欧洲大型转桨式水轮机的增容改造

欧洲大型转桨式水轮机的增容改造

30吨垂直式挖掘机安装在一辆欧洲大型机组上，最大容量为欧洲同步装置，其次是直径为其次的直径。目前,机组运行时间均已超过20万h。机组老化导致维修费和运行风险加大。作为客户的水电股份公司(前RENEL公司),与VATECH水电公司(原苏尔茨水电公司),于1997年10月签订了总承包合同。对6台机组及其辅助系统(调速系统、以及自动控制系统等)进行增容改造。单一合同将使该项总承包工程完成得更快,且有质量保证。下列目标已全部达到:(1)提高设备的可靠性和电站的利用率,延长运行寿命;(2)由于水轮机效率提高,流量增加,使电站的发电量增加约12%。更重要的是,改造后的发电质量更高(日间/峰荷电能更多),导致非常好的投资率(效益/费用比和改造机组费用);(3)由于安装了新的冗余自动控制系统以及诊断系统,电站日常运行得以优化。1工程特点及学校设备修建铁门1号水电站和航运系统,对300km长的多瑙河段的水力资源进行了开发,其中132km长的河段位于罗马尼亚——塞尔维亚边境。在平均水文年,可开发的理论蕴藏量为12800GW·h,其中有80%为跨国的公共部分(铁门水电站河段多瑙河的水力蕴藏量是欧洲最丰富的)。铁门1号电站由罗马尼亚和塞尔维亚共有,呈对称布置。主要特征如下:(1)混凝土重力坝,设有整体溢洪道,坝高60m,坝顶长441m。大坝位于河床中部,有14个宽度为25m坝段,由13个7m宽的隔墩将其分开,装有14.86m高的钩形闸门;(2)2座发电站,两岸各一座,每座电站高74.4m,长214m。总装机容量为2100MW。每座电站厂房装有6台178MW转桨式机组,转轮直径为9.5m。罗马尼亚电站的首批2台机组于1970年投运,其余4台机组于1971年投运。首批3台机组由前苏联公司制造(LMZ生产水轮机,电力股份公司生产发电机)。其余3台机组由罗马尼亚UCMResita公司生产;(3)2个2级船闸,两岸各布置一个,船闸水头34m。各有2个长310m、宽34m的闸室,并装备有3扇液压操作检修闸门;(4)在塞尔维亚河岸布置有一座400kV开关站,在罗马尼亚河岸则布置有一座220kV和一座400kV开关站。2新叶片水力模型1993年以来,VATECH水电公司一直在从事该项工程的工作。为了向客户提出更优的建议,该公司对几个部位进行了勘测和研究。1995年开始初步研究,以确定水力学改造的可能性。由于下游铁门Ⅱ号电站于1985年投入运行,因此,增加水头和流量就必须修改与水轮机改造有关研究的主要输入数据。因为不能对水道进行修改,所以只能用新转轮叶片来改善其运行特性,以满足新的要求。对所有主要工作点采用数字(水流模拟)对现有转轮进行分析。鉴别出现有叶片断面的缺点,并与新的数值设计叶片进行比较。找到提高效率、改善空蚀特性和最大流量的潜力。新叶片水力模型是根据水力工程师和机械工程师的经验设计的。该设计涉及计算机设计、机械尺寸计算及校核、模型转轮的制作、初步试验、水力与机械特性评估以及模型验收试验。初步试验是在瑞士苏黎世市承包商的试验室进行的,验收试验则在中立的试验室采用同样的模型完成。根据国际电工委员会(IEC)标准规定,采用转轮直径D1为308mm的模型对保证性能进行验证。1998年10月,在中立的试验室成功进行了模型验收试验,从而结束了诊断阶段的工作。由于效率和流量的增大(增大功率3%),使功率得到了提高。3发电机设备电站增容改造的目的,除了提高功率、效率和空蚀特性,还要提高主要部件(如桨叶、水轮机轴、固定导叶、发电机等等)的安全性。在下列前提下,采用技术方案:(1)由顾客提供运行和维修资料;(2)原设备的详图;(3)承包商具有改造与更新类似设备的经验。至于那些只有在拆卸机组以后才能确定其状况的零部件(如水轮机顶盖、桨叶机构和辅助发电机),则应根据现场和工厂检查情况采用技术方案,并在拆卸之后进行试验。3.1周边机关的结构改造VATECH水电公司采用有限元法对主要水轮机部件进行强度计算,这样确定的设计与制造方法,能保证水轮机组在改造之后可适当延长其使用寿命。所有水轮机的桨叶换成新的。新桨叶的几何结构和水力断面经过模型试验。根据对旋转轴荷载应变测量进行认真分析之后,建议更换了水轮机轴。为了缩短改造工期,为第一台机组提供了全套新转轮,然后,将从该机组拆下的转轮轮毂和桨叶控制机构改造后用于第二台机组。对其他机组以此类推。其他部件在进行某些改进、结构修改和更新以后可以重新使用。水轮机的下列部件,适宜作主要结构修改:(1)为了减小水力振动及由此而产生的断裂危险,对固定导叶出水边进行修改;(2)采用特殊方法(称为移动式车床)对转轮室抛光、喷砂除锈、表层使用了一层不锈钢,以及精机加工,使转轮室和桨叶外径之间保持必要的间隙(6mm);(3)导叶枢轴、控制杆、联杆和控制环安装新的自润滑轴承;(4)安装机组高压油顶起系统,用于开停机时推力轴承的润滑,相应改造乌金轴瓦,以及用安装在油箱外的4个热交换器替换轴承油箱里的20个现有冷却器,用油泵进行油循环;(5)32片导叶安装16个剪断销(每2片导叶用一个剪断销);(6)在轴承扇形体和调整螺栓之间的轴承箱中安装球窝支架;(7)改进主轴密封设计(同时,检修密封包括在自动开停机顺序中作为静止密封);(8)增加加劲肋,加固水轮机顶盖。水轮机的主要修改参数示于表1。3.2机械脉冲色谱仪器调速系统作了大规模的设备更新。只有油压装置(油箱和压力油罐)和主配压阀未更换。主要更新部件如下:(1)由冗余的电子液压操作机构替代原有的包括机械导叶开度限制设备的操作机构,每台水轮机安装2台独立的DTL595型电子调速器;(2)全部更换反馈装置、所有控制参数(位置、压力、油位、行程等等)的传感器、阀和液压回路测量仪表;(3)更换油泵,油箱与压力油罐的仪器;(4)用新的测速仪器替换原测速装置,在水轮机导轴承上方新的水轮机轴表面安装机械脉冲测速轮,根据机械脉冲计数测速。全部更换水轮机轴和液压回路的测量和诊断装置,增加监测空蚀和振动的诊断传感器。3.3重新设计的转子铁心发电机改造的分包商是阿尔斯通公司(原ABB)。为发电机所作的场地检查,包括联机诊断测量(局部放电、气隙、振动)表明,必须更新发电机定子。这部分工程概述如下:(1)根据阿尔斯通公司的经验,按照现代技术和经济标准,重新设计全新的定子铁心。其外径和内径尺寸有所增大,但是磁铁心有效部分的高度不变。重新设计定子绕组,采用的标准和材料已在其他工程中证明是可靠的。(2)转子方面,修改上支架转子磁轭的轴向加楔,而上支架和转子磁轭则在改造之后被重新使用。磁极铁心阻尼绕组在进行检测与修理之后也被重新使用。线圈是全新的,而且根据发电机增容进行了重新设计。(3)定子铁心、定子绕组和辅助发电机磁极全部为新的。(4)发电机冷却、消防和供暖系统也全部为新的。发电机的主要修改参数示于表2。3.4制室设备现代化改造在对总的状态和现有控制系统情况进行分析和研究之后,确定了该系统的改造方案。由于必须对控制室设备进行现代化改造,确保其安全性、有效性以及控制系统和保护系统的自诊断能力,该部分合同应包括以下范围:(1)冗余的自动装置、安全分散的控制系统和光纤总线系统;(2)联合控制系统;(3)诊断与监测系统;(4)冗余保护系统;(5)低压配电系统和新电缆安装。4主要系统改造结果改造工期,从合同签订之日(1997年10月)起共90个月(7.5a)。主要工序概括如下:(1)模型试验;(2)生产新部件(桨叶、水轮机轴、发电机定子和辅助发电机的磁极绕组部件等等);(3)全部拆除机组及辅助系统;(4)水轮机和发电机所有主要构件的检查和试验,最终确定所需的工程量;(5)(罗马尼亚分包商UCMResita)用于改造所有剩余水轮机、发电机和辅助系统构件的场地和车间;(6)全套防锈处理;(7)重新装配水轮机、发电机和辅助系统(拆卸、防锈处理和重装配工程由罗马尼亚分包商EnergomontajSA完成);(8)投产和验收试验、客户操作和维修人员培训。改造后的首台机组已于2000年9月8日顺利移交给客户,第二台机组于2001年8月14日移交。第三台机组计划于2002年6月移交。首批2台改造后机组的商业运行,证明工程质量优良,达到了保证参数。5罗马法5港大、固碳法5大悬索机发电机组由于VATECH水电公司在铁门Ⅰ号电站改造和增容工程中发挥了重要作用,所以水电股份公司又与VATECH水电公司签订了下游铁门Ⅱ号电站的现代化改造