大黑汀水电站2号和4号水轮发电机组增效扩容改造浅析

任济民，王志军，刘建波，武金辉

（海委引滦工程管理局大黑汀水库管理处，河北 唐山064300）

1 概述

大黑汀水利枢纽位于河北省迁西县城北5km的滦河干流上，是引滦工程的重要组成部分，其主要作用是承接上游潘家口水库的调节水量，拦截潘大区间支流来水，抬高水位，为实现跨流域向天津、唐山供水创造条件，同时结合供水发电。大黑汀枢纽工程的综合效益包括供水、防洪和发电，是滦河干流上综合利用的大型水利枢纽工程。大黑汀水利枢纽工程主要包括1座长度为1354.5m 混凝土拦河大坝、1座长度为110m 的混凝土副坝、2座总装机容量为2.16MW 坝后式水力发电站，水库总库容3.37亿m3，设计水位133.00m（黄海标高，下同）。

2座坝后式水力发电站分别是结合向天津、唐山供水发电的渠首电站和结合向滦河下游供水发电的河床电站，其中渠首电站装有4台ZZ560-LH-250轴流转桨式水轮发电机组，单机容量为3200kW，总装机容量为12800kW，年设计利用小时数为2530h，年设计发电量3240万kW·h。

增效扩容改造前渠首电站安装的4台水轮发电机组由天津水力发电设备厂制造，其主要技术数据如下：

水轮机主要技术数据：型号：ZZ560-LH-250；额定功率：3370kW；设计水头：11m；最高水头：14m；最低水头：6m；设计流量：37m3/s；额定转速：187.5r/min；飞逸转速：437r/min。

发电机主要技术数据：型号：TS425/32-32；额定功率：3200kW；额定电压：6300V；额定电流：366.6A；额定频率：50Hz；功率因数：0.8；额定励磁电压：100V；额定励磁电流：447A；额定转速：187.5r/min。

2 增效扩容改造实施前机组存在的主要缺陷

（1）轴流转桨式转轮漏油问题严重。转轮“λ”型橡胶密封结构不合理，机组运行过程中经常出现转轮漏油现象，造成尾水水面油污染。

（2）受油器铜瓦和操作油管小轴配合间隙由于长时间磨损而增大超标，出现渗漏现象，造成压油泵装置启动频繁，机组运行稳定性较差。

（3）活动导叶漏水量偏大。活动导叶由于磨损间隙变大，不能达到全封闭，造成密封面搭接不严，导叶漏水严重，蜗壳不能正常平压。

（4）水轮机效率比较低。渠首电站4台水轮机原设计额定点效率为84.4%。电站现运行的水轮发电机组，在设计水位时，机组出力与刚投产的85年相比，在相同水位和导叶开度条件下，机组出力只能达到原出力的76%左右说明效率下降明显。

（5）发电机由于运行年份已久，定子、转子线圈的绝缘老化严重，绝缘性能下降，影响发电运行的安全可靠性。

3 增效扩容改造主要方法和可行性分析

3.1 主要方法

鉴于机组运行过程中存在的问题，为提高机组效率和运行稳定性、安全性，技术改造势在必行。电站机组机型确实已较陈旧，经过数10年运行，水轮机通流部件磨损及空蚀十分严重，运行效率降低以及出力下降，严重影响了电站的经济效益。

本次改造将2号、4号水轮机改为轴流定桨式水轮机，在水头变化不大、不需要调节流量时运行，同时对2号、4号发电机定、转子线圈进行改造，机组出力由3200kW 增加至3500kW，增加机组容量，提高绝缘等级和水轮发电机的效率。

3.2 可行性分析

大黑汀渠首电站上游水库设计正常高水位为133m，供水总干渠设计最大供水流量为160m3/s，此时相应的下游尾水水位高为121m。对近10年来大黑汀渠首电站日过机流量统计分析结果表明，在正常供水期，电站上游水位一般在127～133m 范围，大部分时间供水流量为65～95m3/s，仅达设计最大引水流量的40%～60%对应下游尾水位低于121m，电站运行的毛水头范围在7～13m。

在10年内的供水期间中，最大的日过机流量约为100m3/s，按年度计算日平均过机流量在40～60m3/s 之间。按水轮机单机设计过流量37m3/s计算，电站总的过流量为148m3/s。因此，在正常供水期间一般只需开启2台机组，4台机组同时运行的情况很少，也就是说，大黑汀渠首电站总装机组的过流能力，远大于实际供水的流量。每天至少有1～2台机组处于停机备用状态，电站本身储备过流调节能力有较大的余量。

因此，改造后可以通过不同机组调配以调节变化的供水量。为了克服轴流转桨式水轮机运行范围小的不足，在水轮发电机组供水发电运行时，保持2台改为轴流定桨式的机组尽量在水轮机高效区范围内工况运行，依靠电站未作改造的2台轴流转桨式水轮机组来进行流量的适当调节，以满足下游用水量不同的需求，进一步优化电站机组运行模式。

选用新型的轴流定桨转轮，提高转轮出力和效率，为发电机增容提供原动力。发电机通过更换定转子线圈，达到增容目的。

4 增效扩容改造的主要技术措施

（1）通过对大黑汀水电站水量水能的统计分析计算并进行真机试验进行核定，对渠首电站2台机组实施转桨改定桨。改造后的机组（增效扩容后）主要技术数据确定如下：

水轮机主要技术数据：型号：ZDJP502-LH-250；额定出力：3650kW；设计水头：12.5m；最高水头：14.5m；额定流量：33.7m3/s；额定转速：187.5r/min；飞逸转速：400r/min。

发电机主要技术数据：型号：SF3500-32/4250；额定功率：3500kW；额定电压：6300V；额定电流：400.9A；额定频率：50Hz；功率因数：0.8；额定励磁电压：120V；额定励磁电流：500A；额定转速：～187.5r/min。

（2）水轮机转轮改造

近年来，本电站水轮机运行水头一般在11m 以上，2号、4号水轮机改为轴流定桨式水轮机，其额定水头可以适当提高，以利于水轮机的安全稳定运行，且水轮机发出额定出力时所用额定流量可以减少，在相同的放水量时获得更多的电能。当上游水位为132.5m，2台机运行，供水流量为60～80m3/s 时，下游水位约为119m，对应的毛水头约为13.5m，估算流道损失1.0m，所以，本次改造，水轮机额定水头可以由11m 提高到12.5m。

1）转轮出力：在代表性水头下，水轮机在额定转速187.5r/min 运行，空蚀损坏在允许范围内，其功率为表1所示。

表1 改造后机组功率

2）转轮效率：2号、4号机组在额定水头12.5m，发额定出力3650kW，保证原型水轮机的效率不低于91.03%，相应工况的模型水轮机效率保证值不低于91.03%。

（3）发电机改造

通过更换定子铁心和线圈，增加转子线圈截面积，磁极极身绝缘由复合材料（F 级）和3240塞片构成。磁极线圈采用3.6×45软扁铜线扁绕而成，每个线圈34匝。

同时为了满足水轮机由轴流转桨改为定桨，将对推力轴承瓦、项罩、集电环等进行相应的改造。对发电机定、转子线圈作了及时的更新换代（绝缘等级由B 级改为F 级），又达到了增效扩容的效果。同时，改造后的发电机电磁参数更趋合理，结构更加安全可靠，保证机组的长期安全稳定运行。

（4）推力轴承瓦由钨金瓦改为弹性金属塑料瓦。瓦的几何形状与原瓦保持一致。

（5）水轮机由转桨改为定桨式结构，拆除原有的受油器和永磁机，为机组重新设计安装集电环、顶罩和辅机轴。集电环布置在转子上部的顶罩内。同时，更新24个活动导叶，解决导叶漏水问题。

（6）空气冷却器更换新型空气冷却器。新型空气冷却器的散热管采用紫铜管，为穿片式结构。

（7）调速器改造。水轮机改为定桨式，其调速器更新为长控所生产的WDT-100-2.5型可编程微机单调调速器。

5 增效扩容改造效果及经济效益分析

5.1 增效扩容改造效果

（1）对渠首电站改造为轴流定桨转轮后，转轮出力和效率都有了相应提高，通过对机组的空转、空载、负载的运行以及甩负荷试验的数据分析结果看，机组的机械性能、电气性能良好，达到了改造目的。

（2）在上游水位为131.79m，下游水位为119.30m，发电机性能见表2所列项目。

表2 机组增效扩容改造后的运行性能

自2015年机组增效扩容改造后运行至今，发电机运行特性优良，参数合格，机组各部分运行正常，增效扩容改造及检修质量满足要求，调节性能基本合格。

5.2 经济效益分析

大黑汀水电站2号、4号机组增效扩容改造工程完成后，单机容量从3200kW 增至3500kW，单机增加了300kW，2台机组容量增加了600kW，按多年平均利用小时数2800h 计算，1年可增发电量168万kW·h。按上网电价0.42元/kW·h 计算，年增发电效益70.56万元，说明电站增容改造工程具有较好的经济效益。

转桨改定桨改造工程后，机组各个部位振动、摆度合格，油温瓦温合格，调速平滑可靠，监控正常，彻底消除了原轴流转浆转轮漏油造成的供水水质污染现象，提高了机组设备的可靠性和生产运行的安全性，运行成本降低，大修周期延长，降低了发电运行成本，进一步提高了水能利用率和水电站机组综合功效。

6 结语

（1）对于具有反调节功能的水库，坝前水位变化不大，总装机组的过流能力大于实际供水流量并且余量较大的水电站，改变机组运行模式是一种成功的办法，将原来单一的轴流转桨式机组改为轴流转浆和轴流定桨式机组组合方式，进一步优化电站运行模式，适应不同上游水位及供水流量的要求。

（2）对城市生活供水水质要求越来越高，而轴流转桨式水轮机常因转桨密封机构的磨损或其他故障而漏油，易造成对供水水质的污染，对水轮机进行轴流转浆改定桨改造是解决漏油问题、清除漏油对水质污染的根本方法。

（3）机组增效扩容改造应当首先根据水库水量调度运行的实际，对原配置的水轮机的运行进行统计分析和设计计算，并在此基础上进行真机试验，根据其结果做进一步的优化设计后实施改造。通过选取新型转轮或者重新设计转轮，使水轮机在较高效率区运行，从而提高水轮机的出力。然后分析和设计计算，选取相匹配功率的水轮发电机。

（4）为提高水电站的安全运行水平，挖掘水能利用潜力，提高经济效益，用现代化先进技术对原有的老旧设备进行增效扩容改造是水力发电企业优先采用的模式，对老水电站进行增效扩容改造，可获得投入少，增效多的良好效果。