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水輪發電機組缺陷的處理與改造

摘要:為了徹底解決水輪發電機組在運行過程中出現的問題,魏家堡水電站針對水輪發電機存在的汽蝕嚴重、機組振動大、頂蓋排水困難、上導油盆甩油嚴重及定子溫升偏高等缺陷,通過應用新技術等措施,較好的解決了問題。

  關鍵詞:水輪發電機汽蝕振動頂蓋排水甩油

  魏家堡水電站位于陜西省眉縣境內,是一座渠道引水式電站,裝機容量為3×6300kW,發電機型號為SF6300-10/2600,設計水頭96.2m,機組轉速600r/min.電站自投產以來,一直存在著設備缺陷,設備帶病運行,威脅著安全生產,影響了效益的充發揮。通過采取綜合技術措施加以治理,取得了顯著效果。

  一、水輪機轉輪改造

  1存在的問題

  電站建成之初,經過2800h的運行,出現了負荷帶不上去、動平衡嚴重失衡、機組振動劇烈、不銹鋼轉輪汽蝕嚴重,出現部位均在轉輪葉片進水邊上下面和轉輪室與底環接縫處,其中葉片進水邊上下面最大剝蝕面積30cm×14cm,汽蝕深度3-5mm,沿進水邊呈帶狀分布;轉輪室與底環接縫處的汽蝕均出現在+x方向,面積30cm×2cm,最深處達3cm.另外轉輪其他部位不同程度存在蜂窩狀坑,直徑4-8mm,轉輪直徑減小了11-20mm.

  汽蝕已成為當代水電站運行中普遍而突出的技術難題。產生汽蝕的原因很多,情況各異。水量、水溫、含沙量、運行情況、材料等不同對汽蝕形成及破壞也不相同。依據該站的實際情況分析研究要解決汽蝕的問題,重點應放在優化參數及材料選擇上。

  2轉輪技術改造方案

  經過多次研究,確定以降低汽蝕系數為出發點。根據電站的主要技術參數,設計制造了適合電站水力條件的新型轉輪。主要做了如下改造:

  2.1優化水輪機參數,從冀線上著手,改進出水角度,使過水流速由原來的33m/s降至27m/s,降低了相對流速,提高了反擊效率,減少了進口撞擊損失。

  2.2擴大減壓孔,直徑由原來的∮40擴大到的∮50,另外調整減壓孔角度使其出水口盡可能接近負壓區,使頂蓋下聚集的高壓泥沙水盡快排泄,一方面減少了泥沙對上面漏環的磨損,另外可減輕軸向推力。

  2.3采用長泄水錐,比原泄水錐增長了約40mm,長泄水錐的高壓脈動區域比短泄水錐小,且幅值也小,有效的減少了尾水管的脈動壓力,有效防止了汽蝕。

  2.4采用優質材料。此次采用了抗腐蝕性能良好的6Cr13Ni4Mo不銹鋼整體轉輪,葉片采用不銹鋼板熱壓成型,有效解決了轉輪由于材質較軟加速葉片剝蝕的主要問題。

  2.5實用新型材料涂敷防護。在導葉、轉輪、葉片等部位用瑞士蘇爾壽(sulzer)水電公司最新高速火焰(HVDF)噴涂技術進行表面碳化鎢鈷(SXHTO)材料噴涂。在基材不發生任何形變地情況下,使表面硬度達到了1100-1300HV300,有機的提高了過水部件的表面抗蝕能力。

  3效果

  運行實踐證明,新轉輪汽蝕性能明顯好轉,機組振動減小,運行壽命增加了3-4倍,為安全高效運行奠定了基礎。

  二、機組頂蓋排水改造

  電站水輪機頂蓋排水原設計為自流排水,即頂蓋集水從水輪機頂蓋上環和座環自流排到集水井。但由于設計和制造方面的原因,一方面自流水口過小短期內已被泥沙堵死,無法疏通,另外排水口過高,油盆浸在水中,轉動油盆的高速轉動帶動積水轉動,水進油盆,無法正常運行。

  1頂蓋排水方案

  針對上述問題,幾年來曾作過種種嘗試,如真空泵抽水,自吸式射流泵排水等,但效果都不明顯;油盆多次被淹,嚴重制約著電站的正產生產。經與同類水電站比較,設想采用新的改造方案,即從頂蓋以上側墻上打孔,采用孔徑為100mm的直排方式排入集水廊道,以求獲得理想效果。

  頂蓋排水高程的選擇,以稍低于主軸密封裝置的抗磨板上沿為宜,這樣既能確保密封裝置正常運行,又能盡量加大集水的排泄,不至于引起水流的旋轉飛濺進入油盆。

  2頂蓋排水方案預設效果

  與該站情況相似的毫米電站機組頂蓋排水改造后的效果十分理想,再也沒有出現過水淹油盆的情況,各部運行正常,解決了水輪機排水難的問題,在借鑒經驗的同時,我們在推拉桿下部位置采取試驗的結果表明,該方案是可行的,能夠達到理想效果。

三、上導油盆甩油及發電機運行溫升偏高的消除

  1發電機上導油盆甩漏油嚴重,同時定子運行溫升偏高

  從1998年電站建成運行以來,發電機上導油盆就存在甩漏問題,上機架周圍時常是一片油污,為了安全運行只有定期頻繁向上導油盆補油。

  2001年起,站發電機定子運行溫升逐漸升高,2001年為45oC,2002年54oC,2003年為66oC,最高運行溫度達到93oC(為1#機組),明顯升高。

  2原因分析與判斷

  針對站發電機的設備缺陷,電站作了大量試驗,并多次召開專題研討會,但缺陷原因沒有定論,最后決定先對1#機組進行擴大性檢修,在檢修中繼續試驗,查找定子溫升偏高的直接原因。

  2.1發電機上導油盆甩漏油的原因分析。

  仔細檢查,發現油盆完整無損,頂蓋周圍密封良好,底側均無漏油,可以排除油盆及其他密封所致的漏油。進一步檢查發現,發電機大軸與頂蓋之間的密封毛氈中含有大量的透平油,初步懷疑漏油點為大軸與油盆蓋板之處,但油位達不到該處,也就是說,此高度無油。經過大量的實驗發現,機組在600R/min的正常運行下,油盆內的油沾著大軸呈螺旋形爬上,由大軸與油盆蓋板之間的細小間隙甩出,呈霧狀,遇外界冷空氣凝結成為油珠。這才是真正的甩漏油的原因。

  2.2發電機定子溫升偏高的原因分析。

  發電機轉子吊出后,進行了定子鐵芯損耗試驗,測得鐵芯單位損耗為1.80w/kg.該發電機鐵芯材料為D41矽鋼片,厚度為0.5mm,規范規定該鐵芯沖壓后鐵損不大于2.08w/kg,故可排除鐵損增加引起定子溫升偏高。定子線圈直流電阻合格,絕緣電阻符合規范,證明溫升偏高非線圈接觸不良或存在短路所致,可排除銅損增大引起定子溫升偏高。轉子吊出后,發現定子鐵芯和線圈上有大量油垢,定子通風口普遍堵塞,嚴重影響通風散熱。綜上分析,發電機鐵損和銅損不會超標,定子溫升偏高的原因很可能是定子臟污、通風不暢所致。

  3缺陷的綜合處理

  3.1發電機油垢的清洗。使用高壓專用噴槍,用EC-30電氣設備清洗劑噴洗5-6次,然后用白布條擦凈。

  3.2定子噴漆。清洗并檢查后,對定子進行噴漆處理(1道底漆和2道面漆),底漆為1504環氯脂絕緣漆,面漆為1361灰色環氯脂絕緣漆。

  3.3上導油盆技術改造。針對甩漏油的實際情況,重新改造油盆蓋板,把原設計的單純型蓋板改型為雙層,使兩層面間形成一個空腔(截面為6mm×12mm),蓋板與大軸形成雙層密封,使該沿大軸爬上的油及油盆內的油氣串過第一道密封后進入預設的空腔中,遇冷成為油珠收集在空腔之中,再加設射流泵收回集油槽。

  4處理效果

  檢修后機組經3年時間運行,實踐證明,機組缺陷的原因分析和處理是正確的,大修后發電機定子運行溫度最高為71oC,發電機上導油盆甩漏油問題也徹底清除,取得了圓滿成功。

  四、結論與探討

  經過初步的探索,針對性地開展了一些技術上的改造,有效地解決了該電站發電機組存在的汽蝕嚴重、機組振動大、排水困難、上導油盆甩油嚴重及定子溫升偏高等一系列缺陷問題,取得較為顯著的效果。同時總結認為:

  (1)國內運行的小型水電站,多數老式機組,效率偏低,汽蝕嚴重的問題普遍存在,徹底解決問題的最有效辦法就是更換選型合適的轉輪。新型轉輪效率已普遍提高,汽蝕性能也大為好轉,加之不銹鋼的使用,水輪機汽蝕性能非常優越。更換一個新轉輪的費用并不高,投資少,見效快,是老機組改造的優先選擇。

  (2)機組大修周期,規范規定,非泥沙水電站水輪機大修間隔4-6年,但依據實踐證明,在機組存在缺陷,可能威脅設備安全時,應縮短大修周期,通過大修徹底處理存在的問題,以確保安全運行。

  (3)維護良好運行生產環境,在電站生產中非常重要。油垢等的存在,會對正常的運行帶來障礙,甚至造成嚴重的后果,尤其是自然風冷機組,對定子、轉子等影響較大。電站應盡量避免各部位潤滑油的外漏,以確保安全高效運行。

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