水輪發電機組增容改造技術研究

陳良勇，胡小剛

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

沙灣水電站位于四川省木里藏族自治縣境內，系木里河干流水電規劃“一庫六級”的第3級水電站。電站采用引水式開發，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處建廠發電。電站的水輪機型號為HLA351-LJ-305，發電型號為SF60-18/5500。電站具有日調節功能，共裝有4臺單機容量為60 MW的水輪發電機組，機組運行最大水頭259.33 m，額定水頭220 m，額定轉速333.3 r/min。受某些客觀因素和技術條件的影響，沙灣水電站在建設過程中存在以下幾點問題。

1)沙灣水電站閘址和廠址初設時均無實測水文資料，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站，以上游濯桑和下游呷姑站設計徑流成果，按照該電站集雨面積線性內插，推求本電站徑流設計成果。閘址多年平均流量為103 m3/s，按面積線性內插推求的本電站3個年份逐日平均流量為水能設計依據。該電站于2012年投產，在2013年、2014年、2015年3年的運行期該電站集雨面積入庫流量遠大于設計流量。

2)該電站設計廠址開工不久就出現涌水，導致大范圍變形體的問題。隨后將廠房向下游遷建1 km，機組安裝高程較設計高程低1 m，電站實際運行水頭較額定水頭要高，相應的耗水率減小。

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

為了最大限度提高木里河水能資源利用率，同時考慮到電站的實際情況，經過綜合研究分析，目前擬對沙灣水電機組進行擴容改造，每臺機組在原有基礎上擴容20%，即從60 MW擴容至72 MW。擴容后，水輪機型號保持不變，發電機型號變為SF72-18/5500。

1機組技改擴容實施方案

1.1水輪機部分

1)轉輪修型前準備。根據機組技改增容論證報告[1-2]和原轉輪的上冠、下環流通參數及葉片型線參數，按經驗提出修改數據，再通過計算機流場分析軟件CFX(現在用的較多是FLuent，CFX，FLOTRAN等)來驗證，不斷修正達到要求，并按修正后的最終數據，做樣板用于轉輪修型及修復用。

2)轉輪改造內容。現轉輪型號為HLA351為15+15長短葉片，改造的主要內容是葉片修型，并少量加工下環出口直徑。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，轉輪整體退火處理，注意用水玻璃保護轉輪法蘭面、螺孔等。清理轉輪，在立車上車加工轉輪外圓，上下梳齒及下環出口。將轉輪放在數控轉臺上，數控鏜床上銑加工葉頭部正背面。轉輪放在數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。轉輪進行靜平衡試驗。轉輪修型如圖1所示。

圖1轉輪葉片修型

1.2發電機部分

1)發電機通風系統驗算。根據機組的實際運行情況，額定功率在60 MW(水溫25℃)時，冷風溫度32℃，熱風溫度65℃，冷熱風溫差達33 K。額定功率在72 MW(水溫25℃)時，通風系統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時的1 226 kW, 冷熱風溫差將達40 K。為在72 MW時，冷熱風溫差下降到28 K，需把風量提高42.8%。原因如下：

根據公式：Q0=ΔP/1.1Δt

式中：Q0為發電機總風量，m3/s；ΔP為需要由冷卻器散出的損耗，kW；Δt為發電機額定工況時的風溫升，K。

由上述公式得出發電機60 MW時總風量Q0=27.8 m3/s，很顯然，該風量已無法滿足發電機增容后的散熱需要。發電機增容到額定功率72 MW時，冷熱風溫差按28 K，需使發電機總風量達Q0=39.7 m3/s。為此,需改造發電機。需更換發電機空冷器，改造通風系統，增加轉子的壓頭，降低定子與空冷器的風阻，封堵漏風，大幅度提高發電機的風量。

2)發電機通風系統改造。轉子的散熱主要靠轉子通風溝的出風及磁極間上、下端的進風進行散熱的，而現機組的結構轉子采用無風扇結構，轉子磁極僅有徑向風而極間進風幾乎沒有，因此造成發電機總風量明顯偏低，如何提高電機有效風量，增加增快轉子表面吹拂以期降低定、轉子溫升才是本次增容改造成功的關鍵。增加增快轉子表面吹拂最有效的辦法可采取在轉子的上、下端加裝風斗[1]。

轉子旋轉，裝在磁極兩端的風斗使冷風由磁極端軸向導入兩極之間，與轉子的徑向氣流并聯，在定子風溝入口處形成高壓，提高定子風溝的風速，因而使有效風量大大提高。利用冷風在進入風斗前的先期旋轉，在定子上下端部線圈處形成冷風環流，對定子上下端部線圈的冷卻非常有利。 實踐證明，使風斗出口正對磁極兩端的吹拂，可使轉子平均溫升降低10～15 K，可使定子溫升降低10～20 K。采用轉子磁極上下端裝風斗的密閉自循環通風冷卻系統。冷卻空氣經轉子支架、磁軛環隙和風斗加壓后進入轉子極間和氣隙冷卻磁極線圈，再經定子徑向通風溝冷卻定子線圈和鐵心后，到達空氣冷卻器入口，經冷卻后重新進入循環風路。發電機進行通風改造后使發電機內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、勵磁繞組和發電機端部繞組均能得到良好冷卻。磁極上下端加裝風斗，沒有擋風板結構，如圖2所示，冷卻空氣在風斗的吸風作用下從軸向進入極間和氣隙。

圖2發電機磁極加裝上、下風斗結構

風斗式通風系統結構簡單。為了安全和檢修安裝方便，拆除原機定子上下端的水平及立式擋風板，僅僅利用原機磁軛拉緊螺桿在磁極上下端各安裝一圈旋轉風斗，實踐證明，對安裝、檢查測量氣隙、檢查磁極接頭和磁極健、檢修風閘等都非常方便。散熱效率高，由圖3可見，轉子旋轉，裝在磁極兩端的風斗使冷風由磁極端軸向導入兩極之間，與轉子的徑向氣流并聯，在定子風溝入口處形成高壓，提高定子風溝的風速。利用冷風在進入風斗前的先期旋轉，在定子上下端部線圈處形成冷風環流，對定子上下端部線圈的冷卻非常有利。改變風斗出風口與磁極的相對位置，可以改變風斗對定子或對轉子的導流吹拂作用，實踐證明，使風斗出口正對磁極線圈兩端的吹拂，可使轉子平均溫升降低10～15 K；如風斗出口正對兩磁極間，可使定子溫升降低8～19 K。

圖3風斗式通風系統圖

3)空氣冷卻器改造。隨著技術的發展，與過去設計制造的空冷器相比，當前的空冷器冷卻技術和冷卻效果有著很大的進步[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構，提高空冷器的換熱效果。采用新型高效穿片式空氣冷卻器，經已運行電站的性能測試和認證，該型冷卻器換熱元件達到國際先進水平。

本次增容改造需要更換的高效率的空氣冷卻器。在發電機定子機座周圍，對稱地布置4件水冷式空氣冷卻器，形成一密閉自循環的空氣冷卻系統。空氣冷卻器備有足夠的散熱余量，當1臺冷卻器退出運行時，發電機也能在額定容量運行工況下安全運行，且各部分溫升符合國家標準。空氣冷卻器的冷卻管采用BFe10-1-1白銅管，其結構具有防堵和防熱應變能力。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設計，其試驗壓力為設計壓力的1.5倍，歷時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行。

1.3主變壓器

1.3.1參數變化

主變容量由80 MVA擴容為83 MVA后，有如下參數變化。

1)額定電流。擴容后主變的額定電流分別是：高壓側208.4 A，低壓側4 563.8 A，增加比例均為3.75%。經核算，變壓器內部繞組和引線無須更換，即可滿足變壓器擴容后運行要求。在外部組件方面，現有4臺主變所選用的原無勵磁開關電流為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，顯然足以滿足擴容后的要求，因此，這些外部組件也無須更換。

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

1.3.2改造方案

因原80 MVA變壓器在設計時，內部設計均有比較充分的裕度，因此，擴容后，變壓器內部無需任何更改，也不涉及現場吊芯。考慮到增加的總損耗，為了保證變壓器在83MVA額定容量長期可靠運行時，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有冷卻器容量由250 kW全部更換為300 kW[3]，新設計制造的冷卻器安裝尺寸與原接口尺寸相同。

2結語

沙灣水電機組增容改造技術主要對水輪機轉輪葉片進行了優化修型，對發電機通風系統、變壓器冷卻器的優化進行了深入研究。預計機組改造完工后，電站裝機容量的增大，將大幅度減少棄水量，同時，機組性能將得到改善，電站運行的安全穩定性及經濟效益將得到顯著提升。