水輪發(fā)電機(jī)組增容改造技術(shù)分析

蒙長征， 楊 平

（1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司， 廣西 南寧 530000；2.韶關(guān)市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司， 廣東 韶關(guān) 512000）

0 引言

水電是清潔能源，可再生、無污染。 中國水能資源蘊(yùn)藏量、可開發(fā)的水能資源居世界第一位。 改革開放以來，水電事業(yè)飛速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)至2018 年底，中國水電總裝機(jī)容量約3.5 億kW，穩(wěn)居世界第一。 然而，很多電站經(jīng)歷多年運(yùn)行，設(shè)備老化，安全可靠性下降，效率偏低，迫切需要改造。另一方面，轉(zhuǎn)輪研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，效率更高、過流量更大的新型轉(zhuǎn)輪涌現(xiàn)，發(fā)電機(jī)繞組制造技術(shù)的進(jìn)步，新材料的應(yīng)用，以及通風(fēng)冷卻及軸承冷卻系統(tǒng)的的改善，為機(jī)機(jī)組增容改造的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的保證。

1 水輪機(jī)增容改造的必要性及方法

1.1 水輪機(jī)改造必要性

多數(shù)老電站水輪機(jī)受生產(chǎn)時(shí)技術(shù)條件限制， 機(jī)組效率較低，水輪機(jī)經(jīng)過多年的運(yùn)行，可能出現(xiàn)一系列問題，如過流部件磨損、轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞，密封磨損，漏水漏油量大，機(jī)組振動(dòng)加劇，設(shè)備局部產(chǎn)生裂紋等。 設(shè)備老化導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行安全性穩(wěn)定性降低， 增加維修次數(shù)及維修成本，出現(xiàn)無謂的棄水現(xiàn)象。 有些電站的水文條件發(fā)生了變化，原設(shè)計(jì)過于保守，水輪機(jī)組當(dāng)年技術(shù)水平低、老化磨蝕嚴(yán)重，效率降低低，電站無法發(fā)揮正常的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

隨著技術(shù)的發(fā)展，各種效率高、過流能力強(qiáng)、氣蝕性能好的新型轉(zhuǎn)輪模型得到了應(yīng)用，用新型機(jī)組更換后，機(jī)組出力效率將大大提高，單位發(fā)電量增加，水能利用率提高，大大增加年發(fā)電總量，增加經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 水輪機(jī)增容改造方法

水輪機(jī)增容改造首先應(yīng)進(jìn)行可行性報(bào)告并獲得批準(zhǔn)。 應(yīng)根據(jù)水文計(jì)算成果，結(jié)合電站多年運(yùn)行記錄，統(tǒng)計(jì)年棄水天數(shù)，綜合判斷并確定電站機(jī)組增容空間。 如有明顯的增容空間，則通過水力計(jì)算，確定是否需要更換為效率更高過流量更大的優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)輪，以滿足增容要求。 如果增容空間不明顯， 根據(jù)目前國內(nèi)水輪機(jī)研制單位研制的新轉(zhuǎn)輪技術(shù)資料及生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)情況， 結(jié)合技術(shù)改造項(xiàng)目盡量不改動(dòng)建筑物為原則，在單機(jī)容量容許范圍，盡可能選用與原機(jī)型相同的機(jī)組， 根據(jù)水力計(jì)算采用新型高效率轉(zhuǎn)輪更換原有轉(zhuǎn)輪提高機(jī)組效率， 達(dá)到增加發(fā)電總量，增加經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1.2.1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的改造

根據(jù)水力計(jì)算確定更換新轉(zhuǎn)輪或修復(fù)舊轉(zhuǎn)輪。 更換新轉(zhuǎn)輪時(shí)一個(gè)極為重要的工作， 是在電站實(shí)地精準(zhǔn)測量新轉(zhuǎn)輪與原有結(jié)構(gòu)的配合尺寸，以確保配合成功。舊轉(zhuǎn)輪的修復(fù)則通過補(bǔ)焊、加工等，還原原有形狀。

1.2.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)改造

經(jīng)過多年運(yùn)行， 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的導(dǎo)葉受到含沙水流的沖刷磨損或者氣蝕等導(dǎo)致導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水， 機(jī)組效率下降等現(xiàn)象，有些機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)全關(guān)狀態(tài)下漏水量過大，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分還會(huì)出現(xiàn)蠕動(dòng)現(xiàn)象，根據(jù)磨損或氣蝕的嚴(yán)重程度，對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行補(bǔ)焊重新修型或者直接更換新導(dǎo)葉的改造處理，頂蓋、底環(huán)等過流面有些氣蝕嚴(yán)重的可以鑲焊不銹鋼板或者特殊的抗磨抗氣蝕新型材料進(jìn)行覆蓋處理， 導(dǎo)葉軸套可以采用新的自潤滑軸套進(jìn)行更換，更換密封件，減少漏水量。

1.2.3 軸承改造

根據(jù)增容改造的新的機(jī)組容量，進(jìn)行軸承復(fù)核計(jì)算，必要時(shí)進(jìn)行加大軸承改造， 多數(shù)情況下舊軸承軸徑都能滿足新機(jī)組的應(yīng)用， 有些電站軸承由于磨損等造成軸承間隙偏大機(jī)組振動(dòng)大溫升高等問題， 可以通過翻倒軸瓦或更換軸承進(jìn)行改造處理。

1.2.4 調(diào)速器改造

舊的調(diào)速器經(jīng)過多年運(yùn)行后，磨損及密封老化，調(diào)速器故障率增加，加上原技術(shù)水平偏低，難以適應(yīng)改造后機(jī)組自動(dòng)化運(yùn)行的要求，根據(jù)增容后新的裝機(jī)容量，進(jìn)行調(diào)速功復(fù)核計(jì)算，選擇新的高油壓調(diào)速器進(jìn)行更新改造。

2 發(fā)電機(jī)增容改造的必要性及方法

2.1 發(fā)電機(jī)改造必要性

先前設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)， 可能存在著絕緣材料耐熱等級(jí)較低；制造工藝不穩(wěn)定，絕緣層較厚；通風(fēng)不暢，局部熱風(fēng)短路，電機(jī)溫升較高；軸承冷卻不佳，溫度偏高；繞組接線方式不佳，噪聲高于國家標(biāo)準(zhǔn)等問題，機(jī)組長久運(yùn)行后，伴隨零部件老化，問題變得更加突出，機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行得不到保證。

2.2 發(fā)電機(jī)增容改造方法

發(fā)電機(jī)增容改造首先要根據(jù)增容幅度進(jìn)行電磁方案計(jì)算，以確定電機(jī)繞組和鐵芯的改造方案。如水輪機(jī)提供的改造后的機(jī)組非飛逸轉(zhuǎn)速和水推力有較大增加， 還應(yīng)進(jìn)行軸系振動(dòng)和有關(guān)部件的剛強(qiáng)度校核。

2.2.1 定子的改造

通過電磁設(shè)計(jì)確定改造方案。 定子繞組采取較薄絕緣厚度的F 級(jí)電磁線， 采取工藝成熟的較薄的主絕緣厚度，一些串聯(lián)匝數(shù)較多的小機(jī)組甚至采取半疊包，以增大線徑，降低溫升。一般而言，對(duì)較早期的機(jī)組，增大線徑可滿足增容幅度不超過20%的要求。 電磁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)到電站實(shí)地檢測繞組溫度，以對(duì)電磁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比修正。如確認(rèn)不能滿足增容要求，則考慮更換電磁鐵芯。

定子改造一定要準(zhǔn)確核實(shí)定子槽型， 嚴(yán)防線圈無法下槽；要核實(shí)原機(jī)組電磁噪聲和電磁振動(dòng)在國標(biāo)范圍內(nèi)，否則應(yīng)考慮改變接線或更換鐵芯設(shè)計(jì)來降低怎懂和噪聲值，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 轉(zhuǎn)子的改造

同樣需要通過電磁計(jì)算確定改造方案。 如計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測對(duì)比表明，原有繞組基本滿足增容改造要求，可僅更換轉(zhuǎn)子繞組絕緣，或適當(dāng)增加繞組匝數(shù)1～2 匝；否則應(yīng)另行設(shè)計(jì)制造新的繞組。

如果改造后機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速發(fā)生變化， 應(yīng)核算軸系臨界轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)部件強(qiáng)度是否滿足要求，確保運(yùn)行安全。

2.2.3 通風(fēng)系統(tǒng)改造

風(fēng)路設(shè)計(jì)不良會(huì)造成熱風(fēng)短路， 部分熱風(fēng)從定子端部未經(jīng)冷卻直接返回轉(zhuǎn)子形成內(nèi)循環(huán)， 導(dǎo)致電機(jī)溫升異常。如果電機(jī)實(shí)際溫升明顯高于計(jì)算溫升，或計(jì)算表明增容后電機(jī)溫升偏高，應(yīng)仔細(xì)檢查電機(jī)風(fēng)路設(shè)計(jì)，必要時(shí)對(duì)擋風(fēng)板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，增加空冷器容量，對(duì)管道通風(fēng)的電機(jī)可考慮增設(shè)排風(fēng)扇，以滿足增容要求。

2.2.4 軸承冷卻系統(tǒng)改造

一般來說，電機(jī)增容后軸承溫度不會(huì)明顯升高，軸承冷卻系統(tǒng)不必改造。對(duì)部分機(jī)組軸承溫度原本較高，或水機(jī)改造采取了新轉(zhuǎn)輪導(dǎo)致水推力明顯增大， 可考慮完善油路設(shè)計(jì)以便熱油充分冷卻，增大油冷卻器換熱容量，增設(shè)油泵促進(jìn)油循環(huán)等辦法，必要時(shí)甚至采取軸瓦水內(nèi)冷，降低軸承溫度。

2.2.5 制動(dòng)系統(tǒng)改造

為達(dá)到更環(huán)保以及操作更簡單目的， 可考慮采取油氣分離式并自帶小型粉塵吸收裝置的制動(dòng)器。

2.2.6 勵(lì)磁系統(tǒng)改造

根據(jù)電磁計(jì)算結(jié)果， 核實(shí)原有勵(lì)磁系統(tǒng)容量是否足夠； 電磁設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮勵(lì)磁系統(tǒng)要求， 必要時(shí)采取辦法，使得不需改造勵(lì)磁系統(tǒng)仍然滿足機(jī)組增容要求。對(duì)一些小容量發(fā)電機(jī)， 可根據(jù)用戶需要將原有可控硅勵(lì)磁改為無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。

發(fā)電機(jī)增容改造時(shí)，一定要復(fù)核機(jī)組強(qiáng)度，復(fù)核軸系臨界轉(zhuǎn)速，復(fù)核電磁參數(shù)能滿足電站要求。 此外，一定要對(duì)新的零部件與未更換的原有零部件的接口進(jìn)行準(zhǔn)確測量，須知，水輪發(fā)電機(jī)組制造過程中，可能存在加工誤差，或者圖紙標(biāo)注錯(cuò)誤，簡單依據(jù)提供的圖紙不嚴(yán)格核實(shí)就進(jìn)行增容改造， 是存在風(fēng)險(xiǎn)的。

3 機(jī)組增容改造的效益

新建電站的開發(fā)成本高，工期長，目前，很多新電站的投資已經(jīng)達(dá)到每千瓦一萬多元。與之形成對(duì)比，老電站進(jìn)行增容改造投入資金少，工程周期較短，收益較高。 很多情況下， 僅僅更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和發(fā)電機(jī)定子繞組就能實(shí)現(xiàn)增容要求，投資僅占機(jī)組總價(jià)的幾分之一，占電站的投資就更小。

我國大多數(shù)水電站都是興建于20 世紀(jì)60～90 年代，本世紀(jì)初期的水電建設(shè)高峰期也建造了大量水電站，一些水電站已運(yùn)行數(shù)十年之久，很多電站本已運(yùn)行多年，設(shè)備已老化，如過流部分嚴(yán)重磨損，轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉等部件受磨損和空蝕，葉型被破壞，效率下降；發(fā)電機(jī)繞組絕緣熱老化，或因電暈的作用表面出現(xiàn)大量麻點(diǎn)，絕緣性能下降，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。 也有一些電站因?yàn)椴捎玫氖翘子脵C(jī)組，或電站參數(shù)變化使機(jī)組效率下降，水資源無法合理利用，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。 近些年來，電力系統(tǒng)對(duì)于水電機(jī)組調(diào)峰要求不斷提高，機(jī)組啟動(dòng)與停機(jī)次數(shù)增多，機(jī)組運(yùn)行條件更嚴(yán)苛，老舊的電站無法適應(yīng)變化。

在對(duì)老電站進(jìn)行增容改造之后，機(jī)組容量增加，汛期棄水量減少，機(jī)組效率提高，同時(shí)，減少機(jī)組檢修次數(shù)，檢修周期增長，調(diào)頻和調(diào)峰能力增強(qiáng)，有效提高了電站機(jī)組備用容量。機(jī)組增容改造成功的例子比比皆是，能創(chuàng)造明顯效益已成為行業(yè)共識(shí)。

4 結(jié)束語

通常情況下，水輪發(fā)電機(jī)組增容改造之后，都獲得了良好的增容改造成效。水電站增容改造是一種低投資、高收益、短工期、投資回收快的手段，可以讓老電站煥然一新。 今后，會(huì)有大量水電站邁進(jìn)“高齡”階段，水輪發(fā)電機(jī)組增容改造技術(shù)將有極大的應(yīng)用空間， 將為水電站創(chuàng)造更好的效益，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。