對水輪發(fā)電機組技術(shù)改造及運行方式的研究

[摘要]水輪發(fā)電機組是水電站的重要設(shè)備，能否保證水輪發(fā)電機組長期、正常運行會直接影響到水電站的經(jīng)濟效益。近幾年全國各地不少小水電站在對水輪發(fā)電機進行改造中摸索了一些行之有效的方法，以下本文結(jié)合工作經(jīng)驗對水輪發(fā)電機組技術(shù)改造及運行方式進行分析研究，以供同行參考。

[關(guān)鍵詞]水輪發(fā)電機組；技術(shù)改造；運行方式；研究

1、概述

水電站技術(shù)改造中最重要的內(nèi)容是水輪發(fā)電機組的技術(shù)改造。不少水電站除轉(zhuǎn)輪需更換外，水輪機運行情況良好，可超出力運行的情況較多。而發(fā)電機老化嚴(yán)重，不能滿足水機的超出力運行。這是因為早年生產(chǎn)的水輪發(fā)電機受當(dāng)時的設(shè)計水平、材料質(zhì)量、生產(chǎn)技術(shù)和制造工藝的限制，造成初裝缺陷，又經(jīng)多年運行，使發(fā)電機絕緣老化，線圈松動，鐵損增加，運行噪音大，溫升高，效率低。在一些小水電站中，對這類舊發(fā)電機的技術(shù)改造潛力很大。另一方面，隨著近年來科技的發(fā)展，發(fā)電機的設(shè)計、制造水平有了很大的提高，新材料、新工藝的應(yīng)用日益廣泛，因此對水輪發(fā)電機進行技術(shù)更新、挖潛改造、擴機增容是不難實現(xiàn)的。

2、技術(shù)改造的必要性及要遵循的原則

現(xiàn)代科技的不斷進步為水電站的技術(shù)改造創(chuàng)造了條件。對老水電站的技術(shù)改造可以收到投資少、收益大、施工期短、投資回報快的效果。眾所周知，早期小型水電站的機組選型一般只按當(dāng)時所頒布的系列型譜選擇水輪機型號和標(biāo)準(zhǔn)直徑，造成機組實際運行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)不符，使機組長期達(dá)不到額定出力或偏離最優(yōu)工況運行。據(jù)調(diào)查，有些小型水電站選擇的設(shè)計工況偏離運行最優(yōu)工況甚遠(yuǎn)，造成水能資源的浪費；有的電站由于運行年久，設(shè)備老化嚴(yán)重，致使出力下降；有的因選用的設(shè)備制造質(zhì)量差或有嚴(yán)重缺陷，還存在安全運行可靠性差的問題；加上管理水平不高，使機組長期帶病運行，從而加速了設(shè)備的損壞，這也是小型水電站存在的通病，而所有這些因素都使更新改造成為當(dāng)務(wù)之急。然而技改的成功實施必須遵循從實際出發(fā)，根據(jù)原有工程狀況，充分做好技改的技術(shù)經(jīng)濟論證，力求技術(shù)先進、經(jīng)濟合理，盡量采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，慎重選擇設(shè)備制造商等原則，以保證設(shè)備質(zhì)量的先進性和可靠性。同時，工程的更新改造必須符合相關(guān)規(guī)程規(guī)范，并嚴(yán)格執(zhí)行審報手續(xù)和竣工驗收的有關(guān)程序。另外，投資回報年限也是技改成功與否的重要指標(biāo)之一，一般小型水電站的投資回報年限以3年左右為好。

3、改造中應(yīng)注意的問題

改造前應(yīng)做好可行性分析報告。通過對多年水文資料和電站運行工況分析，請發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)廠專業(yè)技術(shù)人員利用計算機將各水頭水能效益進行綜合分析和對發(fā)電機電磁參數(shù)進行優(yōu)化計算，列出改造方案比較表，然后邀請有關(guān)專家，起到了少花錢辦好事的效果。對于水機轉(zhuǎn)輪更換及發(fā)電機定，轉(zhuǎn)子線圈更新同樣應(yīng)做好改造可行性分析。同時為驗證改造后機組性能，有必要進行導(dǎo)葉開度與發(fā)電機出力對比試驗；發(fā)電機定，轉(zhuǎn)子溫升試驗。最好做一下機組效率試驗，以驗證改造的效果，并將試驗結(jié)果存檔。

4、水電水輪發(fā)電機的改造措施

水電水輪發(fā)電機技術(shù)改造的主要措施有以下幾條：

1)更新定、轉(zhuǎn)子繞組的絕緣。早期生產(chǎn)的水輪發(fā)電機絕緣材料多采用瀝青云母材料，屬于B級絕緣。改造中采用F級的環(huán)氧粉云母材料和F級的絕緣工藝，可提高發(fā)電機的耐電壓性能和耐溫性能，并減小絕緣材料的單面厚度。采用先進的浸漆、烘焙工藝，填充線圈間及線圈與鐵心的空隙，可增加電機的絕緣、散熱效果，降低溫升。因為發(fā)電機質(zhì)量的好壞、壽命的長短就在于絕緣材料，所以改進絕緣結(jié)構(gòu)是發(fā)電機技術(shù)改造中最有效的方法。按《水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件》規(guī)定，F(xiàn)級絕緣的最高允許溫度，定子繞組為140℃，轉(zhuǎn)子繞組為150℃。

2)在發(fā)電機絕緣水平提高、絕緣減薄的基礎(chǔ)上，可增加定子繞組銅線的截面，提高線圈的槽滿率，由此可增大電機的線負(fù)荷，提高發(fā)電機輸出功率，達(dá)到增容的目的。同時也可降低繞組的電流密度，使銅耗減小，溫升下降。更新線圈可采用先進工藝，如天津發(fā)電設(shè)備廠的“無間隙嵌線”專利新技術(shù)和線圈連焊新工藝；定子線圈制作采用二次熱壓二次整形工藝，使線圈導(dǎo)線排列整齊、匝間粘結(jié)牢固，線圈形狀一致性好；定子線圈端部可采用目前大電機上采用的綁扎材料綁扎，可保證綁扎牢固、通風(fēng)好、不易老化。轉(zhuǎn)子繞組可加裝散熱匝；轉(zhuǎn)子線圈對地絕緣采用上下端面900翻邊結(jié)構(gòu)，可有效阻止發(fā)電機長期運行中灰塵、油污進入磁極鐵心與線圈之間，并提高對地耐壓能力。

3)定子鐵心采用高質(zhì)量的導(dǎo)磁材料，如低損耗、高導(dǎo)磁冷軋無取向硅鋼片，提高迭裝系數(shù)，可減小定子鐵心損耗，提高發(fā)電機運行效率。

4)改進發(fā)電機通風(fēng)結(jié)構(gòu)。采用3維溫度場的科研成果設(shè)計發(fā)電機的散熱，根據(jù)不同季節(jié)、發(fā)電機的不同出力情況、風(fēng)溫的高低，調(diào)節(jié)發(fā)電機風(fēng)量；降低熱風(fēng)溫度，減小風(fēng)摩損耗，提高發(fā)電機的出力和使用壽命。

5)采用電子計算機優(yōu)化設(shè)計。利用計算機設(shè)計軟件進行電磁計算，確定最佳技改方案，設(shè)計發(fā)電機的電磁性能，選擇最合理的結(jié)構(gòu)尺寸。

5、水輪發(fā)電機組的運行方式

水輪發(fā)電機組的運行方式，按帶負(fù)荷方式有并網(wǎng)運行、單機運行兩種基本方式，按調(diào)速器控制方式有自動運行、手動運行兩種方式。各種運行方式及其要點在下表中簡要列出。

5.1 水輪發(fā)電機機組帶負(fù)荷運行中應(yīng)該注意的問題

并網(wǎng)運行是中小水輪發(fā)電機組的基本運行方式。并網(wǎng)運行機組運行工況的改變，要通過控制設(shè)備的切換來進行，如自動＝液壓手動、發(fā)電＝調(diào)相等。運行方式的切換，應(yīng)按運行操作規(guī)程進行，以保持切換中機組穩(wěn)定與安全。并網(wǎng)運行機組的調(diào)速器永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)b值，要根據(jù)機組在系統(tǒng)中的地位及擔(dān)任負(fù)荷的性質(zhì)來確定。中小機組并入大電網(wǎng)都擔(dān)任基荷，其調(diào)速器的b值取8％。當(dāng)系統(tǒng)的變化負(fù)荷可為調(diào)頻、調(diào)峰機組所承擔(dān)，保持系統(tǒng)頻率不變時，該b=8％的機組負(fù)荷維持不變。只有當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化較大，引起系統(tǒng)穩(wěn)定頻率有改變時，該機組的負(fù)荷才會有少許相應(yīng)改變。如果并在大電網(wǎng)的小機組誤把b調(diào)成很小值甚至為零，則該機組會在滿載和零值之間發(fā)生功率擺動。只有系統(tǒng)的無差調(diào)頻機組，才允許b值調(diào)整為零。

機組單機帶孤立負(fù)荷運行，則孤立小系統(tǒng)的所有負(fù)荷都由一臺機組承擔(dān)。這種情況下運行的機組，對其調(diào)速器、勵磁裝置的自動調(diào)節(jié)功能將有較高要求，以保證既滿足用戶有功負(fù)荷、無功負(fù)荷需求，又保證電能頻率和電壓的穩(wěn)定。

5.2 試運行機組帶負(fù)荷試驗

試運行機組首次帶負(fù)荷運行試驗，要采用逐漸加大負(fù)荷的方式，并分別在小負(fù)荷、中等負(fù)荷、較大負(fù)荷和滿載下穩(wěn)定運行一定時間，以便在各種負(fù)荷下全面檢驗機組的水力的、機械的、電氣的性能。

在逐漸增加負(fù)荷的過程中，要仔細(xì)尋找機組可能存在的振動區(qū)，以便正常運行時避開這個不利的工況。

對于試運行機組還要進行甩負(fù)荷試驗。甩負(fù)荷試驗要在周密準(zhǔn)備、統(tǒng)一組織下進行，要嚴(yán)格按著額定負(fù)荷的25％、50％、75％、100％的順序由小到大逐級進行。只有當(dāng)小負(fù)荷b進行的甩負(fù)荷試驗一切正常，即機組水壓上升、轉(zhuǎn)速上升的最大值和過渡過程都符合規(guī)定要求，不超過允許值，無任何異常情況時，才允許進行甩更大一級負(fù)荷試驗。甩負(fù)荷試驗過程要嚴(yán)密監(jiān)視機組的水、機、電等一切情況，并要對主要數(shù)據(jù)做好記錄。

6、結(jié)論

水輪發(fā)電機組是整個電站的主要設(shè)備之一，做好水輪發(fā)電機組的改造，將提高水輪機的運行效率，增加年發(fā)電量，同時為國家提供更多的電力能源，減少二氧化碳排放，因此應(yīng)該重視水輪發(fā)電機組的改造及安全運行。