池潭水電廠2 號水輪發(fā)電機組改造

羅 勇

（華電福新能源有限公司池潭水力發(fā)電廠，福建三明 354400）

1 機組改造的必要性

池潭水電廠2 號機組由東方電機廠設計、制造，額定容量50 MW，水輪機型號為HL220-LJ-380，發(fā)電機型號為TS920/115-44，1980 年投產發(fā)電，至2018 年已運行38 年，機組運行設計年限已到，設備日趨老化，主機方面存在以下3 個問題：①發(fā)電機定子為B 級絕緣，絕緣材料已老化、脆化，已超設計年限；②轉輪空蝕嚴重，在轉輪葉片出水邊與轉輪上冠連接處多次出現貫穿性裂紋，經多年補焊處理后，葉片有較大變形，線型變化大，水力損失較大，效率降低；③機組在15～30 MW 低負荷下運行存在較寬的振動區(qū)等，以上隱患隨時威脅著該廠的安全生產。因此急需對機組進行更新改造，以確保安全生產，提高經濟效益。

2 機組改造原則和范圍

2.1 改造原則

在不改變水庫特征參數、送出線路、2 號機組流道及埋設部件，水輪機吸出高度不變以及廠房行車不作改造的前提下，借助當前水輪機轉輪先進的設計理念及制造工藝，池潭水電廠2號機組改造后裝機容量可由原50 MW 增加至53 MW。

2.2 改造范圍

水輪機轉輪、主軸、導水機構、水導軸承、主軸密封、導葉接力器等非埋設部件；發(fā)電機及其附屬設備；機組自動化元件；允許水輪機轉輪改造需要配套改造的基礎環(huán)、尾水管里襯部分。機組改造后水輪機剖面如圖1 所示、發(fā)電機剖面如圖2 所示。

圖1 機組改造后水輪機剖面圖

圖2 機組改造后發(fā)電機剖面圖

2.3 水輪機改造主要項目

（1）轉輪：將原HL220-LJ-380 型，材料為ZG20SiMn 轉輪更換為HLD385B-LJ-395 型，材質為ZG0Cr13Ni4Mo，葉片采用VOD 精煉鑄造，轉輪為整體結構。

（2）頂蓋：采用Q235B 鋼板焊接結構，分兩瓣，在頂蓋過流面設置有不銹鋼抗磨板，采用塞焊方式固定，頂蓋上設有不銹鋼固定止漏環(huán)，材料為0Cr18Ni9 鋼板。在頂蓋上對應導葉全關位置密封處，設置有可拆換的金屬端面密封裝置。

（3）底環(huán)：由鑄鋼ZG20SiMn 的下軸座和Q235B 鋼板焊接而成，底環(huán)分兩瓣，底環(huán)過流面設有抗磨板。采用塞焊方式固定在底環(huán)上。在對應導葉全關位置密合處設置有可拆換的金屬端面密封裝置。底環(huán)上設有固定止漏環(huán)，材料為0Cr18Ni9 不銹鋼板。

（4）導葉：為整鑄不銹鋼結構，材料鑄鋼ZG06Cr13Ni4Mo，上、中、下軸承采用FZ 雙金屬自潤滑材料。

（5）密封裝置：檢修密封采用實心背壓式圍帶，密封氣壓為0.4～0.87 MPa。工作密封為水力自動恒壓式結構。密封件材料為CESTIDUR。

（6）導軸承：水輪機導軸承為稀油潤滑分塊瓦式導軸承，油冷卻系統為內循環(huán)式，冷卻器布置在油箱內部，軸承冷卻器為雙向進水式，并能正、反向工作。軸瓦采用巴氏合金瓦，軸瓦間隙調節(jié)是靠楔塊完成，易調整并且可靠。

（7）補氣裝置：原尾水管短管補氣方式更改為主軸中心孔補氣。補氣閥采用200 彈簧式盤形閥，經管道將空氣通過發(fā)電機上端引至主軸向轉輪中心下部出口進行補氣。并將可能的漏水排至機坑外。

（8）基礎環(huán)及尾水管：轉輪型號變更，基礎環(huán)及尾水管需進行配套改造，將原基礎環(huán)往尾水管方向加長125 mm，并重新制作一段500 mm 長的不銹剛錐管段，過渡到原錐管上。

2.4 發(fā)電機主要改造項目

2.4.1 總體結構

池潭水輪發(fā)電機采用具有上導軸承的立軸半傘型結構。推力軸承位于轉子下部，軸系由上端軸、轉子支架中心體、發(fā)電機主軸、水輪機主軸組成，并由發(fā)電機上導軸承和水輪機水導軸承支撐。

2.4.2 定子

定子機座由鋼板焊接而成，分成4 瓣在機坑內組裝成整圓，機座外新定子機座與原定子基礎板采用過渡板匹配。

（1）定子鐵芯采用優(yōu)質冷軋硅鋼片50W270 沖制而成，F 級絕緣。鐵芯在機坑內整圓疊裝。定子鐵芯內通風槽鋼采用非磁性的工字鋼1Cr18Ni9Ti。定子鐵芯上、下端壓指均采用非磁性材料，定位筋采用浮動鴿尾結構。

（2）鐵芯在現場機坑內整圓疊裝。定子鐵芯由足夠的拉緊螺桿拉緊，拉緊螺栓的材料采用高強度冷拉圓鋼35CrMo，在拉緊螺桿的上端設有蝶形彈簧，以維持對鐵芯必需的壓緊力，以保證定子鐵芯在長期運行后不會發(fā)生松動。

（3）定子繞組為雙層條式繞組、Y 形連接，發(fā)電機定子線圈絕緣采用F 級絕緣系統，電磁線材料采用雙面絕緣厚度為0.2 mm的雙玻璃絲包扁銅線。線棒采用多點強迫均壓措施，并采用絕緣槽襯結構，在線棒表面形成彈性層，使之與定子槽結合緊密，有效降低槽電位，提高線棒抗電暈能力，同時有利于減小線棒與鐵芯間的熱阻，降低介質損耗。

2.4.3 轉子

（1）磁極：磁極鐵心采用1.5 mm 厚的高強度薄鋼板沖片迭壓而成，并采用T 尾結構與磁軛相連。磁極線圈由兩種寬度不同的半硬紫銅排焊接而成，線圈匝間墊以F 級玻璃坯布或Nomex 絕緣紙，與銅排熱壓成一體。磁極線圈接頭結構及極間連接可靠，接觸面采用鍍銀工藝。磁極托板采用F 級高強度環(huán)氧玻璃坯布整體熱壓而成。

（2）磁軛：磁軛采用優(yōu)質鋼板（DER345）沖片迭壓而成，磁軛沿軸向均勻設有3 道高度為40 mm 的通風溝，磁軛用高強度螺桿冷拉圓鋼35CrMo 把合成整體，以提高磁軛的整體剛度。磁軛與支架采用熱打鍵的連接方式，通過一定的打鍵緊量確保在額定轉速下磁軛不會發(fā)生浮動。

（3）轉子支架：轉子支架采用圓盤式轉子支架結構，中心體和分瓣扇形支臂在工地焊成整體，支架組合縫處設有成對的定位塊、確保支架組圓時準確定位。

2.4.4 推力軸承

推力軸承推力負荷為530 t，推力軸承采用單波紋彈性油箱雙層瓦支撐方式。共設有10 塊瓦，推力瓦采用彈性金屬塑料瓦。軸承潤滑油冷卻采用內循環(huán)冷卻方式。

2.4.5 上、下機架

發(fā)電機上、下機架均由中心體和支臂組成。為防止上導以及推力油槽甩油和油霧問題，將擋油管高度增高，遠離油面。在上導滑轉子上增加擋油環(huán)，阻止上導爬油。為防止推力油槽甩油和油霧問題，將擋油管高度增高，遠離油面。新增上導、推力接油槽，對仍有少量爬油進行收集，不會污染機組，同時防止油霧從此逸出。

2.4.6 上導軸承

上導軸承為分塊瓦，采用支柱螺釘支撐。

2.4.7 上端軸、主軸

上端軸及主軸采用鍛鋼20SiMn 制成，上端軸與轉子支架中心體采用螺栓把合結構；主軸采用分段軸結構，與轉子中心體通過螺栓把合連接，并通過聯軸螺栓傳遞扭矩。

3 改造實施效果

池潭水電廠2 號水輪發(fā)電機組2018 年9 月27 日開始實施改造，2019 年5 月5 日順利通過72 h 試運行，改造工期共221 d。根據福建省億力建設工程有限公司福建電力調試分公司試驗報告和72 h 試運行情況以及并網后機組運行狀況分析：池潭水電廠2 號機組改造后，機組各軸承、定子鐵芯等處運行溫度穩(wěn)定，未超過規(guī)定值。機組運行穩(wěn)定性、出力和效率以及空蝕性能均得到有效提高，符合規(guī)程和可研要求，達到預期效果。機組額定功率由改造前的50 MW 增容至53 MW，機組額定點效率由90%提升至92%，新機加權平均效率保證值不低于90.51%。改造后轉輪的上冠、下環(huán)、葉片均采用ZG0Cr13Ni4Mo 不銹鋼材料制造，抗空蝕性能優(yōu)于ZG20SiMn。尾水管補氣方式由原短管補氣改為大軸中心孔補氣，補氣效果更優(yōu)。2 號水輪發(fā)電機組改造達到預期效果。

4 項目實施的經驗教訓

4.1 項目實施經驗

（1）選擇資質和信譽良好的設備制造商以及設備監(jiān)造是保證項目順利實施的重要因素。池潭水電廠2 號機組改造幾經啟停，項目復工后，東方電機有限公司高度重視，能夠及時梳理，在生產任務繁忙情況下，優(yōu)先安排，保證供貨工期。同時嚴格項目質量管理，嚴格工藝工序要求，對現場出現問題，能及時有效調配設備、專業(yè)技術人員給予解決。設備監(jiān)造方杭州華電工程設備監(jiān)理有限公司盡心盡責，做好設備生產制度質量的監(jiān)督和進度的跟蹤工作，并且提出專業(yè)的意見和建議，為2 號機組改造安全順利完成打下堅實的基礎。

（2）項目單位發(fā)揮主導作用、加強項目全過程的跟蹤和監(jiān)督、做好參建各方的溝通和協調，是項目得于順利實施的保證。2號機組改造實施以來，池潭水電廠各級領導、專業(yè)技術人員密切與設備制造商、設備監(jiān)造方、安裝單位等聯系，及時協調有效解決項目實施過程中的各類問題，工作總體較為順暢。

（3）機組改造是一系統工程，在對相關電氣設備進行復核的基礎上，還要對整個引水系統，特別是壓力鋼管、尾水管進行全面的檢測和復核，必要時結合進行更換或防腐處理。

4.2 項目實施教訓

（1）擴建機組涉及審批程序多，要詳細掌握機組增效擴容項目相關外部審批、審核制度和要求，事先加強與工信廳、電網調度、能監(jiān)辦、質檢站聯系，及時做好并網許可、電力業(yè)務許可證辦理手續(xù)。

（2）由于改造項目特殊性，對施工工期要求高，水電站機組改造工作一般安裝在枯水期進行，汛期完成，因此如何有效保證工期也是項目實施重要內容之一，要提前謀劃，統籌安排。

（3）在保證設備質量和按期供貨的前提下，要充分考慮以下3 個因素對工期的影響：①雨雪冰凍天氣給設備運輸以及春節(jié)假期給現場施工帶來的影響，應提前策劃；②機組定子疊片、下線地點盡可能安排在裝配場，有利于其他工序同時開展，縮短工期；③現場裝配工序質量的把控，特別是重要設備、重大部件，要加密加強質量控制措施的落實和檢查，避免返工。

（4）對于機組改造設備采購等類似的跨年或多年實施的項目，在合同條款中，應增加約定不含稅合同總價不變等條款，避免因國家稅率變化引起合同爭議和糾紛。