东江水电站3号机减振增容改造及效益分析

１概况

　　东江水电站位于湘水支流耒水中上游，控制流域面积４７１９ｋｍ２，以发电为主，兼有防洪、航运和工业用水等综合效益。安装４台机组，于１９８７年１１月首台机组发电，在系统中主要担负调峰和事故备用任务。由于机组投产以来，振动非常大，不仅不能调频，而且严重威胁发电和水工建筑物安全，因此，我厂计划五年内完成４台水轮发电机组减振增容改造，３号机组属首台改造项目。２００２年７月１日，３号机减振改造主体工程正式开工，通过半年的努力，３号机于２００３年１月８日上午１０时通过７２ｈ试运行，标志着其主体工程全面竣工。

２原电站存在的主要问题

　　东江水电站原机组是容量为１２５ＭＷ的混流式水轮发电机组，转轮型号ＨＬ１６０－ＬＪ－４１０。原机组投产以来，相继发生水轮机振动、转轮叶片大量裂纹且频繁出现、上冠下环空蚀严重、尾水管里衬撕裂、十字补气架脱落、尾水进人门开裂、导水机构连臂松动、水导轴承松动、导瓦间隙增大、大坝裂纹等重大问题。

　　２．１水轮发电机组振动的主要原因

　　１）水轮机设计选型不当。大东江机组运行水头范围为８１ｍ～１３９ｍ，水头变幅过大。额定水头为１１８．５ｍ，而原机型最优工况的设计水头１０４ｍ，在１２０ｍ以上水头运行，水轮机存在较大不宜运行工况区。２）机组转速选择偏低。东江机组的额定转速因历史原因选用１６６．７ｒ／ｍｉｎ，在高水头段远离最优工况，致使转轮进口水流冲角较大，水流对叶片头部形成撞击，并产生复杂的高频或中频水压脉动。３）制造质量差。转轮进出口节距误差大，最大为１４．２％（标准为３％）；叶片焊接时安放角度位置有偏差，而异种钢焊接工艺质量又得不到保证，加剧了机组的振动和破坏。

　　２．２定子铁芯松动原因

　　１）制造质量先天不足。铁芯冲片材质选择不当，本身不平度大，而且漆膜热收缩量大；齿压条刚度不够，不能克服齿部散张问题。２）铁芯压装置不合理。如何保持铁芯的压紧力，并补偿铁芯长时间运行后产生热膨胀变形没有采取有效措施。３）安装工艺质量存在问题。小齿压板和压指高差超标，造成铁芯波浪度在运行中增大。４）水轮机的强烈振动是加剧定子铁芯松动的外因。

　　２．３大坝异常振动的原因

　　引起大坝异常振动的振源来自水轮机。现场测试发现水轮机在振动区运行存在一振动频率接近大坝自振频率，形成共振的条件。初步测试得出大坝引水背管不是引起大坝异常振动的振源。

３减振增容改造过程

　　根据试验结果和对国内改造机组考察分析，认为对东江机组采取叶片修型、改造泄水锥和强迫补气等方法都不能根本消除机组振动。解决东江机组严重缺陷和减轻大坝异常振动的有效途径是重新进行水轮机水转轮的水流设计，重新设计并彻底翻新定子，将减振改造放在首位，兼顾增容。

　　３．１前期准备工作

　　１９９７年９月至１９９９年３月，华中理工大学、湖南省电力试验研究所、武汉水利电力大学和东江水电厂对机组及大坝振动进行了较全面的试验研究，共进行了１６台次的真机振动试验、大坝振动试验、机组振动与大坝振动关系试验等，分析了机组振动和大坝振动的原因；１９９９年４月２８日由湖南省电力公司在东江水力发电厂主持召开“东江水轮发电机组减振改造研讨会”；１９９９年１１月１９日，由湖南省电力公司在长沙主持召开了“东江水轮发电机组减振改造安全技术论证会”，与会专家就东江水轮发电机组减振改造安全技术论证进行了深入讨论；东方电机股份有限公司通过投标于２００１年２月７日与湖南东江水力发电厂签订了机组减振改造合同。

　　３．２改造方案

　　东江水力发电厂与国内外专家在反复研究论证的基础上，一致认为：在对机组实施减振改造过程时，要在满足东江现有流道条件下，所选用的新转轮一定要达到减振的目的，同时要将提高机组效率、提高电站调峰容量、减少导叶漏水、实现调相运行有机结合，并且要避开大坝固有频率以避免产生大坝共振；在实施减振改造中，仍应注意采取诸如补气消涡等措施，以达到综合治理振动问题的目的。同时在定子改造中，电机设计应充分考虑机组适应调峰和调相运行的工况，特别应采取措施降低端部漏磁。

　　在多个方案中推荐选择机组不变转速的方案。水轮机不能套用现有转轮型号，应设计适合东江运行情况的转轮。发电机只改造定子，不改造转子。东方电机股份有限公司水轮机技术部门根据合同的技术协议要求，结合电站的具体实际参数，将减振改造放在首位，兼顾增容，用目前世界上最先进的ＣＦＤ技术进行水力优化设计，通过模型试验最终确定ＨＬＤ３１２－ＬＪ－４２３．１型立轴混流式水轮机。３．３改造内容

１）水轮机改造内容：转轮装配（含泄水锥、联接螺栓、螺母、销钉等）；主轴密封（包括检修密封）及相应的管路和表计；顶盖（含固定止漏环、真空破坏阀）；底环及基础环；导水机构传动部件（拐臂、连杆、连杆销）；导叶上、中、下轴套及套筒；导叶；补气装置；与改造有关的座环底部；与改造有关的尾水管里衬；２）发电机改造内容：发电机转子保留，定子全新拼装，包括发电机的定子机座、定子铁芯、定子线棒等，新定子直径近１０ｍ、重量近２５０ｔ。

４效益分析

　　４．１减振效益

　　由东江水电厂、东方电机厂、湖南省电力试验研究所三个单位组成的验收组，对３号机稳定性和机组效率及出力进行了实验验收。将机组工况分别稳定在：空载、１０ＭＷ、２０ＭＷ、……、１３０ＭＷ、满负荷，每个工况点稳定５ｍｉｎ～１０ｍｉｎ，待机组负荷稳定后，用测试仪录下机组各测点的振动、脉动以及噪声情况。

　　在试验过程中，安排专人监视机组的负荷、水位变化情况，详细记录与试验有关的背景参数，如：机组各导轴承的调整间隙值、主轴轴线偏差值、各稳定工况下的导叶开度、实际负荷、上下游水位、环境温度、环境湿度等。

　　通过鉴定，在水轮机室靠机坑里衬脚踏板上方１ｍ处、距尾水管和蜗壳进入门１ｍ处、距补气装置１ｍ处的噪音均小于８５ｄＢ；在正常运行工况下发电机上机架的水平方向双幅振动量小于０．１２ｍｍ，在对称负载下，定子铁芯１００Ｈｚ的双幅振动值小于０．０１ｍｍ，机组稳定性指标完全满足合同要求。这不仅使机组能更好的调频调相，改善电网电能质量，而且提高

土工膜是一种以高分子聚合物为基本原料的防水阻隔型材料。主要分为： 低密度聚乙烯LDPE土工膜、高密度聚乙烯HDPE土工膜和EVA土工膜。1.幅宽、厚度规格齐全。2.具有优良的耐环境应力开裂性能及优良的耐化学腐蚀性能。3.优良的耐化学腐蚀性能。4.具有较大的使用温度范围和较长的使用寿命。5.使用于垃圾填埋场、尾矿储存场、渠道防渗、堤坝防渗及地铁工程等。

　　４．２经济效益

　　通过实验鉴定，机组容量由１２５ＭＷ增加到１４５ＭＷ，提高了机组调峰能力，机组效率也比改造前有很大提高。以机组在水头１３０ｍ、出力１２５ＭＷ运行为例，机组效率由０．８７３增加到０．９３，过机流量由１１４ｍ３／ｓ减少到１０６ｍ３／ｓ，发电耗水率由３．３ｍ３／ｋＷ·ｈ减少到３．０５ｍ３／ｋＷ·ｈ。如果４台机都改造以后，仅此一项多年平均电量增发０．９亿ｋＷ·ｈ；特别是在防汛紧张期，满负荷发电流量由原来的４５６ｍ３／ｓ增加到５００．８ｍ３／ｓ，减少弃水，提高水量利用率，极大提高我厂的经济效益和防洪效益。

５结束语

　　东江机组减振增容改造工程是一项具有开创性和富有挑战性的系统工程，这样大规模的机组改造是我省水电机组改造史上的第一次。没有实战经验，全靠自己来摸索，在工作中遇到了许多意想不到的困难与难关。我厂技术人员和检修人员在挫折面前不气馁，困难面前不低头，发扬了勇猛顽强、连续作战、敢打敢拼的优良作风。精心组织施工，严格质量管理，严肃安全纪律。经过不懈的努力，按照预期目标完成了３号机改造任务，这标志着东江电厂机组检修安装水平达到一个新的高度。

　　东江水电站３号机减振增容改造，从立项到竣工历时５年，不仅提高了机组安全水平和经济效益，还为今后其它机组改造积累了丰富经验。