察爾森水庫(kù)電廠(chǎng)1號(hào) 2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組增容改造

楊立超，李勇智，王明臣

（內(nèi)蒙古興安盟科右前旗宏灃水力發(fā)電廠(chǎng)，內(nèi)蒙古 科右前旗 137432）

0 引言

察爾森水庫(kù)是國(guó)家七五期間建設(shè)的大Ⅰ型水利樞紐工程，1973年上馬施工建設(shè)。建設(shè)過(guò)程中，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)調(diào)整期間一度停緩建，到80年代中晚期恢復(fù)重建。1974年陸續(xù)將水輪發(fā)電機(jī)組等電站電氣設(shè)備訂貨采購(gòu)運(yùn)抵工地現(xiàn)場(chǎng)庫(kù)存堆放，直到工程恢復(fù)重建時(shí)，才得以實(shí)施安裝，直至投入電力生產(chǎn)運(yùn)行。在設(shè)備進(jìn)行安裝之前，曾經(jīng)過(guò)有關(guān)專(zhuān)題會(huì)議研究，決定將已到貨的機(jī)電設(shè)備作淘汰報(bào)廢處理，但限于當(dāng)時(shí)的歷史和經(jīng)濟(jì)等客觀(guān)原因，又經(jīng)有關(guān)專(zhuān)家專(zhuān)題會(huì)議論證鑒定，最終確認(rèn)設(shè)備仍有使用價(jià)值，在節(jié)約投資的前提下，做到物盡其用，待運(yùn)行一定年限后和經(jīng)濟(jì)形勢(shì)好轉(zhuǎn)時(shí)，再行技術(shù)改造或更新，在此背景下，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了安裝，調(diào)試和投入國(guó)家電網(wǎng)正式運(yùn)行。隨著時(shí)間推移，設(shè)備缺陷、不安全因素逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，具體反映在水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)兩大主設(shè)備中。水輪機(jī)由于受運(yùn)行水頭限制，不適應(yīng)水頭變化的需要，出力明顯下降，效率低，達(dá)不到相關(guān)技術(shù)要求。發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣劣化，呈現(xiàn)分層脫殼現(xiàn)象，運(yùn)行中繞組線(xiàn)圈溫度與溫升超過(guò)允許值105℃和80℃范圍，不但出力下降，輸出功率減小，而且時(shí)刻威脅到發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全。

基于水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)設(shè)備中客觀(guān)上所存在的缺陷和安全隱患，廠(chǎng)內(nèi)通過(guò)研究，把解決水輪機(jī)出力應(yīng)與水庫(kù)水位變化相適應(yīng)，減小汽蝕對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行的影響，發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)圈絕緣劣化，運(yùn)行溫度溫升超限值等一系列需要解決的技術(shù)問(wèn)題，提到了議事日程，并且由技術(shù)人員拿出了技改實(shí)施方案。

由于察爾森水庫(kù)為多年調(diào)節(jié)型水庫(kù)，降水受大氣環(huán)流控制，無(wú)規(guī)律可循，庫(kù)水位變幅大，不穩(wěn)定。它是以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電，且為季節(jié)性發(fā)電，發(fā)電期間受庫(kù)區(qū)流域降水、防洪、灌溉等水情調(diào)度制約。為了使1號(hào)、2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)更好發(fā)揮作用，提高出力，充分合理而又有效的利用水庫(kù)有限的水力資源，使水能與防洪、灌溉、發(fā)電有機(jī)結(jié)合統(tǒng)一起來(lái)，創(chuàng)造出好的社會(huì)效益，經(jīng)濟(jì)效益，滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的電力需求，經(jīng)過(guò)科學(xué)論證，在90年代中期對(duì)1號(hào)、2號(hào)機(jī)組進(jìn)行了增容技術(shù)改造，增容改造主要通過(guò)下述途徑實(shí)現(xiàn)的，且分為水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)兩部分進(jìn)行。

表1 新舊水輪機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

1 水輪機(jī)的增容改造

基于水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換和動(dòng)量平衡這一基本原理，在滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)增容的前提下，從科學(xué)角度論證水輪機(jī)機(jī)械強(qiáng)度，運(yùn)行區(qū)間內(nèi)水輪機(jī)輸出功率，出力裕度是否滿(mǎn)足所增容要求，是否與發(fā)電機(jī)所增容容量相適應(yīng)和匹配。根據(jù)水輪機(jī)學(xué)科中相關(guān)理論研究分析后，把HL123—LJ—140水輪中的轉(zhuǎn)輪淘汰，遴選哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的HLA501—LJ—140新產(chǎn)品機(jī)組轉(zhuǎn)輪作為1號(hào)、2號(hào)機(jī)組增容改造替代品，因而使得水輪機(jī)的增容改造工程得以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)將新舊水輪機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)列出，具體見(jiàn)表1。

從表1可清楚看出，在水頭相同的條件下，由于轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)及參數(shù)不同，因而就有了動(dòng)力矩的改變，相應(yīng)的輸出功率就有了質(zhì)和量的變化。即HL123-LJ-140機(jī)組額定輸出功率為3 380 kW，而HLA501-LJ-140機(jī)組額定輸出功率為4 230 kW，后者比前者輸出功率大850 kW，也就是增容了850 kW，達(dá)到了增容改造的目的。另外，從水輪機(jī)綜合特性曲線(xiàn)中分析看出，HL123-LJ-140機(jī)組在30.5 m設(shè)計(jì)水頭和最大水頭43 m區(qū)間運(yùn)行時(shí)，輸出功率穩(wěn)定和滿(mǎn)出力，當(dāng)?shù)陀?0.5 m設(shè)計(jì)水頭時(shí)，機(jī)組出力下降快，運(yùn)行區(qū)間窄，始終處于低效率區(qū)。由于在低水位運(yùn)行，易產(chǎn)生振動(dòng)和汽蝕，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行極為不利。而HLA501-LJ-140機(jī)組則可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在設(shè)計(jì)水頭27 m和最大水頭43 m之間，運(yùn)行區(qū)間較寬，當(dāng)運(yùn)行水頭超過(guò)27 m至43 m時(shí)，水輪機(jī)輸出功率隨著水頭的增高而增大，工作在高效區(qū)的時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)組出力大并且穩(wěn)定。兩機(jī)組輸出功率的不同是在于機(jī)組結(jié)構(gòu)的差異，過(guò)流空間過(guò)流流量的增大，改變了它們的動(dòng)力矩，使得HL123-LJ-140輸出功率較HL-LJ-140提高了25%，這符合N=9.81QHη基本規(guī)律，水輪機(jī)的增容改造就是按照這一基本定律實(shí)現(xiàn)的。

2 發(fā)電機(jī)的增容改造

發(fā)電機(jī)的增容改造可以通過(guò)4個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：改造定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)；改造轉(zhuǎn)子勵(lì)磁結(jié)構(gòu)；改造通風(fēng)系統(tǒng)；定子繞組采用新?lián)Q位方式。目的是減少或抑制股線(xiàn)環(huán)流。

從上述4個(gè)途徑中，把發(fā)電機(jī)定子絕緣等級(jí)低這個(gè)薄弱環(huán)節(jié)作為切入點(diǎn)，結(jié)合1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣為A級(jí)瀝青結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，采用改造發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)的方案。熱力學(xué)中，熱傳導(dǎo)過(guò)程中的傳導(dǎo)系數(shù)是與介質(zhì)密切相關(guān)的，瀝青絕緣的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.006，熱傳導(dǎo)效果不理想，當(dāng)運(yùn)行溫度、溫升超過(guò)絕緣允許值范圍時(shí)，發(fā)電機(jī)出力就受到了限制。為了滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)增容改造的需要，以可靠安全運(yùn)行為宗旨，采用環(huán)氧粉云母帶絕緣工藝與技術(shù)，使絕緣等級(jí)達(dá)到F級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從而使得傳導(dǎo)系數(shù)由原來(lái)的0.006降到現(xiàn)在的0.002水平，遠(yuǎn)高于A(yíng)級(jí)。與此同時(shí)，由于采用了環(huán)氧粉云母帶絕緣新材料、新工藝及新技術(shù)，使得改造后的絕緣厚度較原來(lái)的厚度減薄了10%～16%，由此改善了發(fā)電機(jī)散熱環(huán)境和條件，降低了發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)圈溫升所產(chǎn)生的熱損耗，提高了效率，增大了發(fā)電機(jī)輸出功率。在1998年和1999年連續(xù)兩年洪水期高水位運(yùn)行下，發(fā)電機(jī)輸出功率隨水輪機(jī)輸出功率的增加而加大，由額定的3 200 kW上升到3 650 kW左右，根據(jù)增容改造前后水輪發(fā)電輸出功率分析比較，增容改造后發(fā)電機(jī)輸功率比技改前提高了12%～15%。可見(jiàn)，增容效果是明顯的，同時(shí)機(jī)組處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，未見(jiàn)有異常的振動(dòng)發(fā)生和定子繞組溫度、溫升超過(guò)允許限值現(xiàn)象。

運(yùn)行實(shí)踐證明，增容改造是成功的，技術(shù)上是可行的，效果是好的，達(dá)到了預(yù)期目的。以電廠(chǎng)2號(hào)機(jī)為例，增容改造后，在運(yùn)行水頭相同的情況下，發(fā)電機(jī)輸出功率比技改前提高了12%～15%，按提高15%算，在一個(gè)發(fā)電期150 d內(nèi)，可多發(fā)電1 728 000 kW·h。節(jié)能按1 kW消耗煤0.34 kg算，可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤587.52 t，環(huán)保減少碳排放量475.2 t，按現(xiàn)行上網(wǎng)電價(jià)0.28元/（kW·h）算，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益51.84萬(wàn)元。再?gòu)乃Y源開(kāi)發(fā)角度看，按2號(hào)增容提高15%算，直接增容480 kW，相當(dāng)于新開(kāi)工建設(shè)一座500 kW小型水力發(fā)電站。但這個(gè)增容電站不涉及征地和占用耕地，不需要移民和移民搬遷，不污染和破壞生態(tài)環(huán)境，不增加發(fā)電企業(yè)運(yùn)行管理成本，不增加維護(hù)費(fèi)用。由此可見(jiàn)，增容改造工程是一項(xiàng)利國(guó)、利民、利環(huán)保、利企業(yè)增效的德政工程，是踐行科技創(chuàng)新、科學(xué)發(fā)展的有益嘗試。