SF11-20/3250立式水轮发电机更新改造

张晓华，印大均，印小军

(1.河北省桃林口水库管理局，河北 秦皇岛，066400；2.钛能科技股份有限公司，南京，211800)

1 工程概况

桃林口水电厂为坝后式电厂，布置在桃林口水利工程枢纽的右岸。发电用水通过引水洞从水库引水至发电厂房，一管一机供水，其中压力钢管总长119m，前100m直径为3000mm，至厂前渐变为直径2500mm。电站主厂房内装设2台立轴混流式水轮发电机组，副厂房布置在主厂房上游侧。

桃林口水电厂发电机组于1998年12月24日开始投入运行，原发电机容量为2×10000kW，发电机型号SF10000-20/3250，由于发电机运行多年，绝缘等级低(B)，绝缘老化导致发电机温度升高，冷却效果差，机组增容后绝缘、线圈等无法满足安全运行要求，给机组安全稳定运行造成了影响。原水轮发电机组效率低下、安全隐患多，因此，对其进行更新改造非常必要。

2 SF11-20/3250立式水轮发电机

改造后的发电机为重庆水轮机厂，机组出力由原来的10000kW增容至11000kW，发电机增容改造、升级绝缘等级并满足各部件温升要求及机组运行的稳定性。

2.1 机组主要规规参数

额定容量：13750kVA

功率因数：0.8(滞后)

额定功率：11000kW

额定电压：6300V

额定电流：1260.1A

频率：50Hz

额定转速：300r/min

飞逸转速：600.8r/min

相数：3

定子绕组接法：4Y

额定励磁电压：185V

额定励磁电流：336A

励磁方式：静止可控硅励磁

转动惯量(GD2)：≥157t·m2

旋转方向：从上向下看顺时针

2.2 发电机主要参数

定子铁芯外径：3250mm

定子铁芯内径：2800mm

定子铁芯长度：1100mm

气隙：8mm

定子绕组15℃时的电阻：0.0129Ω

转子绕组15℃时的电阻：0.378Ω

3 改造后的发电机结构特点

水轮发电机由上机架、定子、转子、下机架、制动器管路、空气冷却器及测温系统组成。定子包括机座、铁芯和线圈等件。

3.1 定子：机座、铁芯和线圈

机座外径φ3900mm，高2270mm，用以固定铁芯及支承上机架。铁芯由0.5mm厚优质低耗硅钢片冲制的扇形片叠压而成，轴向长度内分为24段，段间有10mm高径向通风沟23个。

本机铁芯温升不超过80K。定子线圈为圈式绕组，用桐马环氧粉云母热固化成形，共192个，接成4Y，主引出线和中性引出线各3根。线圈表面还进行了防晕处理。定子线圈上下端部附近装设有灭火水管，机组火警时可自动或手动灭火。

本机定子绝缘等级为F级，能在140℃内连续正常工作。

3.2 转子：主轴、磁轭、磁极

(1)主轴：为20SiMn钢锻件，滑转子套于主轴上。上导轴承轴颈、下导轴承轴颈(滑转子)及水轮机导轴承轴颈系一次组合加工，可将三档轴颈的不同轴度控制在极小范围内，为机组稳定运行及安装时找正中心创造了有利条件。

(2)磁轭：本机磁轭为叠片磁轭，磁轭片采用拉紧螺杆固定在转子支架上，转子支架通过热套的方式固定在主轴上。

(3)磁极：包括铁芯、磁极线圈、上下托板等。铁芯用1.5mm厚钢板冲片叠压而成，极靴上装设有纵横阻尼绕组。磁极线圈用扁铜带绕制，匝间垫环氧玻璃胚胶布热压固化成一整体，绝缘等级为F级，能在150℃内连续正常工作，即使在飞逸时的离心力作用下，仍具有足够的绝缘介电强度。极间还加装了撑块，整个磁极用双T尾和斜楔固定在磁轭上。

3.3 制动器管路

本机制动系统中装有φ160活塞式制动器4个，停机时，当转速下降到额定转速的25%左右，可指令电磁空气阀自动进行连续制动，也可手动操作高压三路活门进行连续制动。制动时用压缩空气，压力约0.7MPa，压缩空气消耗量约4L/s，制动时间约2min。机组安装完毕启动前及停机时间超过3d再启动前，须顶起发电机转子帮助推力轴承形成油膜。顶转子时用压力油，油压约7MPa，转子顶起的高度不超过15mm，压力油源由随机供应的高压油泵供给。

3.4 空气冷却器

空气冷却器为翅片式结构，共4个，每个由多排管身均匀嵌有散热片的冷却管组成。热风吹拂散热片，热量即由管中的冷却水带走。冷却后风温不超过40℃，冷却水压0.2MPa～0.4MPa，冷却器的冷却水量约85m3/h。

3.5 油水管路

上机架油池容量约1.8m3，下机架油池容量约0.4m3，机组总用水量约130m3/h。上机架、下机架及空气冷却器的进水管分别装有示流器，油池分别装有轴承油位信号器可供运行人员监视供水及油位情况。本机冷却水进水温度最高不超过28℃。

4 温度标准

机组在额定负载下，各部分轴承的温度不超过：

(1)推力轴承：80℃；

(2)上下导轴承：75℃。

机组在规定的使用条件及额定负载下，各部分绕组及集电环的最高温度不超过表1规定：

表1 绕组及集电环允许的最高温度

5 电机的启动、使用和维护

5.1 电机的启动

(1)启动前，详细检查各部分特别是转动部分紧固件是否固牢，各轴承状况是否良好，上下油池的油面高度是否符合规定，测温元件是否装好，空气冷却器、油水管路、制动器管路是否畅通。

(2)启动前，上下机架油池的油温不得低于10℃，但不得高于40℃，并须顶起发电机转子帮助推力轴承形成油膜。

(3)启动后，将转速逐渐升至额定转速的50%，维持5min～10min，观察有无摩擦或撞击声，若一切正常，可逐渐升至额定转速。

(4)启动后，注意各轴瓦温度上升速度是否均匀一致，如果某块瓦温度急剧上升，虽然未达到最大值，也必须立即停机查明发热原因并进行适当处理。

(5)在GB/T 7894-2009《水轮发电机基本技术条件》规定的额定工况运行下，下列部位允许的摆度值或双幅振动量不大于：

①集电环：0.20mm

②上机架：0.06mm

③定子：0.03mm

④主轴法兰：0.05mm

5.2 使用、维护

(1)在下列情况下，机组不允许启动：

①冷却水管堵塞或冷却水停止；

②测温装置产生故障；

③制动器及其管路产生故障；

④轴承润滑油温度低于10℃，高于40℃；

⑤集电环表面烧损未经处理。

(2)运行中，有下列情况之一者应停机检查：

①突然撞击声，或摆度、振动增大；

②轴承温度突然上升或油面不正常升高或降低；

③冷却水停止。

(3)机组不得超铭牌额定出力运行。

(4)机组产生飞逸后，不论飞逸时间长短，均应停机进行全面检查。

(5)本机推力轴承、上下导轴承润滑油牌号可采用L-TSA46透平油。

①各轴承每运行1500h应过滤和补充润滑油一次，每运行半年左右应更换新油；

②长时间停机再启动时，应顶起发电机转子帮助推力轴承形成油膜，转子顶起的高度不超过15mm；

③机组运行中，油池油面可能因漏油而下降，或因冷却器漏水而增高，因此，轴承油位信号器的油面应整定至比正常油面低10mm时发出警报信号，降至30mm时发出停机信号；

④推力轴承和导轴承的信号温度计应整定在超过规定温度5℃时发出警报信号，超过10℃时发出停机信号，并应根据一年中的季节变化进行相应调整。

(6)机组运行中，如发生转子两点接地，应立即找出原因予以消除，以防磁拉力不平衡造成严重事故。

(7)定转子绕组粘附油污时，应用四氯化碳、甲苯或二甲苯拭净。如因擦试引起表面漆层脱落时，应按图纸规定重新喷涂复盖漆。

①机组不允许在低速下长时间运行，停机时，应在转速降至额定转速的30%左右加以制动；

②机组检修时顶起转子并锁定制动器，以防因水机导水机构漏水转动机组酿成人伤事故；

③定期检查油冷却器和空气冷却器有无漏水并定期清除水管内的积垢，清扫后，试水压0.6MPa，60min不得漏水。

(8)碳刷与集电环应接触良好，接触面积不得小于碳刷面积的80%，更换碳刷时应配磨碳刷与集电环接触面。

(9)定期测量机组的振动和轴的摆度以及导轴承间隙，若振动量显著增大，应在空转、空载额定电压及满载三种情况下分别测量，以便找出原因消除故障，保证机组平滑运行。

6 增效扩容效果

河北省桃林口水电厂增效扩容改造和青龙河生态修复工程于2016年12月1日开工，2019年8月6日完工，2019年12月10日通过省水利厅组织的竣工验收。改造后总装机容量由20320kW增容至22400kW，消除了原有缺陷，提高了电站安全系数和效率，1#、2#水轮机的效率分别为92.66%和93.84%(改造前机组的综合效率只有66.6%)，在46m实际水头(额定水头45m)、流量52.27m3/s的情况下，2台大机组合计出力24130kW，超过装机容量22000kW的设计指标，按发电量计增效扩容能力达到21.2%，满足“按发电量计算的增效扩容潜力需达到20%以上”的验收指标，符合财政部、水利部关于印发《“十三五”农村水电增效扩容改造绩效管理办法》的通知(财建〔2019〕14号)要求。

7 结论

桃林口电厂，大库小机组，多年调节，经济指标优良；过机水质好，无泥沙磨损问题，机组运行环境优良。2019年8月中水北方勘测设计研究有限责任公司对桃林口水电厂增效扩容改造工程的增效扩容能力进行了测试，结论为：通过机组效率试验，增效扩容改造工程实施后，水轮机组达到了设计的目标值，为SF11-20/3250立式水轮发电机的应用提供了准确的数据，为发电机组的经济运行奠定了坚实的基础，为水电厂节能降耗提供了科学的依据。