【導(dǎo)讀】2．4水輪機(jī)通流部件磨蝕嚴(yán)重，不能保證安全運(yùn)行………………………2．5原電站的裝機(jī)容量選擇偏小，具有增容的潛力………………………區(qū)45km，現(xiàn)總裝機(jī)容量115MW，年平均發(fā)電量?jī)|，點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的中型水力發(fā)電廠。計(jì)總裝機(jī)容量，1#、2#機(jī)組組成擴(kuò)大單元，配一臺(tái)63000kVA三卷變壓器；110kV側(cè)接線為五角型接線，戶外。1971年底主體工程土建部分基本完成。1974年開始安裝水輪發(fā)電機(jī)組，1975年。9月12日水庫開始蓄水。月28日和12月26日投產(chǎn)發(fā)電，至1976年底發(fā)電量為億kW·h。60MW提高到設(shè)計(jì)容量的75MW，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。開始安裝，1978年10月22日投產(chǎn)發(fā)電，全部3臺(tái)機(jī)組先后并入閩北電網(wǎng)運(yùn)行。年底，省計(jì)劃委員會(huì)召開安砂水電站竣工驗(yàn)收會(huì)議，正式交付生產(chǎn)管理單位。臺(tái)機(jī)組的總裝機(jī)容量達(dá)115MW。2020年4月1#機(jī)組更新改造后投運(yùn)，改造后該機(jī)。設(shè)備狀況一直良好。問題，且運(yùn)行年久，設(shè)備老化嚴(yán)重，主機(jī)方面存在著較多的問題。一是3#機(jī)組在中、圈端部封閉不嚴(yán)，轉(zhuǎn)子絕緣不合格。

　　

【正文】 49 輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑 1D 越小，水輪機(jī)的重量越輕，則水輪機(jī)的造價(jià)越低，但是，考慮到原3機(jī)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為 ，采用水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑 1D 為 ，可以利用原有預(yù)埋件（如座環(huán)、蝸殼、尾水管等埋件）約 200 噸左右，因此，初步推薦 3機(jī)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑保持 ，則額定流量 Qr 約在 147 sm/3 左右。 （ 3）額定轉(zhuǎn)速 nr 由于本工程的水頭范圍為 ～ ，該水頭段可供選擇的轉(zhuǎn)輪的 39。10n 均在68～ 80 之間，通過計(jì)算，知水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速 nr 取值為 12 或 150 rpm，額定轉(zhuǎn)速越高，發(fā)電機(jī)的重量越輕，從而可以降低機(jī)組的造價(jià)，但是，發(fā)電機(jī)的重量越輕，那么機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 GD2 就相應(yīng)越小，機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行也越差，通過調(diào)節(jié)保證計(jì)算，機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 GD2 值須在 以上，所以，本階段推薦額定轉(zhuǎn)速 nr 為 rpm或 150 rpm，且 GD2 ≥ 。 （ 4）水輪機(jī)吸出高度 Hs 和安裝高程 ▽ 安 混流式機(jī)組的安裝高程由兩個(gè)條件決定：其一滿足水輪機(jī)汽蝕的要求，其二要滿足尾水管出口的淹沒深度 ≥ 。原 3機(jī)組的安裝高程 ▽ 安 為 ▽ ，其相應(yīng)的吸出高度（至導(dǎo)葉中心線）為 ，轉(zhuǎn)輪臨界空化系數(shù) σC 為 , 電站空蝕系數(shù) σZ 為 ， K= σZ/σC ≈ 。根據(jù) Hs ≤10－ E/900－ （其中 E 為電站海拔高程）， 10－ E/900 是個(gè)定值，要想保持機(jī)組的安裝高程為 ▽ 不變，尤其希望技改后的轉(zhuǎn)輪的 值能 小些，即〔 〕 改 /〔 〕 原 ≤ 1，而 技改方案擬將額定水頭從 60m 提高到 65m，〔 60〕 /〔 65σZ〕 ≤ 1，得出 σZ ≤ ，即 KσC ≤ 。 目前，隨著水輪機(jī)制造、設(shè)計(jì)能力不斷的提高，如通過適當(dāng)改變?cè)?HL702 轉(zhuǎn)輪葉片厚度分布規(guī)律（減小葉片最大厚度，增加葉片的葉柵密度）等措施，也能改善葉片的汽蝕性能，轉(zhuǎn)輪臨界空化系數(shù) σC 值也有較大的降低，且原 3機(jī)的輪葉的材質(zhì)為 ZG20SiMn，通過改造后的輪葉的材質(zhì)基本上采用不銹鋼， K 值可降低至 左右，電站空 蝕系數(shù) σZ 也隨之而降低；技改后的額定流量 Qr 擬 取 147 sm/3 左右，與原 3機(jī)的額定流量 146 sm/3 相近，尾水位變幅很?。◤脑?▽ 變?yōu)?▽ ）。 綜上所述，保持機(jī)組的安裝高程為 ▽ ，認(rèn)為是可行的。 華電福建安砂水力發(fā)電廠 3 號(hào)機(jī)組改造可行性研究 4 改造可行性分析 410 （ 5）轉(zhuǎn)輪的比選 通過以上的分析，初步得出水輪機(jī)的基本參數(shù)，同時(shí)向國內(nèi)幾個(gè)水輪發(fā)電機(jī)制造廠家進(jìn)行了廣泛的收資，見表 441： 從表 441 可知 ，三個(gè)方案的轉(zhuǎn)輪直徑與原水輪機(jī)相同，基礎(chǔ)環(huán)等埋設(shè)件可基本不需改變，吸出高度的安全裕量滿足水輪機(jī)運(yùn)行要求，而方案 Ⅲ 的發(fā)電機(jī) GD2 值只有 ，不能滿足過渡過程要求，方案 I、方案 Ⅱ 的發(fā)電機(jī) GD2 值能滿足過渡過程要求，三個(gè)方案的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶軸重量均小于主廠房?jī)?nèi)已裝有 2200t 雙小車橋機(jī)額定起重量。 綜上所述，本階段設(shè)計(jì)考慮以安全穩(wěn)定運(yùn)行為前提，不片面追求高指標(biāo)，合理的選取適合本電站的水輪機(jī)的基本參數(shù)，以基本保持原機(jī)組其他通流部件的尺寸及廠房水工構(gòu)筑物的條件下，以較為經(jīng)濟(jì)的方式來提高水輪機(jī)的出力和機(jī)組 的發(fā)電量，故設(shè)計(jì)推薦增容改造方案的水輪機(jī)主要參數(shù)如下： 轉(zhuǎn)輪直徑 額定功率 額定水頭 65m 額定流量 約 額定轉(zhuǎn)速 ≥額定效率 ≥ % 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 GD2 ≥ 建議在下一階段水輪發(fā)電機(jī)組招標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合水電設(shè)備廠提供的最終參數(shù)，深入調(diào)研 ，選擇適合本電站且能量指標(biāo)及空蝕性能均較優(yōu)的水輪機(jī)。 華電福建安砂水力發(fā)電廠 3 號(hào)機(jī)組改造可行性研究 4 改造可行性分析 411 水輪發(fā)電機(jī)主要參數(shù)比較表 表 441 方案 參 數(shù) 方案 Ⅰ 方案 Ⅱ 方案 Ⅲ 1．水輪機(jī) 型 號(hào) HLZF70LJ410 HLX75ELJ410 HLA835CLJ410 最大水頭 m 額定水頭 m 最小水頭 m 額定轉(zhuǎn)速 r/min 150 轉(zhuǎn)輪直徑 D1 m 水輪機(jī)額定功率 MW 額定工況點(diǎn)效率 % 最高效率 % 額定流量 m3/s 臨界空蝕系數(shù) σc 電站空蝕系數(shù) σz K=σz/σc 允許吸出高度 m － 安裝高程 m 2．發(fā)電機(jī) 型號(hào) SF8544/8540 SF8544/8540 SF8540/8540 額 定容量 MVA 100 額定功率 MW 85 額定工況效率 額定電壓 kV GD2 值 t． m2 13700 13800 12800 最重起吊件重量（不含吊具） t 360 365 345 華電福建安砂水力發(fā)電廠 3 號(hào)機(jī)組改造可行性研究 4 改造可行性分析 412 4． 4． 6 主廠房橋式起重機(jī) 安砂電站主廠房?jī)?nèi)已裝有 1 臺(tái) 2200t 雙小車橋式起重機(jī)。 3機(jī)增容改造后，最重起吊件是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶軸，重量約 365t，因此原有的橋機(jī)起重量是可以滿足起吊要求的。 4． 5 電工 4． 5． 1 接入電力系統(tǒng)方式 安砂水電廠水庫為季調(diào) 節(jié)水庫，本電站在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用，是福建省電網(wǎng)的主力電站之一。 電站以三回 110kV出線和四回 35kV出線接入電網(wǎng)。 3機(jī)增容改造后， 3機(jī)組的容量由 75MW改造為 85MW，電站總裝機(jī)容量為125MW。電站的接入電力系統(tǒng)方式不變。 4． 5． 2 電氣主接線 本電站原電氣主接線 110kV 側(cè)接線為二進(jìn)三出五角形接線； 35kV 側(cè)為一進(jìn)四出單母線接線； 2發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓 , 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組成發(fā)電機(jī)組擴(kuò)大單元接線，經(jīng)三繞組變壓器（下稱 1主變）升壓后接入系統(tǒng)，高壓側(cè)電壓等級(jí)為 110kV，中壓側(cè)電壓等級(jí)為 35kV。； 3發(fā)電機(jī)與雙繞組變壓器（下稱 2主變）組成單元接線，升壓至 110kV 后接入系統(tǒng)， 1 主變額定容量為 63MVA ，電壓比為121177。2%/35177。2%/ 。 2 主 變 額 定 容 量 為 120MVA ， 電 壓 比 為121177。2%/。 廠用電源二回分別取自 2機(jī)的擴(kuò)大單元發(fā)電機(jī)電壓母線和 3機(jī)發(fā)電機(jī)電壓母線。 3發(fā)電機(jī)增容改造后，其接線方式維持原有主接線方式不變。廠用電負(fù)荷變化較小，也維持原有接線方式不變。 電氣主接線見附圖（ ASJGK55002）。 4． 5． 3 水輪發(fā)電機(jī)參數(shù)選擇和主要電氣設(shè)備復(fù)核 （ 1）水輪發(fā)電機(jī)參數(shù)選擇 安砂水電廠主廠房?jī)?nèi)布置有三臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組， 1~3機(jī)容量分別為 20MW、華電福建安砂水力發(fā)電廠 3 號(hào)機(jī)組改造可行性研究 4 改造可行性分析 413 20MW 和 75MW，安裝場(chǎng)位于主廠房左端，發(fā)電機(jī)層高程為 。 3機(jī)組段長，寬為 21m，風(fēng)罩墻內(nèi)徑為 ，水輪機(jī)室內(nèi)徑為 6m。原 3水輪發(fā)電機(jī)組為天津發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)， 1975 年投產(chǎn)，主要參數(shù)如下： 型號(hào) TS854/19044 額定容量 額定功率 75MW 額定電壓 kV 額定電流 A 額定功率因數(shù) （滯后） 額定轉(zhuǎn)速 r/min 額定頻率 50 Hz 額定勵(lì)磁電壓 316 V 額定勵(lì)磁電流 1115 A 相數(shù) 三相 3水輪發(fā)電機(jī)組改造的選型受原 3機(jī)布置型式和廠房布置尺寸的限制。在水工結(jié)構(gòu)尺寸基本不變的條件下，結(jié)合水輪機(jī)的參數(shù)選擇，選擇 3 發(fā)電機(jī)的型式和參數(shù)。發(fā)電機(jī)容量為 85MW，額定轉(zhuǎn)速為 r/min，發(fā)電機(jī)額定電壓與原機(jī)組相同 ,即，發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如下： 型號(hào) SF8544/8540 額定容量 100MVA 額定功率 85MW 額定電壓 kV 額定電流 4184 A 額定功率因數(shù) （滯后） 額定轉(zhuǎn)速 r/min 額定頻率 50 Hz 相數(shù) 三相 華電福建安砂水力發(fā)電廠 3 號(hào)機(jī)組改造可行性研究 4 改造可行性分析 414 勵(lì)磁方式 可控硅靜止勵(lì)磁 （ 2）短路電流計(jì)算成果 本次改造不改變電廠的主接線方式和高壓設(shè)備的布置，只對(duì) 3機(jī)進(jìn)行增容改造，在此條件下，對(duì)有關(guān)電氣設(shè)備進(jìn)行復(fù)核或選擇。 短路電流計(jì)算阻抗圖如下，系統(tǒng)提供的 110kV母線最大短路容量為 1470MVA（由安砂水電廠提供）。計(jì)算結(jié)果見短路電流計(jì)算結(jié)果表 451。 華電福建安砂水力發(fā)電廠 3 號(hào)機(jī)組改造可行性研究 4 改造可行性分析 415 短路電流計(jì)算結(jié)果表 表 451 短路電流 短路電流有效值 I（ KA） 短路電流 起始容量 短路點(diǎn) 短路點(diǎn) 電源 周期分量 峰值 峰值 編號(hào) 平均電壓 名稱 起始值 秒 秒 4 秒 ich（ KA） S（ MVA） （ KV） Io（ KA） 3G 1G d1 2G 35S 110S 總計(jì) 3G 1G d2 2G 35S 110S 總計(jì) 3G 1G d3 115 2G 35S 110S 1470 總計(jì) 3G 1G d4 37 2G 35S 110S 總計(jì) （ 3）主要電氣設(shè)備選擇、復(fù)核 ① 主變壓器復(fù)核 目前運(yùn)行的 2主變壓器容量能滿足 3水輪發(fā)電機(jī)組增容改造后的需要。 華電福建安砂水力發(fā)電廠 3 號(hào)機(jī)組改造可行性研究 4 改造可行性分析 416 2＃主變壓器型號(hào) SFPQ10－ 120200/110 額定容量 120200 kVA 額定電壓 121177。2%/ 連接組別 Y0/△ 11 冷卻方式 OFAF 阻抗電壓 ② 3發(fā)電機(jī)出口斷路器復(fù)核 已經(jīng)更換的 3發(fā) 電機(jī)出口斷路器型號(hào)及主要參數(shù)如下： 斷路器型號(hào) HGI3（ SF6 開關(guān)） 額定電壓 kV 額定電流 6000 A 額定開斷電流 87 kA 額定關(guān)合電流峰值 170 kA 數(shù)量 1 組 3發(fā)電機(jī)出口斷路器滿足 3水輪發(fā)電機(jī)組增容改造后的需要。 ③ 發(fā)電機(jī)母線復(fù)核 原發(fā)電機(jī)電壓雙槽型鋁母線（ 2[150X65X7）長期允許載流量為 5650A，考慮系數(shù)取 則為 4520A，經(jīng)計(jì)算可以滿足要求。 ④ 2主變和開關(guān)站 110 kV 引接母線復(fù)核 原 LGJQ300 的工作電流為 690A，考慮 3＃機(jī)組的 100MVA 及 1＃主變 63MVA同時(shí)輸出則匯總電流為 778A，不滿足要求，故開關(guān)站 110 kV 匯流母線 LGJQ300 鋼芯鋁絞線須更換為 LGJQ400 鋼芯鋁絞線，其工作電流為 835A。 ⑤ 3＃機(jī)組中性點(diǎn)設(shè)備 原消弧線圈為 XDJ1－ 80／ 15，滿足 3＃機(jī)組增容要求。 ⑥ 2廠壩變高壓開關(guān) 2廠壩變高壓開關(guān)額定開斷電流為 63kA，滿足 3＃機(jī)組增容要求。 ⑦ 其它主要電氣設(shè)備 華電福建安砂水力發(fā)電廠 3 號(hào)機(jī)組改造可行性研究 4 改造可行性分析 417 3發(fā)電機(jī)回路的電流互感器 4000/5A 的須更換為 5000/5A ， 2＃廠壩變差動(dòng)用的電流互感器 4000/5A 須更換為 5000/5A。 a. 3機(jī)出口電流互感器 型號(hào) LMZ115 5000/5A 額定電壓 15 kV 準(zhǔn)確度等級(jí) 數(shù)量 3 只 b. 3機(jī)中性點(diǎn)電流互感器 型號(hào) LMCD15 5000/5A 額定電壓 15 kV 準(zhǔn)確度等級(jí) D/D/ 數(shù)量 3 只 c.