威整电站水轮发电机组的技术改造

1威整电站水轮发电机组的技术改造陈子馨（四会市威整电站，广东肇庆526232）2008年8月27日摘要：广东省四会市威整电站建于十年动乱期间，自1974年投产以来，水轮机过流部件磨损、汽蚀严重，轴瓦经常烧毁，机组效率下降，出力不保证，有时仅发5700kW。通过各种技术改造试验，1992年起至现在，采用中比速转轮进行改型。利用原水轮机涡壳、座环进行改造和改造导水机构等措施。投入运行后，从未出现烧轴瓦事故，过流部件磨损减少，出力增加到7000kW，最高可发到7400kW，机组的效率提高，解决了经常烧轴瓦及发电机的安全隐患，经济效益显著，且运行稳定。关键词：水电站水轮发电机磨损轴向水推力技术改造效益一、前言威整电站位广东省北江支流漫水河上游，是一座无调节渠道引水式径流电站。引水渠长15km，原安装两台容量为6000kW水轮发电机组，水轮机的型号：HLA73—WJ—85，设计水头128m，设计流量5.85m3/s，配发电机的型号：TSW—173/108—6，额定转速1000r/min。二、存在问题㈠、水轮机1、原水轮机采用A73转轮为清水水质转轮，而威整电站地处破碎山石地区，水中含砂量大，颗粒粗，特别是汛期更为突出（最大含砂量6.75kg/m3，平均1.7kg/m3，粒径d50=0.3mm），水轮机的转速较高(1000r/min)，转轮磨损严重，1974年—1992年两台机组共报废转轮18个，其中最严重的运行6个月报废一个转轮。前、后盖板也因磨损过度与转轮间隙过大而年年更换。这些都危及机组安全，增加维修工作量，增加运行成本。2、由于电站水质差，使导水叶局部磨损汽蚀严重，导水叶运行不到一年，关闭导水叶无法减速停机。只有关闭蝴蝶阀或关闭前池闸门来实现减速停机。根据实测，导叶全关时局部间隙最大达7~8mm，最小也有3~5mm。在甩负荷或事故情况下大大增加了过速及关机的时间，严重威胁电站的安全运行。3、随着转轮止漏密封装置的磨损，间隙增大，漏水量增大而使机组出力下降，效率降低。4、由于密封止漏装置的磨损造成漏水量增大，在转轮上冠背面水压增大，使转轮的附加轴向水推力增加，严重威胁发电机推力轴承的安全运行。发电机的轴承装置是承担整个水轮发电机组转动部分的径向负荷及轴向负荷，轴向水推力的增加就意味着推力轴承的轴向负荷增加，当超过允许值后就造成轴承的破坏。威整电站每年因烧瓦造成轴承损坏，最多时达到7次，其次数之多恐怕是少有的，是水轮发电机组的一大安全隐患。且每次烧瓦都是出现在丰水期，对一个径流无调节的电站来说，丰水期是水电站发电的黄金期，但由于频频出现烧瓦，严重影响电站的经济效益。我们对推力轴承进行观测。推力轴承座运行时受轴向水推力影响，倾斜比较严重。新装的转轮倾斜值在满负荷约0.4～0.5mm，随着运行时间的推移，由于转轮磨蚀，漏水增大，倾斜值可达1mm以上。在轴承烧瓦后立即检查推力瓦块，瓦块磨擦面基本是半干摩擦无油的；推力镜板还出现龟裂，多次现场车削修复。可以看出：推力轴承的烧瓦事故是由于轴承超载，机组水推力过大，转速过高，附加轴向水推力的增加造成。新安装转轮各运行工况下推力轴承座的倾斜值（转轮泄水孔全开）测量倾斜值采用千分表表一2运行工况空转1000kW2000kW3000kW4000kW5000kW6000kW轴承座倾斜值(mm)0.130.150.170.180.250.320.405、根据上述情况电站也作不少的技术处理，但效果不明显。⑴、为减轻轴向水推力，在前盖迷宫板安装两条φ80的排水管，降低上冠背面的压力，但效果不明显。⑵、改进轴承润滑方式，从油自循环改为重力油箱加外油冷却器的压力强迫油循环方式，但都不能解决烧瓦问题。⑶、为减少水机过流部件的磨蚀，在水工方面采取坝前建拦沙坝、冲沙廊道，定期排放。在15km渠道上增加两个沉沙池，以减少泥沙的过机，但过流部件磨蚀仍属严重，效果不明显。⑷、转轮叶片改用各种材质，对改善转轮叶片磨损不明显。㈡、发电机发电机制造质量差，在安装投产试运行时就发生过耐压试验不合格，定子线圈绝缘击穿。试运行出现槽楔松动位移，定子铁片断裂飞出嵌入空气间隙造成相撞，碎片损坏定子端部绝缘的事故。定子线圈每年检修均发现铁芯，线圈松动，槽楔位移等现象，亦曾出现过由于叠片松动造成定子铁芯槽口线圈端部磨坏的现象。发电机转子线圈每年检修均发现由于上下绝缘托板、匝间绝缘收缩造成线圈松动，曾出现由于极间撑块绝缘松脱，连同支撑螺钉脱落飞出打击定子绕组绝缘等事故。发电机定子、转子绝缘等级低，吸湿性强加上电机机座端盖密封结构不良，密封效果差，又靠近结构不良的轴承装置，轴承油雾及滑环装置的碳粉被吸入电机内部，使内部覆盖大量污渍，绝缘强度更差，经常出现停机两天电机绝缘就不合格，须要空转干燥才能升压，故影响了发电上网，这种现象在来水量变化较大时，对电站的效益影响更大。为了去除这层污渍，致使每年均要抽转子清除。增加了维修工作量，并且还难以彻底，给安全运行留下隐患。三、机组技改方案及实施机组的改造方案在不改变埋入件及进水设施的条件下进行制定。主要针对机组不合理的结构及易损件进行改造，达到减少破坏，消除隐患，方便修复维修、增加出力，提高效率为目的。㈠、机组技改的前期试验1、为了更好试验出减少水轮机轴向水推力的有关数据，在水轮机的大轴密封处，加装轴向减载装置试验。在装置加上高压清水，当水轮发电机运转时，控制高压清水进入装置的平衡瓦与旋转的平衡盘工作面之间，在平衡盘工作面上产生与机组运转时的轴向水推力反向的平衡力。从而减少或抵消轴向水推力，该试验取得的效果明显。２、改造转轮上冠的止漏密封装置，将径向迷宫式及轴向梳齿式密封改为间隙式密封，在空出的前迷宫盖板位置改装焊接结构的减压装置，减少作用于转轮上冠背面的压力，带压力的水流经减压板与前盖间的减压腔导向泄水孔排出尾水，水流压力大部分由上冠背面转移到由减压板承担，从而达到减少上冠背面的水压力，该试验取得的效果明显。除去原有安装的两条φ80排水管。经过上述改造运行一年，这两个试验证明对减少轴向水推力作用很大，效果很明显，并取得水机改造技术数据，为威整电站机组技术改造打下良好的基础。3㈡、技改的实施1、保持原有的HLA73—WJ—85的水轮机的涡壳、座环、尾水管三大部件不变，水轮机引水管不变的条件下，选用中比速转轮代替A73型转轮，增大转轮直径，达到增容提高效益，并且通过改善转轮的外型、结构，使转轮适合于其他部件的改造。同时在新转轮的运转特性中选择适合于改善磨蚀的转速，降低转速，减少磨蚀，延长过流部件的使用寿命。2、将上冠直径适当放大（由D=800改为D=985）使前盖板内孔增大，方便减压装置从尾水方向套入，检修时不必抽发电机转子及吊前盖就能安装更换减压板。增大上冠的直径虽然使背面受压面积加大，但背面所受水压为泄漏水压，上冠两侧的压差增加，使转轮受到的反向推力增加，抵消或减少轴向水推力。3、上冠背面内园φ630mm处，铸造出一个凸台，在转轮上冠φ910mm与φ630mm之间增设一块减压板，减压板通过用12条筋板与底板连接，并固定在前迷宫盖板上，在两者之间形成减压腔。凸台与减压板φ630间形成一个重要减压间隙，转轮的运转过程中，在φ630处形成进口尖角效应，减少水流由φ630处泄入转轮上冠的背面。少量进入的压力水，在减压板与转轮上冠背面之间随着转轮作旋转运动，相当于一个无轮的离心泵，向φ910外园周处流出，并在φ910旋转产生的尖角效应，形成一个水阻力，使该处的压力增加而减少上冠止漏环的漏水量，这些压力水通过减压腔与减压板之间的通道，再由泄水孔排出尾水。止漏环泄漏过来的水所形成的压力大部分由减压板承担，传给前迷宫盖板，显著地减少因漏水产生的轴向水推力。4、将下环下沿正锥角取消，减少下环外侧面的水压，同时减少下环出口处直径，将下环止漏环间隙下移至下环出口与后盖板之间，并设计套式下环止漏环，止漏环固定在后盖板上。在下环出口处与后盖板间形成一个环腔，当转轮室向尾水漏水时在环腔处产生一个指向转轮前端的压力，此压力与水推力反向，从而减少了轴向水推力。5、前盖板内壁套入可从尾水装拆的前盖抗磨套，当砂粒磨蚀增加转轮间隙时可进行更换，减少抽转子拆前盖板的工作量。6、为了改善导水机构区域的水流速度，减少泥沙对导水机构磨损，降低导水机构的磨蚀。在改造中加大导水叶分布园的直径，由原来的φ1100mm加大到φ1200mm，16只导水叶改为24只导水叶。从三支点支承导叶改为两支点悬臂式导叶，取消导叶下端的轴承，方便检修拆装。导叶的传动机构由不可调耳柄连杆，改为可调式叉头连杆传动，方便整个导水机构导叶安装及立面间隙调整。避免多次修钻导叶轴与导叶臂之间的传动分半键孔的弊病。为了延长导水叶的使用寿命，还采用了导叶表面镀铬工艺，增强导叶的抗磨性能。7、为了适应水机改造的需要，在保持原有安装高程及地脚螺栓基础的条件下，更新发电机组，选用杭州发电设备厂生产的SFW—J6700—8/2150与其配套。提高绝缘等级，改进轴承结构，推力轴承采用球面轴承。改变机组转速，从原来1000r/min改为750r/min，使发电机组的运行条件大为改善。8、在初步对机组完成技改后检查水机涡壳磨蚀情况，发现涡壳局部厚度已由原16mm磨蚀至7mm，为保证安全，将涡壳按原尺寸进行更换（座环没有变，压力管进水弯管也没有改变）。9、由于水机的改造，导水机构的操作功增大，原来的调速器已不能适应需要。也为了提高水轮机调节的灵敏度、精确度、可靠性、灵活性而将调速器由机械液压YT-1000型换为DYT-1800型电液调速器。四、改造效果和效益1、改造后在过流部件材质一样的情况下，抗磨蚀性能大大改善，运行十几年未报废一只转轮，多年来只是转轮上冠、下环局部磨损填焊过车，叶片完好，稳定性也提高。按每只转轮6万元计，两台每年节约12万元。42、改造后机组出力从原来只发5700kW，增加到7000kW。按电站多年运行记录，平均每年弃水60多天，按每年弃水60天计，两台每年多发电量374.4万度。3、改造后机组效率提高3~4%，以提高3%、年利用小时4000小时计，两台每年多发电量144万度。4、特别是采用了减压技术措施，彻底地解决了因水推力大，而造成轴瓦烧坏的问题。按以前一年烧瓦6次，事故停机抢修500小时，损失发电量285万度。三项合计电度803.4万度，按当时丰水期的平均电价0.153元/度计算，改造后两台机组增收电费122.9万元，加上每年轴承烧毁事故抢修及机组大修费用约27.5万元，每年节省更换转轮的费用12万元，机组改造后，电站年增收162.4万元，效益显著。由于采用减压技术，改变了由原来水推力过大，变为水推力过小的问题，或变为负水推力，（即在运行时不是推力轴瓦受力，而是负推瓦受力）所以利用转轮存有的十四只泄水孔、用木头堵塞泄水孔来调节轴向水推力，这样大大减少因间隙泄水造成的流量损失，取得的效果明显。新安装转轮各运行工况下推力轴承座的倾斜值（转轮14只泄水孔开2只孔）测量倾斜值采用千分表表二运行工况空转1000kW2000kW3000kW4000kW5000kW6000kW7400kW轴承座倾斜值(mm)0.020.050.050.070.100.150.160.185、过流部件改为套装式、可拆，大大缩短维修的时间，减少维修的劳动强度，节约维修费用。五、结束语经过十几年运行实践证明，威整电站水轮发电机组的改造是必要的、可行的、是成功的，效益显著。作者：陈子馨，男，助理工程师，副站长，从事电站技术管理广东省四会市威整电站邮编526232电话：0758-378832313602994902电子邮件：[e-mail]5改造后水轮机简图920630111098765432113121－泄水锥；2－联接管；3－下环止漏环；4－导叶；5－后盖；6－座环；7前盖；8－抗磨套；9－减压装置；10－上冠密封盖板；11－转轮；12－主轴；13主轴平键