葛洲壩電廠19號機組改造增容分析

付國宏，秦風斌，李文金，雷秉惠，金龍兵

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

葛洲壩電廠是20世紀80年代投產運行的電站，至今已經運行30多年。隨著三峽電廠的投產運行，葛洲壩電廠和三峽電廠成為了“西電東送”和南北電網互聯的電力集散和潮流調解中心，常年平均運行小時數在6 500左右，長期處于滿負荷運轉狀態，水輪機葉片存在空蝕和磨損現象，發電機存在槽楔松動、絕緣開裂、電暈腐蝕等現象。機組部件整體老化嚴重，必須進行設備更新改造，提高運行性能，保證機組的安全穩定運行。

葛洲壩電廠與三峽電廠聯合運行以后，進行長江流域的梯級調度，勢必會在電力系統中承擔調峰的任務。但是葛洲壩電廠處于三峽水庫的下游，其過流能力小于三峽電廠，尤其在汛期，當三峽電廠滿負荷運行時，縱使有葛洲壩水庫的反調節作用，依然無法避免棄水運行。進行改造增容，可以減小棄水，充分利用水能資源， 這不僅僅能最大限度地增大經濟效益，還可增大電力系統的調峰容量和事故備用容量，提高2座電廠的電能質量、增強公司在電力市場的競爭力。同時增容也有利于電網公司的調度運行，對電力用戶來說具有重要的社會意義。

在進行設備更新改造的同時考慮增加發電機的出力，可以充分利用水能資源，提高發電機的效率，獲取更好的經濟效益。與新建電站相比、在原有基礎上進行改造增容，其投資成本遠低于新建電站的費用，其單價一般在新建電站的單位kW造價的10%～30%，一般只需要1～2年就能收回成本并盈利，這極大地節約了檢修成本[1]。更重要的是改造增容采用新技術、新材料、新工藝，提高了機組的運行性能，降低了事故發生概率，提高了機組可靠穩定性[2]。

總之，進行改造增容工作，不只是機組自身的更新換代，提高機組運行可靠性的需要；更是充分利用能源資源，提高能源利用效率，實現更大的社會和經濟效益的需要。

1 改造增容的可行性分析

1.1 水輪機改造增容分析

葛洲壩電廠是河床式低水頭徑流式電站，正常蓄水位為66 m，其額定水頭為18.6 m。其發電功率NA可以根據河段集中起來的水流能量來計算：

NA=ρQH

(1)

式中：ρ為流水密度，一般取值為1 000 kg/m3；Q為每秒內下泄的流量；H為額定水頭；N為發電機的裝機容量[3]。考慮到在轉化過程中存在能量損失，其表達式為

N=ηCηTηGNA

(2)

式中：ηC為上游來水經過導水建筑物的效率；ηT為水輪機的效率；ηG為發電機的效率。由式(2)可知，發電機的裝機容量N與單位時間內的下泄流量Q、工作水頭H，以及水輪機的效率ηT直接相關。當增加下泄流量Q，提高工作水頭H，改善水輪機的效率ηT時可以提高發電機的出力N。其具體表現措施包括提高額定水頭出力，有些水輪機在80%～90%的開度下能達到額定出力，較寬的出力范圍保證了調整峰荷的靈活性，導水機構開度繼續增大，可以實現增容；更換轉輪，改善汽蝕特性和運行工況，也可以達到增容的目的。

1.2 發電機增容改造分析

對水輪機進行改造的同時，還需要考慮發電機部分的改造，才能達到出力容量匹配的效果。由定子線負荷[4]AS可得：

(3)

由定子線負荷AS與發電機的額定功率PN的關系可得：

(4)

2 改造增容的技術措施

葛洲壩電廠水輪機為軸流轉漿式結構，結構相對復雜，內部裝有一套操作轉輪葉片的機構。其改造主要涉及轉輪、水導軸承、主軸密封等結構。轉輪是由輪轂體、槳葉、槳葉操作機構及泄水錐等組成。輪轂體采用G20SiMn材料鑄造，表面增加10 mm厚的不銹鋼層；葉片共5片，外緣設置裙邊，以改善間隙空化性能，提高穩定性；操作機構由連桿結構改為雙連板耳柄結構，改造后轉輪比轉速為632.9 m·kW，單位流量為2.1 m/s額定功率提高到153 MW。水導軸承改造包括重新設計軸承體及水導瓦，軸瓦采用巴氏合金瓦襯和瓦坯，并采用同心瓦，支頂方式采用斜楔與抗壓塊支撐方式。主軸密封改造為自補償型軸向端面密封結構。

葛洲壩電廠改造增容后增加的發電量主要來自汛期、低水頭運行區域。先改造水輪機再根據發電機的運行狀況逐步改造發電機，其經濟效益比水輪機和發電機同時改造的傳統模式高2倍。本文主要對后期發電機的改造增容技術措施進行介紹。

2.1 定子鐵芯改造

發電機定子鐵芯改造保持原來的電磁設計方案，槽數仍然為792槽。在定子機座的合縫板間隙處焊接鋼板，使原來的6分瓣結構變成整園結構。扇形疊片采用新型的低損耗、高導磁、不老化的優質冷軋硅鋼片沖制而成，雙面涂有F等級的絕緣漆，在整圓機座現場疊裝。采用雙鴿尾筋對定子鐵芯進行定位[5]，解決了鐵芯疊片的翹曲問題。疊片時采用分段壓緊，并用壓緊螺母、碟形彈簧，穿芯螺桿等對鐵芯緊固。定子通風溝高度由10 mm降到6 mm，其數量由29個增加到43個，改善了鐵芯風溝結構，通風冷卻效果更好，消除了冷態振動，降低了定子鐵芯的運行溫度。

2.2 定子線棒改造

發電機定子線棒為波繞組結構，其絕緣等級為B級，改造后換成F級環氧粉云母帶絕緣材料，耐熱溫度為155℃。線棒采用全模一次成型工藝，并在線棒鐵芯段表面涂有低阻漆，其耐熱溫度更高，提高了溫升限值。用3～4層涂有防電暈漆的半導體槽襯紙對線棒U型繞包下線安裝，使得線棒與鐵芯槽壁過盈配合，間隙很小，從本質上解決了運行時線棒松動磨損絕緣和槽部電暈腐蝕現象。現場做實驗時，槽電位要求低于5 V，有效防止了電暈腐蝕現象。

定子線棒在鐵芯安裝位置處股線換位方式由360°全換位改為319°不完全換位[6]，減小了股線環流在槽部內的不均勻感應電勢差和溫差，使得股線溫度更加趨于均勻，股線最高銅溫變得更低。采用F級絕緣材料，減小了主絕緣厚度，線棒股線數由42根增加到44根，同時增加每根股線的截面積，提高線棒整體載流量，發電機額定電流由5 977 A提高到6 981 A。定子線棒端部涂有高阻漆，與無磁性的高強度鋼材料端箍進行綁扎，防止發電機在發生短路時產生應力振動或者變形。線棒連接處和匯流銅排連接處采用銀焊工藝，并用14層云母帶和2層無緘玻璃纖維帶進行絕緣繞包，多方面地提高其整體絕緣耐壓能力。

2.3 轉子磁極線圈改造

圖1為轉子磁極改造圖，磁極線圈匝數增加到20匝，提高轉子的勵磁容量和轉子電流值，勵磁電流由1 621 A升高到1 781 A。采用帶散熱翅的異形銅排結構、使得磁極線圈有足夠的散熱面積，能有效降低運行溫度。鐵芯表面采用4層L型絕緣材料繞包，套上磁極線圈后，間隙處用滌綸氈包裹環氧板進行封堵，所測絕緣等級提高到上百GΩ，遠高于國家標準絕緣耐壓水平。

圖1 轉子改造圖

3 改造增容的檢測試驗

在葛洲壩電廠機組改造增容過程中，為保證改造設備的安裝質量，在改造增容過程中的各個環節設置了試驗測試，使得改造增容過程有了質量檢測和工藝監督機制。

3.1 定子鐵芯磁化試驗

定子鐵芯是用硅鋼片疊裝而成的。在制造或者安裝過程中，如果存在片間絕緣損壞，會導致短路，使得局部發生過熱而危害機組安全運行。其試驗原理就是在鐵芯上纏繞勵磁繞組，再通入一定的工頻電流，使其產生飽和的交變磁通。鐵芯在交變磁通下產生損耗使得鐵芯發熱，而受損部分會產生較大的局部渦流，溫度急劇升高。在試驗現場用紅外測溫儀對定子鐵芯進行測溫，找出過熱點，就能判斷鐵芯的制造安裝質量。定子鐵芯磁化實驗結果如表1所示。

表1 定子鐵芯磁化試驗溫度表

注：①鐵心最大溫升不超過25 K；②相同部位最大溫差不超過15 K。

3.2 定子線棒交流耐壓試驗

為了檢測線棒或者槽楔在安裝過程是否對線棒造成損傷，有無絕緣缺陷，有必要對定子線棒進行交流耐壓試驗。考慮到試驗現場變壓器容量有限，一般無法滿足所有線棒同時耐壓的需求。普通的上下層線棒電接頭間隙小，無法做有效的隔離措施，只得打亂原有定子繞組分支連接方式，重新分段進行試驗。研究分析發現，將斜連接線棒與其相鄰的普通跨線進行短接，可以將792×2根線棒分成144個小分支，其端點為線棒上端部的普通跨線或者引出線電接頭，再以含有7組斜連接線棒的9個小分支為基礎將周圍的小分支連接起來組成9段，最后根據空間相鄰位置將9段連接成3段獨立進行實驗。在試驗現場，如果沒有觀測到線棒發生擊穿或者斷續的放電等現象，則認定耐壓試驗合格。采用這種試驗連接方式，簡單方便，高效可行。定子交流耐壓的試驗結果如表2所示。

表2 定子交流耐壓試驗表

注：①1.1Un下無起暈；②2Un+3 kV下，耐壓1 min。

3.3 轉子交流阻抗測量和耐壓試驗

制作工藝不良往往會造成轉子繞組匝間絕緣破壞而發生短路，匝間短路會導致電流增大、溫度升高，其后果是無功輸出受到限制，可能引起機組振動。檢測試驗的工作原理是在一定的交流電壓下，匝間短路會產生很大的短路電流，此短路電流有強大的去磁作用，會使其交流阻抗大幅度下降，這樣與原始測量數據對比可得出是否曾在匝間短路故障。用磁極交流耐壓實驗可檢測其絕緣性能，要求其絕緣電阻值不小于5 MΩ。一般用隔離變壓器設備直接加壓，觀測是否有擊穿聲、放電聲等異象。轉子交流阻抗測量和耐壓試驗的試驗結果如表3和表4所示。

表3 轉子磁極交流阻抗測量表

注：各磁極間阻抗值之差≤10%。

表4 轉子磁極線圈耐壓試驗表

注：①2 500 V兆歐表測量，絕緣電阻≥5 MΩ；②施加電壓為10Uf+1.5 kV，耐壓1 min。

4 結 語

本次改造增容主要對發電機的定子鐵芯、定子線棒、轉子磁極線圈進行了改造。改善了定轉子通風散熱結構，提高了發電機的絕緣等級，發電機的額定容量增高至150 MW，效率提高到98.26%以上。年發電量增加，貢獻了更多清潔能源，創造了更大的經濟效益。葛洲壩19號機組采用新材料、新技術、新工藝進行改造增容，使得老機組煥發新的生機活力，增強了運行性能，提高了供電可靠性。與此同時，在改造過程中每個環節設置試驗環節進行檢測，保證了安裝過程的質量。本文所述方法進行改造增容投資少、收益高、施工周期短。它既增加了經濟效益，提高了機組的安全穩定運行能力，也為其他老機組的技術改造提供了一定的借鑒和指導意義。