華安水電廠一號機組技術改造的探索與實踐

黃立芹，施國慶，朱羅平（.華電福新能源股份有限公司華安水力發電廠，福建華安363800；.華電電力科學研究院，浙江杭州30030）

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華安水電廠一號機組技術改造的探索與實踐

黃立芹1，施國慶2，朱羅平2
（1.華電福新能源股份有限公司華安水力發電廠，福建華安363800；2.華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

摘要：通過對華安水電廠一號機組進行增容改造，解決了過流部件磨損、主軸密封不可靠漏水、主軸中心補氣口漏水等問題。結合華安水電廠一號機組技術改造中出現的問題及相應的解決措施，系統闡述水電機組改造的關鍵技術與注意事項，為今后相關工程項目提供借鑒和參考。

關鍵詞：技術改造；主軸密封；主軸中心補氣；調速器

0　引言

華安水電廠位于福建省境內九龍江北溪中游華安縣城關至新圩河段，庫區流域面積6880km2，是一座閘壩擋水、渠道隧洞混合引水、徑流開發的中型水力發電廠。設計、建設于20世紀70年代，1979年10月一號、二號機組投產發電，1980年4月全部建成。總裝機容量60MW，90%保證出力20.8MW，設計平均發電量3.6億 kW·h，年利用6000h，在系統中擔負基荷和調峰任務。

華安水電廠一號機組自1979年投運，至今已運行近36年，長期運行導致設備出現磨損老化。同時，機組系七十年代產品，受當時技術水平、材料、制造工藝等限制，機組各部件存在很多固有缺陷。2006年，華電集團公司組織專家對華安水電廠進行安全性評價，并給出最終評審意見：華安水電廠1#、2#、3#、4#水輪發電機組已運行近三十年，接近技術壽命上限，需逐步安排更新改造。因此，華安水電廠從2012年開始，首先啟動了對一號機組的技術改造工作，改造經過可研、招標、設計、監造、供貨、安裝、試驗及并網運行等階段，到2015 年5月全部完成，機組改造后各項性能指標均達到了設計及部頒規程標準的要求。通過對華安水電廠一號機組改造過程的探索與實踐，取得了系列成果，其改造工作可供其它相關技術改造提供借鑒參考。

1　一號機組的技術改造

1.1新水輪機參數的選擇與確定

表1　華安水電廠一號機組改造前、后水輪機參數

（1）水輪機額定水頭Hr的選擇

通過對華安水電廠進行水力計算可得，其加權平均水頭為47.8m。由文獻[1]的規定和水電廠當前實際運行水頭可知，水輪機的額定水頭宜在加權平均水頭的0.95～1.0倍范圍內選取。根據國內外大中型水輪機統計數據分析，水輪機的額定水頭與運行穩定性之間有著密切的聯系。例如，當水輪機的水頭比為Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15或Hmax/Hmin≤1.5、Hmax/Hr≤1.2時，其運行穩定性較好。因此，機組改造中水頭選擇范圍為55.0～40.0m，同時考慮到原額定水頭為47.0m，若額定水頭維持不變，則Hmax/Hmin=55.5/40＝1.3875＜1.5，Hmax/Hr＝55.5/47＝1.18＜1.2。故選定增容改造后的水輪機額定水頭仍為47.0m。

（2）水輪機出力Nr的選擇

在水電廠引水系統、水輪機固定過流部件（如蝸殼、尾水管等）、以及水輪機安裝高程（▽29.8m）等條件基本不變時，可根據邊界條件優化水輪機的水力設計[2]，從而水輪機在規定的運行范圍和導葉開度較寬的范圍內，有較高的效率，且效率曲線變化平緩，以達到更加優越的水輪機性能參數。

考慮到現有引水系統過水能力限制，經對機組和壓力引水系統的調節保證和廠房基礎載荷進行校核計算，機組容量維持15MW不變，改造過程中主要通過更換高效水輪機轉輪適當提高出力，要求發電機能在15.75MW負荷下長期穩定運行。

1.2解決過流部件的磨損問題

原轉輪為HL211-LJ225為鑄鋼材料，檢修時從現場情況看轉輪受空蝕和銹蝕損害比較嚴重。根據1#機組2007年12月檢修報告，水輪機汽蝕修補總面積達1.8m2，耗用焊條40kg，遠遠超過《反擊式水輪機氣蝕損壞評定標準》DL444-91內允許的8.1kg的合格標準值。其中轉輪有四個葉片空蝕較為嚴重，面積約30× 30mm，深度約10mm。同時轉輪多次補焊[3]，翼形也已發生改變，水輪機效率和機組穩定性受到較大影響。改造中轉輪的直徑選為Φ2280mm，由上冠、下環和葉片等組焊而成，且組焊部件采用ZG06Cr13Ni4Mo鑄造[4]，葉片數控加工，水輪機葉片由原來的14片改為13片。轉輪的上冠和下環上直接車制有不銹鋼止漏環。導葉采用VOD精煉鑄造，材料為ZG06Cr13Ni4Mo，導葉立面密封為剛性密封。原導葉數為16片，設計時導葉數取24個，導葉分布圓取2700，導葉數增加可以減少導葉辦體的長度，而增大導葉與轉輪葉片之間的距離和分布圓直徑可以減少活動導葉對葉片進水邊的干擾。另外，增加導葉數也可避免導葉數16片與轉輪葉片數13片不匹配的現象。

1.3解決主軸密封不可靠漏水問題

主軸密封原采用水壓端面結構，改造前存在較大缺陷，運行過程中出現密封不可靠漏水。改造后主軸密封為靜壓自調式端面密封，如圖1所示。密封結構主要由轉動部件與固定部件組成，其中轉動部件抗磨板通過螺栓安裝在主軸螺栓護蓋上。密封圈由螺栓固定，且密封圈上有環形密封水槽。浮動環與上蓋之間裝有數個彈簧，彈簧由壓緊螺母固定。浮動環與密封圈內設有4個通水孔，密封工作時由供水管路引入清潔水，利用浮動環的重力、浮動環與上蓋間的彈簧壓力以及清潔水壓力，使密封圈與抗磨板之間形成潤滑水膜。工作密封塊采用進口高分子材料（塞思德爾）該材料耐泥沙性能好，耐磨性好，耐腐蝕，耐溫性強，抗沖擊性能好，水脹率小且水摩擦系數較小。改造后經機組首次啟動運轉后，主軸密封工作良好，漏水情況得到改善。

1.4主軸中心補氣裝置的增設

改造前機組采用主軸中心補氣及十字架補氣裝置兩種結構，主軸中心補氣的補氣口在水輪機與發電機法蘭之間，當尾水位較高時，會出現補氣口漏水，因此，改造中將主軸中心補氣封堵取消，僅采用十字架補氣裝置，如圖2所示。研究結果[5]表明，向轉輪出口中心區域補入空氣，可經濟高效地消除或減輕氣蝕渦帶、氣蝕空腔、氣蝕空泡等因素引起的振動，所以設計時考慮選用主軸中心補氣裝置，同時考慮到可能出現機組尾水位高過發電機高程的情況，如補氣裝置不可靠容易造成水淋發電機，因此，改造時選擇了具有雙重密封結構的補氣閥。另外，改造后的補氣閥還有具有如下優點：1）補氣閥軸與緩沖活塞采用萬向連接器，可保證動靜部套同心度，以防止出現卡塞；2）閥門滿足快開慢關（或緩關）的要求，當閥門斜面密封正常工作時，可有效避免因尾水位抬高而產生的漏水現象；3）閥蓋關閉時，主軸內部空氣不發生泄漏，且對上涌的水力沖擊密封和緩沖效果良好，同時閥軸的軸套采用單軸套自潤滑密封形式，可避免經常添加潤滑油。機組改造后并網運行發現，主軸中心補氣工作狀況基本滿足改造要求。

1.5調速器的更換

一號機組原調速器為WZ-100步進式調速器，改造時選用新一代水輪機調速器CVT-100。CVT-100調速器由電子調節器和液壓隨動系統兩大部分構成[6]。調速器基于現代液壓數字邏輯插裝技術，由高速開關閥與邏輯插裝閥等標準液壓件，進行元件-組件-回路的多層次組合與優化設計，以實現調速器調節與控制的所有功能。調速器改造完成后，按照GB/T9652.1-2007、GB/T9652.2-2007等國家標準和DL/T563-2004、DL/T496-2001等行業標準的要求，對調速器進行了性能驗收試驗，所有指標均優于國家標準和行業標準的要求。其中，性能驗收試驗主要包括調速器測頻單元、整機靜特性、空載試驗、甩負荷、不動時間等。另外，改造前調速器壓油系統平均1h啟動1次，改造后壓油系統平均48h啟動1次，大大延長了油泵以及電機的使用壽命，不僅減少了廠用電，也降低了電廠設備的損耗，改造效果良好。

2　一號機組技術改造過程中的啟示

2.1招標設計階段

（1）要重視水輪機轉輪的調研工作

水輪機轉輪是將水能轉換成機械能的核心部件，在水輪機選型前，要詳細調研各類型轉輪在實際水電站的運行狀況，借鑒經驗，結合本廠實際，選擇合適的水輪機轉輪。改造過程中，華安水電廠借鑒了湖北白蓮河水電站等水電廠的水輪機組改造經驗，表2為國內采用HL211－LJ－225水輪機的水電站的基本情況。

表2　國內采用HL211－LJ－225水輪機的水電站的基本情況

（2）要做好詳細的技術論證

應將機組多年運行中存在的問題匯總，并把所需要改進的項目體現在標書中，避免設計階段和制造階段產生方案的重大變更。同時，為充分保證設備的安全性和可靠性，在招標設計階段，要做好相關的技術論證和設備材料材質的把關工作，如要求制造廠提供水輪機模型試驗報告及水輪機全流道CFD分析，水輪機及發電機的聯軸螺栓應為強度較高的35CrMo，冷卻器承管板及水箱蓋應為不銹鋼材料等。

（3）要做好舊設備和部件的測量記錄

改造機組多為老電站，由于歷史原因，多為資料不全，同時由于當時制造水平，表面粗糙度較大，不利于精確測量，一旦出現尺寸偏差，就會出現返廠，從而拖延工期的問題。例如，此次一號機組技術改造過程中，設計時頂蓋的直徑為3210mm，復核時發現應為3185mm，經現場測量確定為3185mm，從而避免了頂蓋返廠。因此，在改造過程中，要特別注意新舊設備的銜接，詳細測量記錄舊設備結構尺寸、高程和埋設部件把合螺栓孔分布尺寸等，以確保新設備的順利安裝。

另外，由于機組改造需要對機組進行拆機測量，所以需要恰當地把握機組拆機時機。若需拆機測量時，應確認以下制造進度已完成：水輪機頂蓋及底環已完成粗車，定子機座、上支架、下支架及轉子支架、水發機主軸已完成粗車，定子線圈、轉子線圈已完成過半，定子沖片及轉子沖片已回廠，其它外購件及自動化元件采購合同已簽訂。建議有規劃改造的機組，事先做好周密計劃，結合機組大修時仔細復核測量圖紙，為以后機組改造做好充分地準備。

（4）要加強與設計人員和設備制造商的溝通

為防止設計人員按常規設計，設計方案體現不出電廠的實際需求，參與機組改造的人員一定要加強與制造廠設計人員的聯絡溝通，以確保投標文件的精神在設計方案中得到體現。同時，參與機組改造的人員還應注意與制造商之間的相互銜接問題，提供相關設備部件的接口尺寸，并及時復核有關參數。

2.2駐廠監造及催貨階段

（1）要加強設備監造和設備催貨力度

設備到貨和設備制造質量是影響工期的主要因素，應派出責任心強、專業知識扎實及具有良好協調能力的人員作為駐廠代表進行設備監造和設備催貨。駐廠代表不僅要負責監督設備的制造質量，同時還要負責催促設備的回廠，并參與機組改造工作。

（2）要嚴格監督設備的生產質量

為避免因缺料而出現較長的停工現象，監造時需及時整理清單，對缺少的材料和零部件及時補充。同時，為確保設備質量，需督促制造廠質檢部門逐項檢查材料型號和規格尺寸是否符合施工圖樣規定，審核材質證明原件所列的化學成份及機械性能是否符合國家標準或規范的要求。設備到貨后，應組織有關部門人員，嚴格按照有關制度進行開箱驗收，避免設備缺漏。

（3）要全面了解設備的生產狀況

要熟悉和掌握制造廠各生產制造流程及加工周，由于制造廠加工任務緊張，不會因為某電站的要求而優先安排，而是會根據相關進度平衡安排，如發電機轉子支架進行粗車時，就要注意推力頭、水輪機軸及發電機軸是否已完成精車，否則轉子支架熱套進度就會滯后，影響機組改造工作進度。

2.3安裝階段

（1）安裝前應對油水氣系統管路進行清掃或改造

機組冷卻水系統一般存在結垢管路堵塞情況，利用機組改造機會進行徹底清掃，同時對部分管路重新打洞，為后期機組安裝過程做準備，避免影響機組安裝進度。

（2）加強驗收制度的執行和質量的管理

在機組改造過程中，必須嚴格遵守各有關工藝規程、改造技術方案和安全保障措施，開展改造安裝工作。在確保人身、設備和電網安全的情況下，應用運籌學和網絡技術，采用先進工藝、新技術、新方法以提高工效，及時對改造安裝的網絡圖進行修正，即使全部設備都不能按時到貨，仍能有效地縮短改造安裝及技術改造的工期。

（3）加強機組安裝全過程管理

為確保改造安裝的工作進度，及時處理出現的相關問題，在機組改造工作一開始，應每天開展一次工作匯報協調會，及時修正和調整各工作面的工作，把工作效率控制到最佳狀態。主要設備到貨后，應立即安排第三方進行全面金屬檢測，進一步確保設備質量。在最后的試驗階段，需進行統一的計劃管理，安排檢修負責人專門負責，對交叉作業進行協調管理，確保試驗各項工作全面高效地完成。

2.4啟動調試階段

（1）啟動試運行工作須統一指揮

啟動試運行工作是一項系統工程，為確保電站機組試運行的安全順利進行，必須成立指揮有力、技術精湛、專業齊全、工作負責的試運行組織機構，試運行組織機構在機組啟動驗收委員會的領導下工作。啟動驗收委員會由上級主管單位、生技部、檢修部、發電部、設備制造廠駐廠代表、安裝單位等各單位有關人員組成，負責協調機組的驗收、啟動試運行、機組的交接等工作，并著力解決試運行過程中出現的問題。試運行工作在啟委會的統一領導下，試運行指揮部的具體組織下，按審批的試運行大綱和試驗措施進行。所有工作人員要嚴格按各自的崗位職責、安全要求、工作程序進行工作，并持證上崗，遵守各項安全規程，服從試運行指揮部統一領導。

（2）啟動試運行工作須制定詳細的工作方案

機組及機電設備調試及試運行涉及面廣，投入設備多，持續時間長，且設備均已帶電，應對機組進行多次有組織地全面檢查，特別是機組轉動部分、過水部分、電氣一次部分等，防止一旦遺漏將造成比較嚴重的后果，因此，制定完善的安全措施、嚴格的工作制度、操作規程、試驗大綱和運行程序是安全工作的前提。

3　改造前、后對比

（1）指數效率試驗結果

2015年5月華安一號機組進行改造后指數效率試驗，試驗數據見表3。

表3　一號機組指數效率試驗數據

在額定水頭47m附近，原水輪機設計效率為89%，經2006測試，指數效率已下降至84%左右，可見效率下降很大，改造后的機組段效率較改造前提高5.5%，按5 月9日至9月30日共發電4675萬kW·h，增發257萬kW·h，取得較明顯經濟效益。

（2）最大出力試驗結果

機組在最大出力試驗時，有功最大試驗值15.95MW，無功7.66MVar。機組在此工況下運行4h后，機組各部溫升滿足機組運行要求，機組各部位測點振動、擺度試驗值滿足機組正常運行要求，試驗數據見表4。

表4　機組最大出力時振動擺度試驗值

4　結語

華安水電廠一號機組經過技術改造后，運行情況比較穩定，不但克服了改造前電廠重要設備的缺陷及運行過程中產生的一些問題，也積累了寶貴的經驗，節約了生產成本，提高了本臺機組的安全運行水平，是一次成功的技術改造，對今后相關工程項目具有重要的借鑒和參考意義。

參考文獻：

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修回日期：2016-01-21

Exploration and Practice of Technical Transformation of No.1 Generating-unit in Huaan Hydropower Station

HUANG Li-qin1，SHI Guo-qing2，ZHU Luo-ping2
（1. Huaan Hydropower Plant of Huadian Fuxin Energy Corporation Limited，Hua’an 363800，China；2. Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Abstract：Through the capacity expansion of No.1 generating-unit in Huaan hydropower plant，the flow passage wear，the unreliable leakage of main-shaft sealing，the leakage of main-spindle center air admission inlet and other problems were solved. Combination appeared problems when No.1 generating-unit of Huaan Hydropower Station was technically transformed and corresponding solutions，key technologies and matters needing attention of hydropower generator units transformation were formulated，which will provide the reference for the future related projects.

Key words：technical transformation；main-shaft seal；main-spindle center air admission；speed governor

收稿日期：2015-11-11

作者簡介：黃立芹（1973-），男，福建泰寧人，本科，學士學位，工程師，主要從事水電廠生產技術管理工作。

中圖分類號：T612

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0011-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.003