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山美水电站机组及辅助设备的技术改造 |
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| 山美水电站机组及辅助设备的技术改造 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:20:17  |
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山美水库管理处 苏静文
1 基本概况
山美水库电站原装机容量为两台2×15 MW的水轮发电机组,水轮机型号为HL211-LJ-225，发电机型号为TS550/79-28；发电机为悬吊式机组，第一台机组1972年10月投产发电，第二台机组1973年投产。水轮机转轮为原苏联水轮机型谱中的PO211转轮，水轮机性能指标差，效率较低，空蚀较严重，平均每四年大修一次，转轮修补次数多，转轮叶型已走样；水轮机导叶空蚀严重，机组停机后漏水严重；水轮机主阀为老式饼形结构，损失系数大，且其空气围带密封漏水严重，检修困难；两台调速器均为20世纪70年代生产的产品，已不能满足自动操作的要求；发电机绝缘老化，难以满足安全运行的要求。基于以上的原因，山美水电站技术改造势在必行。
2 水轮机改造基本原则
选择新的高性能转轮，适当增加机组容量，达到增容增效和运行稳定的目的，新的水轮机应满足以下要求：
·原水轮机流道尺寸、预埋部件保持不变。
·保持机组转速214.3 r/min不变，在35.51～59.87 m净水头范围运行时，水轮机应是在较优工况区运行。
·有先进可靠的性能参数，如出力、效率、空蚀和稳定性等。
·满足原调速器的工作压力2.5 Mpa。
·选择较好的设计和制造厂。
3 水轮机选择
水轮机选择的关键是转轮的选择，本次技术改造把转轮的运行稳定性作为第一指标。2001年6~7月，国家经贸委组织的水电机组调研报告中着重指出了水电机组存在的两大问题，即机组运行稳定性和转轮叶片裂纹。近20年来，虽然水轮机效率、出力等主要性能指标大多不断提高，但压力脉动值大多超标，而且往往是在模型转轮验收时就超标。统计表明，真机的尾水管压力脉动值常常大于模型试验数据，制造厂承诺的真机改进都难以实现。所以在水轮机性能指标中，应把稳定性指标放在重要位置。
根据本电站水头范围35.51～59.87 m，近年来国内对该水头段老机组技术改造的成功经验和引进开发的一些新转轮，各个水轮机厂家对HL211转轮技改提供了A712、HLx211c、HLx211e等转轮，本次技术改造共有3个不同方案的转轮。
通过招标，并由专家组综合评审后，最后采用东风电机动力公司推荐的HLx211e转轮。东方电机股份有限公司设计制造水平高，又采用不锈钢转轮，提高转轮的使用寿命，延长机组的检修周期。该转轮有较好的运行范围区，运行平稳、气蚀系数小、适应的水头变化广，在35~60 m的水头范围内转轮效率高，该转轮是西安恒新水电科技发展有限公司在原HL211转轮流道及参数条件下，经全模拟水力试验研制的转轮之一。该方案水轮机转轮采用不锈钢材料制造，能较大提高转轮的使用寿命。
4 水轮机技术改造
水轮机技术改造范围：保留预埋件（蜗壳、座环、尾水管、机坑里衬、接力坑衬）不动，水轮机大轴不更换，其他部件原则上均要更换。
4.1 水轮机转轮
原水轮机转轮下环锥角为13°，研究表明，采用较大的下环锥角虽然较大的下环锥角虽然可以增大过流面，提高过流能力，但大锥角易产生脱流，影响转轮的能力和气蚀性能。改型中在分析原结构形式的基础上，确保下环的刚度要求，适当改变下环形状，将原转轮下环锥角由13°减小到10°左右，转轮出口直径不变，使下环锥角与尾水管锥角基本一致，使转轮出水平顺，同时也减轻下环的脱流，提高水轮机的能量性能。因此，重新选择一个效率高、空蚀系数小、运行稳定性好的新转轮HLx211e，转轮直径与原水轮机接近，水轮机材质由原碳钢改为不锈钢，吸出高度值不小于1 m。
4.2水轮机主轴
水轮机主轴经校核在增容至17 MW情况下，具有足够的刚度和强度，可在最大飞逸转速范围内的任一转速下运转而不产生有害振动和变形。轴系的第一阶临界转速比最大飞逸转速高15%以上。主轴与导轴瓦和主轴密封对应的位置必须进行处理，磨损的沟槽进行填补并设置不锈钢轴衬，主轴应进行无损检测。
4.3 导水机构
导水机构包括顶盖、底环、控制环、导叶及传动机构等。导叶及底环由铸钢改为不锈钢制造，提高抗空蚀性能，延长使用寿命；顶盖、控制环采用钢板焊接成整体，具有足够的刚度、强度；导叶传动机构包括导叶臂、连板装配，连板与导叶臂之间装有剪断销。
4.4 水导轴承与主轴密封
由于山美水库水质较好，本次技术改造仍然采用水润滑导轴承，更换原来橡胶轴承，采用的新型材料，必须具有耐磨损、寿命长、高承压和磨擦系数小等特点。
在水导轴承上部设置主轴工作密封，主轴密封采用双层平板密封形式。
4.5 导叶接力器
水轮机上装有2个直缸液压活塞式接力器。接力器可布置在原接力器坑衬内，接力器设有可调的慢关闭装置，以减少导叶空载开度以下的关闭速度。
5 水轮发电机技术改造
发电机技术改造范围：整体更换定子铁心，定子绕组和转子磁极线圈，将绝缘等级提高到“F”级，以满足增容约10%左右的要求。复核发电机主轴强度，保证临界转速比最大飞逸转速高15%以上。
5.1 定子
本机组已运行30年左右，鉴于原发电机定子铁心是热轧硅钢片叠成，经30年左右运行，铁心片间漆膜绝缘老化，使绝缘性能下降，铁耗增加。为提高运行可靠性，在本次技术改造中需更换定子铁心，采用低损耗、高导磁性能、不易老化的优质冷轧无取向硅钢片。维持定子铁心轴向高度不变，增加定子铁心通风沟槽数量，以满足通风系统的需要。定子铁心更新除保留原定子机座和定位筋外，对定子铁心装配中的定子冲片，上、下齿压板、压指、拉紧螺杆等均按新材料新工艺进行更换。定子线圈全部采用全新的“F”级绝缘。
5.2 转子
鉴于发电机增容后，定子电流增大，电枢反应的去磁作用增强，为满足励磁要求，对转子的磁极线圈进行更换，同时增大磁极线圈截面，也可适当增加磁极匝数，故需制作新的“F”级绝缘的磁极线圈。
5.3 主轴
对机组增容至16.5 MW后主轴的强度计算求得扭应力为3220.97 n/cm2，小于许用应力4508 n/cm2，相当应力6487.6 n/cm2，小于许用应力9016 n/cm2，故原主轴强度满足要求，可不更换，但必须进行无损检测。
5.4发电机通风冷却系统改造
发电机通风采用原密闭自循环通风系统。只对空气冷却器进行改造，为满足增容后所需的风量，可增加空气冷却器的容量，更换为与原空气冷却器外形相同、大小一致、散热能力高、容量大的针刺式空气冷却器。
6 附属设备改造
6.1调速系统改造
调速器均更换成SAFR-2000型微机调速器，原油压装置不变，压力等级仍为2.5 Mpa。
6.2主阀改造
原f3400立式饼形蝶阀，更换成双平板式双偏心的卧式蝶阀。活门上主密封采用高硬度实心的橡胶围带，可在不拆卸阀体情况下检修更换密封圈。在阀门全关、全开位置设有手动锁锭装置。接力器采用直缸摇摆式，额定工作压力为2.5 Mpa，接力器设置缓冲装置。经复核原油压装置仍能满足改造后的需要。
6.3水力监测系统改造
该系统在原基础上对水轮机流量测量和工作水头测量进行改造，全厂设一套YLJ-20微机差压流量测量装置。水轮机流量测量采用蜗壳差压法测流，每台机组设置MDM490-02-1-1差压器1个，其信号送入中控室YLJ-20微机流量测量仪；工作水头测量采用MDM490-08-1-1差压变送器一个，其信号送入中控室YLJ-20微机流量测量装置。
6.4金属结构改造
山美水电站为坝后式地下厂房，引水支洞出口段为洞内衬砌钢管，钢管内径3400 mm，壁厚16 mm，根据现场观察，原引水钢管表面锈蚀比较严重，可以明显看到剥离的氧化皮，应对其进行更新处理。考虑到现场的实际情况，拟采用内套管的方法对原引水钢管进行更换，具体措施是：将原引水钢管厂房内的明管段割除，将新制钢管（内径3368 mm，壁厚16 mm）套入原钢管内，伸入洞内3000 mm，露出洞外1000 mm，钢管内侧端口与原钢管内壁焊牢，露出洞外的钢管与原钢管割口断面焊牢。为延长钢管的使命寿命，对钢管采用喷锌防腐处理，具体措施是：钢管表面喷沙除锈达Sa 2.5级后，喷锌200 μm，再喷涂料16号煤焦油环氧树脂聚酰胺漆三道（干膜厚120 μm）予以封闭。
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