解析跋山水库电站水轮发电机组增效扩容改造
1 工程概况
跋山水库位于淮河流域沂河干流中上游，山东省沂水县城西北15km 大伴城村北，沂河与支流暖阳河的汇流处，是1座以防洪为主，兼顾灌溉、发电、养殖等功能的大型水库。水库控制流域面积1 782km2，现状总库容5.28亿m3。坝后电站总装机容量5 000kW，位于放水洞下游，主要工程包括压力管道、厂房、泄水闸、尾水渠、升压站、开关站、油库、水泵房、机修车间等。电站设计年发电量1 300万kWh，多年平均发电量810万kWh，年最高发电量1 760万kWh。跋山水电站建于20世纪70年代，水轮机为HL123LJ120型混流式，性能落后，已列入小型水电站机电设备应淘汰的产品目录中;发电机为TSL260/4024型立式，出口电压为3.15kV，效率低，B级绝缘，绝缘等级低。机组经近40a运行，转轮气蚀严重，水轮机出力下降，发电机绝缘老化严重，其综合效率已非常低下，超过报废年限，生产运行存在很大的安全隐患。辅助设备已经严重老化，管路锈蚀，阀门不能正常关闭，已难以满足机组运行需要。
2 水轮机改造
水库兴利水位178.00m，电站正常尾水位152.31m，设计水头21.00m，最大水头24.30m，最小水头12.00m。水轮机叶轮型式为混流式，型号为HL3689LJ1200，共4台;其设计水头Hr=21m，设计流量Qr=8.72m3/s，叶轮直径1 200mm，额定转速n=250r/min，额定效率94.2%，额定出力1 600kW。气蚀性能为在全工况范围内满足安全稳定运行要求，旋转方向与发电机旋转方向相同。这次改造增容到单机1 600kW，电压等级从3.15kV升为6.3kV，水轮机流道不变。采取了更换转轮、导水机构大修的原则。转轮采用3689120转轮，可达到电站增容目标。各机组在设计水头、额定转速及允许吸出高度范围内，水轮机出力不低于额定出力。在大于额定水头条件，机组额定出力超过10%～15%范围内，水轮机应保证持续安全运行。水轮机能保证机组在75%～100%额定出力范围内稳定运行。
2.1 效率保证
机组在设计水头21m，发出额定出力达到了1 600kW时，保证了原型水轮机的效率不低于94.2%。
2.2 对转轮的技术要求
转轮采用了抗气蚀性能及抗磨性能良好，并保证在常温下具有良好可焊性的不锈钢材料(精炼ZG06Cr13Ni4Mo)模压后焊成一体，叶片加工方式采用五坐标数控机床加工，符合《混流泵、轴流泵开式叶片验收技术条件》(JB/T 5413)中的A级要求。叶片加工后过流表面光滑，无裂纹。叶片与转轮室的间隙均匀，保证叶轮转动灵活，尽量减少容积损失。另外，转动各部应具有足够强度以承受最大转速、应力，并具有足够的刚度和抗疲劳强度，确保转轮在周期性变动荷载下不出现任何裂纹断裂或有害变形。
2.3 出厂前试验
水轮机改造完后需进行如下实验：
(1)材料试验。水轮机的各主要零部件都应经过工作检验，以证明其原材料在加工过程中无缺陷。
(2)性能试验。水轮机在制造厂内应进行全性能试验，以证明其运转性能、参数符合设计要求，试验按《小型水轮机现场验收试验规程》(GB/T221402008)标准进行出厂试验。
(3)试运行实验。机组设备安装完毕，经现场安装试验，对各附属系统进行单项调试和试运行，在确信各系统设备已经安装调试就绪后，对设备进行检查并完成运行试验，以确保设备安装调试就绪，并能安全正常地投入连续运行。
(4)振动测量。证明其运转性能、参数符合设计要求，应按《小型水轮机现场验收试验规程》(GB/T 221402008)标准进行出厂试验。如叶轮加工完成后，一方面在厂内进行了检查并进行机构性能试验，提交检查试验报告;另一方面在制造厂内应按ISO194073标准进行静平衡试验，
3 发电机改造
跋山水库电站原发电机型号为SF125024/2600，定、转子线圈采用为B级绝缘，经多年的运行，线圈绝缘有不同程度的老化现象。为产生更高的经济效益，更换原机定转子线圈，增容到1 600kW;改变原有出线电压升压到6 300V
3.1 发电机改造方案
发电机从1 250kW 增加至1 600kW，定转子采用F级绝缘，定子增加23%的导线截面积。转子线规利用增加导线匝数、加励磁分量、提高出力等来减小温升;增容后发电机运行安全可靠，完全能满足长期安全运行的要求。
3.2 定子线圈技改工艺
技改后导线采用双玻璃丝扁铜线并绕而成，截面面积比原来增加23%。主绝缘采用高云母含量和低介损的优质F级粉云母带。匝间和对地绝缘模压采用二次热模压加冷模定型和三次整形的特殊工艺，保证了线圈主绝缘厚度的均匀性和一致性，大大提高了线圈的耐压水平。同时，线圈的外形一致性非常好，下线后整齐漂亮，通风又好。线圈表面设有高低阻值的半导体防电晕，有效的改善了端部的电场分布。
3.3 定子线圈下线
下线严格按圈式线圈下线工艺进行。线圈绑扎绳采用目前大电机上采用的涤玻绳材料，它具有绑扎牢固、通风好等优点。槽内垫条均采用半导体材料。嵌线完毕，按国标新机组规定值进行电气试验;试验合格后，按工艺要求整体绝缘处理。最后外表面再喷一层防潮、防霉F级覆盖漆。
3.4 转子改造要点
转子线原为扁铜排绕制而成。线圈根据目前新F级绝缘规范计算，匝数增加了3匝，绕好后的转子线圈进行无氧退火处理，软化线圈和消除应力后，再进行了冷压整形 去毛 清理 垫F级匝间绝缘 热压固化 清铲 试验等工序。转子线圈与铁芯装配前进行称重搭配，机身绝缘也更换为F级，并采用了900翻角结构，有效增加了线圈对地爬电距离，避免了机组运行长久后内部积灰而造成绝缘电阻下降。磁极挂装时，按重量对称布置。斜键打紧后，须保证磁极铁芯与轭面紧贴，绝缘托板与线圈压紧，以及转子外圆尺寸符合要求，完工后进行转子线圈对地耐压试验和交流阻抗试验。
3.5 改造后发电机效果
定子绕组匝数不变，增容后各部磁通密度不变，因此定子铁芯通过清理和局部处理试验后，其温升不会超过原值。
发电机通过定、转子线圈改造后，当出力为1 600kW 时，定子温升为49 ℃，转子温升为56℃。技改后定、转子线圈均采用F 级绝缘，按《水轮发电机基本技术条件》(GB 78942001)规定，F级绝缘定子允许最高运行温升为100℃，转子允许最高运行温升为100℃。其允许使用温度比原机组可提高20℃，因此发电机扩容技改后，其运行温度将远远低于允许最高运行温度，机组安全运行得到了可靠保证。机械部分增容后，主轴强度，轴承负荷、机座刚度等均能满足增容要求。
4 结 语
综上所述，跋山水库水电站4台水轮发电机单机从1 250kW 增容到1 600kW 后，年发电量平均增加25%，达到了增效扩容的理想效果。