水轮发电机组缺陷的处理与改造

摘要：为了彻底解决水轮发电机组在运行过程中出现的问题，魏家堡水电站针对水轮发电机存在的汽蚀严重、机组振动大、顶盖排水困难、上导油盆甩油严重及定子温升偏高等缺陷，通过应用新技术等措施，较好的解决了问题。

魏家堡水电站位于陕西省眉县境内，是一座渠道引水式电站，装机容量为3×6300kW，发电机型号为SF6300-10/2600，设计水头96.2m，机组转速600r/min.电站自投产以来，一直存在着设备缺陷，设备带病运行，威胁着安全生产，影响了效益的充发挥。通过采取综合技术措施加以治理，取得了显著效果。

一、水轮机转轮改造

1存在的问题

电站建成之初，经过2800h的运行，出现了负荷带不上去、动平衡严重失衡、机组振动剧烈、不锈钢转轮汽蚀严重，出现部位均在转轮叶片进水边上下面和转轮室与底环接缝处，其中叶片进水边上下面最大剥蚀面积30cm×14cm，汽蚀深度3-5mm，沿进水边呈带状分布；转轮室与底环接缝处的汽蚀均出现在+x方向，面积30cm×2cm，最深处达3cm.另外转轮其他部位不同程度存在蜂窝状坑，直径4-8mm，转轮直径减小了11-20mm.

汽蚀已成为当代水电站运行中普遍而突出的技术难题。产生汽蚀的原因很多，情况各异。水量、水温、含沙量、运行情况、材料等不同对汽蚀形成及破坏也不相同。依据该站的实际情况分析研究要解决汽蚀的问题，重点应放在优化参数及材料选择上。

2转轮技术改造方案

经过多次研究，确定以降低汽蚀系数为出发点。根据电站的主要技术参数，设计制造了适合电站水力条件的新型转轮。主要做了如下改造：

2.1优化水轮机参数，从冀线上着手，改进出水角度，使过水流速由原来的33m/s降至27m/s，降低了相对流速，提高了反击效率，减少了进口撞击损失。

2.2扩大减压孔，直径由原来的∮40扩大到的∮50，另外调整减压孔角度使其出水口尽可能接近负压区，使顶盖下聚集的高压泥沙水尽快排泄，一方面减少了泥沙对上面漏环的磨损，另外可减轻轴向推力。

2.3采用长泄水锥，比原泄水锥增长了约40mm，长泄水锥的高压脉动区域比短泄水锥小，且幅值也小，有效的减少了尾水管的脉动压力，有效防止了汽蚀。

2.4采用优质材料。此次采用了抗腐蚀性能良好的6Cr13Ni4Mo不锈钢整体转轮，叶片采用不锈钢板热压成型，有效解决了转轮由于材质较软加速叶片剥蚀的主要问题。

2.5实用新型材料涂敷防护。在导叶、转轮、叶片等部位用瑞士苏尔寿（sulzer）水电公司最新高速火焰（HVDF）喷涂技术进行表面碳化钨钴（SXHTO）材料喷涂。在基材不发生任何形变地情况下，使表面硬度达到了1100-1300HV300，有机的提高了过水部件的表面抗蚀能力。

3效果

运行实践证明，新转轮汽蚀性能明显好转，机组振动减小，运行寿命增加了3-4倍，为安全高效运行奠定了基础。

二、机组顶盖排水改造

电站水轮机顶盖排水原设计为自流排水，即顶盖集水从水轮机顶盖上环和座环自流排到集水井。但由于设计和制造方面的原因，一方面自流水口过小短期内已被泥沙堵死，无法疏通，另外排水口过高，油盆浸在水中，转动油盆的高速转动带动积水转动，水进油盆，无法正常运行。

1顶盖排水方案

针对上述问题，几年来曾作过种种尝试，如真空泵抽水，自吸式射流泵排水等，但效果都不明显；油盆多次被淹，严重制约着电站的正产生产。经与同类水电站比较，设想采用新的改造方案，即从顶盖以上侧墙上打孔，采用孔径为100mm的直排方式排入集水廊道，以求获得理想效果。

顶盖排水高程的选择，以稍低于主轴密封装置的抗磨板上沿为宜，这样既能确保密封装置正常运行，又能尽量加大集水的排泄，不至于引起水流的旋转飞溅进入油盆。

2顶盖排水方案预设效果

与该站情况相似的毫米电站机组顶盖排水改造后的效果十分理想，再也没有出现过水淹油盆的情况，各部运行正常，解决了水轮机排水难的问题，在借鉴经验的同时，我们在推拉杆下部位置采取试验的结果表明，该方案是可行的，能够达到理想效果。

三、上导油盆甩油及发电机运行温升偏高的消除

1发电机上导油盆甩漏油严重，同时定子运行温升偏高

从1998年电站建成运行以来，发电机上导油盆就存在甩漏问题，上机架周围时常是一片油污，为了安全运行只有定期频繁向上导油盆补油。

2001年起，站发电机定子运行温升逐渐升高，2001年为45oC，2002年54oC，2003年为66oC，最高运行温度达到93oC（为1#机组），明显升高。

2原因分析与判断

针对站发电机的设备缺陷，电站作了大量试验，并多次召开专题研讨会，但缺陷原因没有定论，最后决定先对1#机组进行扩大性检修，在检修中继续试验，查找定子温升偏高的直接原因。

2.1发电机上导油盆甩漏油的原因分析。

仔细检查，发现油盆完整无损，顶盖周围密封良好，底侧均无漏油，可以排除油盆及其他密封所致的漏油。进一步检查发现，发电机大轴与顶盖之间的密封毛毡中含有大量的透平油，初步怀疑漏油点为大轴与油盆盖板之处，但油位达不到该处，也就是说，此高度无油。经过大量的实验发现，机组在600R/min的正常运行下，油盆内的油沾着大轴呈螺旋形爬上，由大轴与油盆盖板之间的细小间隙甩出，呈雾状，遇外界冷空气凝结成为油珠。这才是真正的甩漏油的原因。

2.2发电机定子温升偏高的原因分析。

发电机转子吊出后，进行了定子铁芯损耗试验，测得铁芯单位损耗为1.80w/kg.该发电机铁芯材料为D41矽钢片，厚度为0.5mm，规范规定该铁芯冲压后铁损不大于2.08w/kg，故可排除铁损增加引起定子温升偏高。定子线圈直流电阻合格，绝缘电阻符合规范，证明温升偏高非线圈接触不良或存在短路所致，可排除铜损增大引起定子温升偏高。转子吊出后，发现定子铁芯和线圈上有大量油垢，定子通风口普遍堵塞，严重影响通风散热。综上分析，发电机铁损和铜损不会超标，定子温升偏高的原因很可能是定子脏污、通风不畅所致。

3缺陷的综合处理

3.1发电机油垢的清洗。使用高压专用喷枪，用EC-30电气设备清洗剂喷洗5-6次，然后用白布条擦净。

3.2定子喷漆。清洗并检查后，对定子进行喷漆处理（1道底漆和2道面漆），底漆为1504环氯脂绝缘漆，面漆为1361灰色环氯脂绝缘漆。

3.3上导油盆技术改造。针对甩漏油的实际情况，重新改造油盆盖板，把原设计的单纯型盖板改型为双层，使两层面间形成一个空腔（截面为6mm×12mm），盖板与大轴形成双层密封，使该沿大轴爬上的油及油盆内的油气串过第一道密封后进入预设的空腔中，遇冷成为油珠收集在空腔之中，再加设射流泵收回集油槽。

4处理效果

检修后机组经3年时间运行，实践证明，机组缺陷的原因分析和处理是正确的，大修后发电机定子运行温度最高为71oC，发电机上导油盆甩漏油问题也彻底清除，取得了圆满成功。

四、结论与探讨

经过初步的探索，针对性地开展了一些技术上的改造，有效地解决了该电站发电机组存在的汽蚀严重、机组振动大、排水困难、上导油盆甩油严重及定子温升偏高等一系列缺陷问题，取得较为显著的效果。同时总结认为：

（1）国内运行的小型水电站，多数老式机组，效率偏低，汽蚀严重的问题普遍存在，彻底解决问题的最有效办法就是更换选型合适的转轮。新型转轮效率已普遍提高，汽蚀性能也大为好转，加之不锈钢的使用，水轮机汽蚀性能非常优越。更换一个新转轮的费用并不高，投资少，见效快，是老机组改造的优先选择。

（2）机组大修周期，规范规定，非泥沙水电站水轮机大修间隔4-6年，但依据实践证明，在机组存在缺陷，可能威胁设备安全时，应缩短大修周期，通过大修彻底处理存在的问题，以确保安全运行。

（3）维护良好运行生产环境，在电站生产中非常重要。油垢等的存在，会对正常的运行带来障碍，甚至造成严重的后果，尤其是自然风冷机组，对定子、转子等影响较大。电站应尽量避免各部位润滑油的外漏，以确保安全高效运行。