荞麦山水电站1号机组技术改造分析与实践

(陕西省地方电力水电有限公司，西安 710054)

1 电站概况

荞麦山水电站位于陕西省洋县槐树关镇洛川村境内，2000年正式投运。电站采用拦河坝蓄水，经明渠引水至压力前池,设置3台混流卧式机组,总装机3000kW，发电机出口电压6300V，经升压站升至35kV，接入系统电网。设计水头42m，设计流量2.87m3/s。水轮机型号为HLJF3003A-WJ-71A,功率为1065kW,转速750r/min；发电机型号为SFW1000-8/1180,额定功率1000kW,额定电压6300V,额定电流114.5A,额定频率50Hz,飞逸转速1350r/min；调速器为YWT-1000型微机液压调速器，额定工作油压2.5MPa；励磁装置的额定励磁电压52.5V,额定励磁电流208.8A，采用可控硅三相半控桥整流，调节器为模拟电子电路调节器。

2 运行中存在问题及原因分析

投运至今，机组运行效率逐年下降，设备故障和安全事故隐患不断增大，突出表现在以下几个方面：

a.水轮机性能落后。水轮机技术陈旧，限制了水轮机性能，转轮的单位流量、转速以及模型效率等相关性能参数低，运行稳定性较差。

b.水轮机性能参数与运行参数有出入。水轮机性能参数与运行参数有出入，导致不能在最优工况区运行，降低了机组运行效率，缩短了使用寿命。

c.水轮机与电气设备不匹配。水轮机与电气设备不匹配，直接导致浪费水电站的设备容量，增大水电站的运行损耗。

d.发电机绝缘老化严重。早年制造时采用B级绝缘，目前运行温度较高，很难保证发电机正常运行，随时可能发生定子线圈、转子等部位因绝缘老化，造成匝间短路、烧坏线圈、连带铁芯受损等情况。此外，机组的轴瓦温度高，发电机滑环跳动量超限度运行，碳刷磨损严重，更换频繁。

e.励磁装置故障逐渐增多。由于采用电子电路作为励磁核心控制元件，元器件的长时间运行造成励磁系统不稳定，无功功率上下波动，主要原因是测量回路不准，造成输出控制波动，整流桥为三相半控桥，散热器可利用，不能逆变灭磁；调节器为单片机模拟调节器，备品备件购买困难，运行不稳定。

3 改造方案

此次改造以先进性、合理性、经济性为原则，兼顾实际，为积累经验，仅对1号机组进行增容，改造后装机容量为3×1250kW，额定电压为6300V，额定电流为143.2A，额定频率为50Hz，额定励磁电流为238.8A，额定励磁电压为63.6V。

3.1 改造目标

a.更换水轮机转轮，选用适合运行要求的新型转轮，提高水轮机的出力和运行效率。

b.扩大发电机容量，功率由原来的1000kW提高至1250kW。

c.更换励磁装置晶闸管，将三相半控桥改为三相全控桥，具备逆变灭磁功能；更换调节器，将单片机模拟调节器更换为可编程计算机控制器，更换外围配套测量、脉冲放大装置。

d.保留其他运行正常设备。

3.2 依据标准

改造依据的标准为：

GB/T 15468—95《水轮机基本技术条件》；

GB/T 10969—1996《水轮机通流部件技术条件》；

GB/T 7894—2001《水轮发电机基本技术条件》；

GB 8564—1988《水轮发电组安装技术规范》；

GB/T 11805—1999《水轮发电机组自动化元件及其系统基本技术条件》；

DL 443—1991《水轮发电机组设备出厂检验一般规定》；

SDJ 173—85《水力发电厂机电设计技术规范(试行)》；

GB/T 7409.3—97《大中型同步发电机组励磁系统基本技术条件》；

DL/T 583—95《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》。

3.3 技术改造方案

3.3.1 水轮机部分

a.水轮机设备陈旧、性能落后的情况。

技术改造选用的新型水轮机转轮应与水头段导水叶相对高度一样(或近似)。通过改型重新设计转轮，满足水电站的增容、增加年发电量的技术改造要求。此外，根据技术改造要求核算相应的辅助设备，对于不合理的辅助设备及时予以更换。

水轮机转轮技术数据：

型号 HLX125-WJ-71

转轮直径 0.68m

设计水头 43m

水轮机额定出力 1249kW

水轮机实际出力 1180kW

额定转速 750r/min

额定流量 3.5m3/s

旋转方向 从发电机端向水轮机端为顺时针

效率：在额定水头43m、发额定功率1180kW时，保证原型水轮机的效率不低于93.1%,相应工况点的模型效率不低于92.6%；在全部运行范围内，原型水轮机的最高效率保证值不低于94.6%，相应工况点的模型效率不低于94.1%。

b.水头、流量与原设计不符的情况。

水头、流量与原设计不符应分以下两种情况：ⓐ水头、流量超过原设计，此时水电站技术改造可采用增容改造方式；ⓑ水头、流量小于水电站原设计，此时的水电站技术改造宜采取减容改造方式。这两种方式的技术改造都应充分考虑水电站的实际运行水头和流量，区别是前者需要根据实际情况合理提高水轮机的额定水头，加大额定输出功率；后者则需要根据实际情况适当降低水轮机的额定水头，减小额定输出功率。

此次改造中，通过合理提高水轮机的额定水头、加大额定输出功率、选用合适的新型转轮，将水轮机调整到最优或较优工况区运行。

3.3.2 发电机部分

a.通过改造，发电机在额定工况下出力增加20%～25%，其定子和转子温度控制在F级绝缘允许的极限温度内，各项电气安全性指标达到新机的要求。

b.更换定子线圈和改造转子线圈，定子和转子线圈采用F级绝缘。

c.发电机增容改造的关键是改变定子、转子绕组的线规。要使发电机达到增容的目的，对原绕组必须进行改变，必须增大定子绕组线规，以降低定子绕组电阻，使定子绕组电阻发热总量不高于原绕组，以此来达到电机增容的目的。由于发电机定子铁芯槽尺寸裕度限制，对增容所需增大线规存在一定局限性。对此，在改造过程中，采用以下技术措施：ⓐ改变绝缘浸漆工艺，将绝缘等级提高为F级，采用耐压高介质损耗低的F级绝缘材料，减薄了绝缘层厚度，保证槽满率；ⓑ采用特有烘漆工艺填充线圈间和线圈与铁芯槽的空隙，增加线圈的散热能力减少绝缘温降。

d.转子改造。由于当发电机容量增加20%～25%时，其空载励磁功率并没有增加，励磁只需增加由于定子电流增加引起的电枢反应去磁作用增加的部分励磁功率即可，一般只需增加20%左右的励磁功率，转子线圈常采用重新制造的方案，转子线圈重新热压，并将其绝缘等级提高为F级，提高绝缘等级措施后，转子绕阻一般可扩容20%～25%，若原机组转子温升高或必须扩容，可采用更换线圈并增加匝数和铜排宽度的方法解决。增加匝数要根据磁极线圈的空间来定。

e.技术参数和烘漆工艺。发电机增容后，一些性能参数将随着改变，因此必须通过电磁计算提供技术参数供发电站进行短路计算、继电保护计算及调整各种保护整定值。如：励磁电流、电压、发电机效率、定子线负荷、热负荷、定转子气隙磁密度、允许温升、短路比、定子漏抗、 纵轴、横轴同步电抗和瞬变、超瞬变同步电抗和负零序电抗等。

发电机增容改造中浸漆烘焙工艺也是发电机增容的关键技术措施之一。发电机在运行过程中，定子线圈端部要承受很大的电磁力，如果浸漆不透，烘焙不干，定子线圈端部要受到很大的电磁力，会发生扭曲变形，造成匝间短路、破压甚至整台发电机报废的重大事故。在浸漆工艺上采用了强迫流动浸漆工艺，使浸漆透彻，在烘焙上采用循环热风打入电机进行循环加热，达到整个电机线圈受热均匀、固化程度高的工艺要求，保证烘漆质量。

发电机技术数据：

发电机型号 SFW1250-8/1180

额定容量 1250kW

额定电压 6300V

额定电流 143.2A

额定频率 50Hz

额定转速 750r/min

额定励磁电流 242.5A

额定励磁电压 68.5V

3.3.3 励磁部分

由于改造中励磁电压及励磁电流变化不大，经计算，励磁主功率回路部分保留，原散热器SF15风冷型散热器满足设备运行需求，对晶闸管进行更换(由原来的KP500A/1600V的晶闸管更换为KP800A/1600V)，灭磁开关及灭磁电阻保留，吸收保护装置保留，将原单片机模拟调节器更换为更为可靠的可编程计算机控制器，相应更换外围配套测量、脉冲放大装置，与外部保护监控接口回路进行改动接线。

改造方案如下：

a.接线。按照励磁装置设计图纸进行接线，并引入原励磁装置没有的断路器信号。

b.检查测量。在接线完成后对设备回路进行检查，所有的对内对外接线均满足设计图纸要求。然后对设备供电，检测每个模块的供电电源是否可靠有效，都正常后断电，对各个模块的插接件进行连接，对PT信号进行测量，用示波器检测同步信号，若不相符，调整正确。

c.起励建压及灭磁试验。用实验手动方式，对机组进行建压，从10%额定电压开始，逐步提高，检查其他各设备的运行状况。进行逆变灭磁，查看灭磁过程中的设备运行状况，用灭磁开关进行灭磁，查看各个设备的运行状况，保护监控动作试验，从监控保护侧动作励磁装置，检查励磁装置的动作是否满足设计要求，并检查各个设备的运行状况。

d.试运行。以上各个动作都正确后，对设备进行试运行试验，在运行过程中检查各个设备的运行状态。

3.4 质量管控

3.4.1 改造方案的原则

基于最小改动最大效益的目标，经过收集采购、生产、运行各方面的资料，最终确定改造方案。

3.4.2 供应商选择

质量管控点不仅在设备本身，还要重视现场服务工作。因此，供应商选择的目标确定为有小水电改造经验业绩的中小公司。其中，水轮机转轮和发电机厂家必须有独立的加工设备，能够自主研发，能根据现场实际运行参数及运行状况设计出满足实际运行要求的新型设备，具有新型设备的优化设计经验，具有其他水电站增容改造的相关业绩，核心技术自主研发完成。励磁装置的核心器件的选择可编程计算机控制器(PCC)为硬件主体。

3.4.3 改造中的质量管控

在每一步改造过程中，都要尽可能地对节点进行管理控制，以确保整个项目的质量能够满足设计要求。

a.转轮与型号不符。由于转轮与设备铭牌标注不同，因此将转轮发回设备制造厂家重新进行尺寸测量，通过对实测尺寸与现场实际运行参数的分析，确定设计图纸。

b.大轴与飞轮的连接。由于更换发电机，需要将原来的飞轮安装在新的发电机大轴上，控制措施为利用喷灯对大轴安装位置进行加热，现场采用热胀冷缩原理对设备进行连接，以确保设备安装牢固、运行稳定。

c.发电机的相序确认。为确保设备并网的安全性，必须对新更换的发电机相序进行确认，使其相序与原发电机相序一致。控制措施为将发电机运行至空载状态，采用灯光转向的方法测定发电机组的相序，以确保机组与电网的相序一致。

d.原励磁装置与图纸不符。在改造前对励磁装置进行正常的建压、灭磁操作，多次反复投切，对励磁装置的主回路及信号回路进行确认。

e.励磁装置信号的增加。由于接口信号也不同，对原来外部没有的接口信号需与厂家进行沟通后增加。

f.操作方式的更改。运行人员参与改造过程，学习新系统的工作原理，在调试完成后再进行系统的培训，使运行人员能够熟练地操作新设备，保证设备的正常运行。

4 结 语

2014年6月15日，洋县荞麦山水电站1号机组成功进行了72h试运行，各项数据满足并优于设计标准，机组负荷率和耗水量得到优化，安全性、可靠性和经济性显著提高，目前正在监控和分析数据指标，认真总结改造经验，为后续两台机组的改造做好前期准备工作。