 MW時(shí)，冷熱風(fēng)溫差下降到28 K，需把風(fēng)量提高42.8%。原因如下：

根據(jù)公式：Q0=ΔP/1.1Δt

式中：Q0為發(fā)電機(jī)總風(fēng)量，m3/s；ΔP為需要由冷卻器散出的損耗，kW；Δt為發(fā)電機(jī)額定工況時(shí)的風(fēng)溫升，K。

由上述公式得出發(fā)電機(jī)60 MW時(shí)總風(fēng)量Q0=27.8 m3/s，很顯然，該風(fēng)量已無法滿足發(fā)電機(jī)增容后的散熱需要。發(fā)電機(jī)增容到額定功率72 MW時(shí)，冷熱風(fēng)溫差按28 K，需使發(fā)電機(jī)總風(fēng)量達(dá)Q0=39.7 m3/s。為此,需改造發(fā)電機(jī)。需更換發(fā)電機(jī)空冷器，改造通風(fēng)系統(tǒng)，增加轉(zhuǎn)子的壓頭，降低定子與空冷器的風(fēng)阻，封堵漏風(fēng)，大幅度提高發(fā)電機(jī)的風(fēng)量。

2)發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)改造。轉(zhuǎn)子的散熱主要靠轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝的出風(fēng)及磁極間上、下端的進(jìn)風(fēng)進(jìn)行散熱的，而現(xiàn)機(jī)組的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子采用無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁極僅有徑向風(fēng)而極間進(jìn)風(fēng)幾乎沒有，因此造成發(fā)電機(jī)總風(fēng)量明顯偏低，如何提高電機(jī)有效風(fēng)量，增加增快轉(zhuǎn)子表面吹拂以期降低定、轉(zhuǎn)子溫升才是本次增容改造成功的關(guān)鍵。增加增快轉(zhuǎn)子表面吹拂最有效的辦法可采取在轉(zhuǎn)子的上、下端加裝風(fēng)斗[1]。

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，裝在磁極兩端的風(fēng)斗使冷風(fēng)由磁極端軸向?qū)雰蓸O之間，與轉(zhuǎn)子的徑向氣流并聯(lián)，在定子風(fēng)溝入口處形成高壓，提高定子風(fēng)溝的風(fēng)速，因而使有效風(fēng)量大大提高。利用冷風(fēng)在進(jìn)入風(fēng)斗前的先期旋轉(zhuǎn)，在定子上下端部線圈處形成冷風(fēng)環(huán)流，對定子上下端部線圈的冷卻非常有利。 實(shí)踐證明，使風(fēng)斗出口正對磁極兩端的吹拂，可使轉(zhuǎn)子平均溫升降低10～15 K，可使定子溫升降低10～20 K。采用轉(zhuǎn)子磁極上下端裝風(fēng)斗的密閉自循環(huán)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)。冷卻空氣經(jīng)轉(zhuǎn)子支架、磁軛環(huán)隙和風(fēng)斗加壓后進(jìn)入轉(zhuǎn)子極間和氣隙冷卻磁極線圈，再經(jīng)定子徑向通風(fēng)溝冷卻定子線圈和鐵心后，到達(dá)空氣冷卻器入口，經(jīng)冷卻后重新進(jìn)入循環(huán)風(fēng)路。發(fā)電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)改造后使發(fā)電機(jī)內(nèi)部空氣分布均勻合理，冷卻空氣利用率高，定子繞組、定子鐵心、勵(lì)磁繞組和發(fā)電機(jī)端部繞組均能得到良好冷卻。磁極上下端加裝風(fēng)斗，沒有擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)，如圖2所示，冷卻空氣在風(fēng)斗的吸風(fēng)作用下從軸向進(jìn)入極間和氣隙。

圖2發(fā)電機(jī)磁極加裝上、下風(fēng)斗結(jié)構(gòu)

風(fēng)斗式通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。為了安全和檢修安裝方便，拆除原機(jī)定子上下端的水平及立式擋風(fēng)板，僅僅利用原機(jī)磁軛拉緊螺桿在磁極上下端各安裝一圈旋轉(zhuǎn)風(fēng)斗，實(shí)踐證明，對安裝、檢查測量氣隙、檢查磁極接頭和磁極健、檢修風(fēng)閘等都非常方便。散熱效率高，由圖3可見，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，裝在磁極兩端的風(fēng)斗使冷風(fēng)由磁極端軸向?qū)雰蓸O之間，與轉(zhuǎn)子的徑向氣流并聯(lián)，在定子風(fēng)溝入口處形成高壓，提高定子風(fēng)溝的風(fēng)速。利用冷風(fēng)在進(jìn)入風(fēng)斗前的先期旋轉(zhuǎn)，在定子上下端部線圈處形成冷風(fēng)環(huán)流，對定子上下端部線圈的冷卻非常有利。改變風(fēng)斗出風(fēng)口與磁極的相對位置，可以改變風(fēng)斗對定子或?qū)D(zhuǎn)子的導(dǎo)流吹拂作用，實(shí)踐證明，使風(fēng)斗出口正對磁極線圈兩端的吹拂，可使轉(zhuǎn)子平均溫升降低10～15 K；如風(fēng)斗出口正對兩磁極間，可使定子溫升降低8～19 K。

圖3風(fēng)斗式通風(fēng)系統(tǒng)圖

3)空氣冷卻器改造。隨著技術(shù)的發(fā)展，與過去設(shè)計(jì)制造的空冷器相比，當(dāng)前的空冷器冷卻技術(shù)和冷卻效果有著很大的進(jìn)步[2]。本次空冷器的改造，一方面增加空冷器的換熱容量，另一方面采用新型空冷器結(jié)構(gòu)，提高空冷器的換熱效果。采用新型高效穿片式空氣冷卻器，經(jīng)已運(yùn)行電站的性能測試和認(rèn)證，該型冷卻器換熱元件達(dá)到國際先進(jìn)水平。

本次增容改造需要更換的高效率的空氣冷卻器。在發(fā)電機(jī)定子機(jī)座周圍，對稱地布置4件水冷式空氣冷卻器，形成一密閉自循環(huán)的空氣冷卻系統(tǒng)?？諝饫鋮s器備有足夠的散熱余量，當(dāng)1臺(tái)冷卻器退出運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)也能在額定容量運(yùn)行工況下安全運(yùn)行，且各部分溫升符合國家標(biāo)準(zhǔn)?？諝饫鋮s器的冷卻管采用BFe10-1-1白銅管，其結(jié)構(gòu)具有防堵和防熱應(yīng)變能力。散熱方式采用熱交換效率高的穿片式。冷卻器供水水壓為0.2～0.4 MPa，按0.7 MPa設(shè)計(jì)，其試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，歷時(shí)60 min無滲漏。冷卻器管中水的流速不超過1.5m/s。冷卻器為防止由于沉淀物的聚積堵塞冷卻水管。冷卻器可雙向換向運(yùn)行。

1.3主變壓器

1.3.1參數(shù)變化

主變?nèi)萘坑?0 MVA擴(kuò)容為83 MVA后，有如下參數(shù)變化。

1)額定電流。擴(kuò)容后主變的額定電流分別是：高壓側(cè)208.4 A，低壓側(cè)4 563.8 A，增加比例均為3.75%。經(jīng)核算，變壓器內(nèi)部繞組和引線無須更換，即可滿足變壓器擴(kuò)容后運(yùn)行要求。在外部組件方面，現(xiàn)有4臺(tái)主變所選用的原無勵(lì)磁開關(guān)電流為630 A，高壓套管額定電流為1 250 A，低壓套管額定電流6 300 A，顯然足以滿足擴(kuò)容后的要求，因此，這些外部組件也無須更換。

2)負(fù)載損耗。變壓器擴(kuò)容后，變壓器的空載損耗將保持不變，即仍然為44 kW；而負(fù)載損耗與容量比的平方成正比，最大的負(fù)載損耗(一般位于最小分接)為298 kW，即相比對應(yīng)原值增加了20 kW左右，也是變壓器擴(kuò)容之后，總損耗約增加了20 kW左右。

1.3.2改造方案

因原80 MVA變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)部設(shè)計(jì)均有比較充分的裕度，因此，擴(kuò)容后，變壓器內(nèi)部無需任何更改，也不涉及現(xiàn)場吊芯?？紤]到增加的總損耗，為了保證變壓器在83MVA額定容量長期可靠運(yùn)行時(shí)，并使變壓器油及繞組維持之前的溫升水平，該次改造方式是將現(xiàn)有冷卻器容量由250 kW全部更換為300 kW[3]，新設(shè)計(jì)制造的冷卻器安裝尺寸與原接口尺寸相同。

2結(jié)語

沙灣水電機(jī)組增容改造技術(shù)主要對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行了優(yōu)化修型，對發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)、變壓器冷卻器的優(yōu)化進(jìn)行了深入研究。預(yù)計(jì)機(jī)組改造完工后，電站裝機(jī)容量的增大，將大幅度減少棄水量，同時(shí)，機(jī)組性能將得到改善，電站運(yùn)行的安全穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)效益將得到顯著提升。