水電站機(jī)組增容增效提質(zhì)技術(shù)改造分析與關(guān)鍵技術(shù)

時(shí)志能，余 紅，萬 元,潘平衡

（1.國家電力投資集團(tuán)水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湘潭理工學(xué)院，湖南 湘潭 411100）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展、全球?qū)Νh(huán)保的日益重視及2030年“碳達(dá)峰、碳中和”的迫切需求，水電、風(fēng)電、光伏等清潔能源仍是未來一段時(shí)間內(nèi)電力開發(fā)應(yīng)用的重點(diǎn)[1]。水電作為傳統(tǒng)的清潔能源，目前國內(nèi)新建規(guī)劃建設(shè)水電站主要集中在西藏、云南、四川等西部地區(qū)，中東部地區(qū)的水電資源已基本開發(fā)殆盡，存量水電的增容增效提質(zhì)潛力逐漸凸顯出更大的現(xiàn)實(shí)意義。新中國成立后水電裝機(jī)容量如圖1所示，依據(jù)水電機(jī)組容量等級(jí)其設(shè)計(jì)使用壽命在25~40年，隨著水電機(jī)組運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，老舊水電站的技術(shù)改造將成為推動(dòng)水電產(chǎn)業(yè)設(shè)備升級(jí)的主要引擎。

圖1 國內(nèi)水電裝機(jī)容量變化趨勢(shì)

為徹底解決機(jī)組設(shè)備故障頻發(fā)、機(jī)組振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件裂紋嚴(yán)重、水能轉(zhuǎn)換效率不高、機(jī)組超年限運(yùn)行、調(diào)節(jié)能力不足等狀況[2]，各水電企業(yè)正在逐步推進(jìn)和實(shí)施老舊機(jī)組增容改造、更新改造、提質(zhì)增效等研究工作，以創(chuàng)造更好的綜合經(jīng)濟(jì)效益，典型案例見表1。

表1 典型電站提質(zhì)增效改造案例

1 電站增容提質(zhì)增效改造必要性

（1）保障設(shè)備本質(zhì)安全。隨著投運(yùn)時(shí)間的延長(zhǎng)，部分老舊機(jī)組主設(shè)備運(yùn)行故障逐漸暴露，如運(yùn)行穩(wěn)定性差、過流部件空蝕或磨蝕嚴(yán)重、超年限運(yùn)行、發(fā)電機(jī)絕緣能力降低、轉(zhuǎn)子支架及主軸等關(guān)鍵部件裂紋、軸承瓦溫超標(biāo)等影響電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的因素長(zhǎng)期存在，亟待通過技術(shù)改造徹底改變機(jī)組的運(yùn)行條件，減少發(fā)電企業(yè)的運(yùn)維成本，確保電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）容量匹配與提升。受技術(shù)開發(fā)條件限制，早期流域性電站建設(shè)常由下游往上游逐步開展，且上游多以年調(diào)節(jié)或多年調(diào)節(jié)、下游多以低水頭日調(diào)節(jié)或無調(diào)節(jié)電站為主，隨著上游年調(diào)節(jié)或多年調(diào)節(jié)電站的投運(yùn)和電網(wǎng)對(duì)上游大中型電站調(diào)峰、調(diào)頻的需要，下游低水頭電站因庫容不具備調(diào)節(jié)能力，當(dāng)上游大中型電站大負(fù)荷方式運(yùn)行時(shí)，常出現(xiàn)非汛期棄水現(xiàn)象，有必要利用現(xiàn)代水輪機(jī)設(shè)計(jì)方法對(duì)下游老舊電站開展技術(shù)改造或擴(kuò)建，增加下游電站全廠機(jī)組過流能力，提升電站總體發(fā)電量。

（3）水資源高效利用。隨著近年來氣候環(huán)境、具有調(diào)節(jié)能力水庫龍頭電站及各梯級(jí)電站投運(yùn)等外部因素變化，各電站在實(shí)際運(yùn)行過程中的庫區(qū)降雨量、來流條件均發(fā)生了較大變化，體現(xiàn)在：上游或其支流新建水庫，下游修建水庫提升了尾水位等。電站原水文條件下的設(shè)計(jì)參數(shù)與當(dāng)前水文條件存在明顯的不匹配現(xiàn)象，水量利用率長(zhǎng)期處于低系數(shù)利用狀況，亟需開展水電機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)與改造或擴(kuò)機(jī)，提升電站的水量利用率。此外，受電站早期設(shè)計(jì)階段水文統(tǒng)計(jì)資料缺失和大量水文數(shù)據(jù)處理技術(shù)受限的影響，部分電站建成后的實(shí)際運(yùn)行水頭、流量與設(shè)計(jì)值存在較大偏差，導(dǎo)致機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行范圍無法滿足電站存量提質(zhì)的發(fā)展要求。

（4）多能互補(bǔ)運(yùn)行新趨勢(shì)。隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，新能源投運(yùn)比例急劇擴(kuò)大，其波動(dòng)性和隨機(jī)性特征對(duì)電網(wǎng)的功率平衡、抗沖擊能力等提出了新挑戰(zhàn)，大中型混流式、軸流式水電站調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)不斷加劇，特別是在新能源占比較高的區(qū)域，機(jī)組啟停、振動(dòng)區(qū)運(yùn)行、備用時(shí)間增長(zhǎng)，整體運(yùn)行工況存在進(jìn)一步惡化趨勢(shì)。

（5）電站延壽運(yùn)行需要。國家能源局于2016年下發(fā)國能資質(zhì)[2016]351號(hào)通知，第一次以政策性文件對(duì)發(fā)電機(jī)組達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命的并網(wǎng)要求進(jìn)行了明確規(guī)定。為了避免水電機(jī)組因超設(shè)計(jì)年限運(yùn)行而出現(xiàn)退網(wǎng)或取消上網(wǎng)許可證等重大事件，部分水力發(fā)電企業(yè)已著手開展老舊機(jī)組的技術(shù)升級(jí)或延壽評(píng)估工作；伴隨老舊機(jī)組的技術(shù)升級(jí)，電站的提質(zhì)增效技術(shù)改造逐步提升至企業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。

2 技術(shù)改造實(shí)施路徑

機(jī)組的輸出功率主要受運(yùn)行水頭、過機(jī)流量和效率三方面的影響[3]，針對(duì)老舊電站的技術(shù)改造，三者均具備提升的可行性，主要體現(xiàn)在：

（1）機(jī)組運(yùn)行水頭。電站建成后，機(jī)組最大運(yùn)行水頭受大壩高度限制難以改變，但受區(qū)域降水量變化導(dǎo)致電站低水頭運(yùn)行時(shí)間增加和非主汛期高水頭運(yùn)行時(shí)間增加等因素影響，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的加權(quán)平均水頭已經(jīng)發(fā)生變化，存在針對(duì)以加權(quán)水頭為邊界優(yōu)化水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的可行性。

（2）水輪機(jī)過機(jī)流量。老舊電站受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)水平和經(jīng)驗(yàn)的限制，與現(xiàn)代水輪機(jī)設(shè)計(jì)水平相比，其過水流道常存在一定設(shè)計(jì)裕度，在實(shí)施電站技術(shù)改造的過程中，可以選用或設(shè)計(jì)比轉(zhuǎn)速較高的水輪機(jī)或采用加大水輪機(jī)公稱直徑等方式，擴(kuò)大水輪機(jī)的單位過機(jī)流量，實(shí)現(xiàn)其在主汛期增發(fā)電量的預(yù)期目標(biāo)。

（3）機(jī)組轉(zhuǎn)換效率。受設(shè)計(jì)、制造、安裝等因素的限制，20世紀(jì)80~90年代前投運(yùn)的機(jī)組轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，大部分機(jī)組綜合效率均低于90%，隨著國內(nèi)三峽電站技術(shù)引進(jìn)、吸收、創(chuàng)新，機(jī)組在水輪機(jī)設(shè)計(jì)、數(shù)值仿真、模型試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)電磁及通風(fēng)設(shè)計(jì)、超薄硅鋼片、制造材料和加工水平等方面均取得重大技術(shù)突破，目前水輪機(jī)真機(jī)最優(yōu)效率已超過96%，發(fā)電機(jī)效率已超過98.5%。

3 先進(jìn)技術(shù)手段

新開發(fā)的水電機(jī)組，混流式主要朝大容量、高效率方向發(fā)展；軸流式主要朝高水頭、大容量及環(huán)保方向發(fā)展；貫流式主要朝大容量、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展；沖擊式主要朝高水頭、多噴嘴方向發(fā)展。老舊電站在技術(shù)升級(jí)過程中可采用的先進(jìn)技術(shù)主要有：

（1）轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)及目標(biāo)尋優(yōu)。根據(jù)電站水文數(shù)據(jù)、機(jī)組現(xiàn)有流道條件的實(shí)際情況及國內(nèi)各水頭段模型轉(zhuǎn)輪庫數(shù)量的增加，設(shè)計(jì)觀念已由傳統(tǒng)套用思路轉(zhuǎn)向一站一策的量體裁衣式選型及設(shè)計(jì)，水輪機(jī)可在同等級(jí)比轉(zhuǎn)速水平進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到水力流道與新轉(zhuǎn)輪之間的最優(yōu)化匹配。措施方面，采用梯度尋優(yōu)算法、多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化水輪機(jī)過流部件參數(shù)（轉(zhuǎn)輪、流道、導(dǎo)葉等），將數(shù)值仿真技術(shù)（如CAE技術(shù)）應(yīng)用于水輪機(jī)的整個(gè)開發(fā)過程[4]，在大幅提高設(shè)計(jì)優(yōu)化效率與準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，大大縮短了水輪機(jī)的研發(fā)周期，擴(kuò)寬水輪機(jī)高效率區(qū)域，使水輪機(jī)運(yùn)行工況更加符合電站設(shè)計(jì)條件，轉(zhuǎn)輪綜合水力性能達(dá)到最優(yōu)化。

（2）寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)。為了適應(yīng)新能源大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)水電機(jī)組調(diào)峰、調(diào)頻的需求，針對(duì)混流式機(jī)組，在轉(zhuǎn)輪更換或重新制造階段，采取增大額定單位流量與最優(yōu)單位流量比值、優(yōu)化葉片型式（如前傾反曲率、雙C型葉片）、優(yōu)化效率分布等方式，有效降低水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)，同時(shí)保證大流量區(qū)域的出力要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采取增加轉(zhuǎn)輪直徑、增加葉片數(shù)量、增大導(dǎo)葉分布圓直徑、增加葉片設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和厚度、增設(shè)出水邊應(yīng)力釋放塊等方式，改善機(jī)組部分負(fù)荷的穩(wěn)定性能，擴(kuò)大水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，使電站調(diào)節(jié)能力符合電網(wǎng)調(diào)度的需求，目前混流式機(jī)組已具備全負(fù)荷運(yùn)行條件[5]。

（3）發(fā)電機(jī)節(jié)能降耗設(shè)計(jì)。采用先進(jìn)的三維瞬態(tài)磁場(chǎng)有限元分析技術(shù)，優(yōu)化端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，使端部附加損耗下降45%，發(fā)電機(jī)效率提升0.04%。采用高導(dǎo)磁、低損耗、機(jī)械性能優(yōu)良的冷軋薄硅鋼片，結(jié)合通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)的多段設(shè)置方式、端部階梯片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及非磁性材料壓指的使用，有效降低定子損耗。采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，消除了水內(nèi)冷壓力大、易泄露的風(fēng)險(xiǎn)，定子溫升分布更加均勻，有利于延長(zhǎng)定子繞組使用壽命。定子鐵心通過優(yōu)化通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加大散熱面積、提高雷諾數(shù)，有效降低定子繞組溫升及通風(fēng)損耗。采用穿片式換熱元件，增大換熱面積，提高傳熱效率。

（4）提升發(fā)電機(jī)絕緣能力。定子線棒絕緣采用環(huán)氧粉云母多膠模壓和真空壓力浸漬VPI技術(shù)[6]，將老舊機(jī)組絕緣等級(jí)由B級(jí)提升至F級(jí)。通過開展主絕緣云母帶材料研制、優(yōu)化定子導(dǎo)線角部電場(chǎng)分布、等電位層曲率半徑優(yōu)化、多級(jí)防暈處理技術(shù)等工作，結(jié)合絕緣包扎、浸漬、一次成型防暈處理及熱壓等工藝技術(shù)，確保成品線圈質(zhì)量；同時(shí)對(duì)主絕緣開展耐熱、電、機(jī)械、環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，確保機(jī)組不因主絕緣本征惡化而發(fā)生電機(jī)運(yùn)行事故。

（5）關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)及加工。將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算和有限元仿真相結(jié)合，通過優(yōu)化低應(yīng)力設(shè)計(jì)理念、降低葉片高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力、開展疲勞壽命預(yù)估、開展聯(lián)合動(dòng)應(yīng)力分析等措施，驗(yàn)證主要部件的可靠性，保證機(jī)組在生命周期內(nèi)的安全性。建立合理的疲勞損失判定依據(jù)，確保機(jī)組主要部件在服役期內(nèi)有足夠的疲勞強(qiáng)度裕度。采用鉻、鎳、鉬馬氏體不銹鋼和超低碳不銹鋼材料，淘汰碳素鋼、低合金鋼材料；制造工藝采用鑄造、鍛造、焊接和電渣熔鑄等技術(shù)；部件加工采用數(shù)控加工技術(shù)，從而保證部件加工質(zhì)量和精度要求。

4 結(jié)語

水電機(jī)組提質(zhì)增效技術(shù)改造涉及面廣，由于不涉及大范圍的構(gòu)（建）筑物施工，具有改造周期短、綜合經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，同時(shí)可考慮開展老舊電站的數(shù)字化和智慧化改造，逐步減少電站運(yùn)維檢修成本，實(shí)現(xiàn)其現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。