DQZHAN訊：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。
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**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*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，*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采用上等材料。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*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**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**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，*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，*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**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**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*高為71oC，發電機上導油盆甩漏油問題也徹底**，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*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**時，應縮短大修周期，通過大修徹底處理存在的問題，以確保**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**高效運行。
