小水電站增容改造中的重點技術問題

劉發

(駐馬店市薄山水庫管理局，河南駐馬店463218)

在我國早期興建的一些小水電站中，普遍存在著以下方面的特點:技術落后、裝機容量低(大多為100～3 000 kW左右)、制造質量差、效率低下、臺數多和安全隱患多等問題。為解決當前供需電力之間的矛盾，對水輪機和發電機進行科學合理的增容改造，已成為現有小型水電站充分開發水力資源，挖掘自身潛力，以及提高水電站經濟效益的有效途徑，也是解決小水電站中老化機組安全隱患和問題的根本措施。

1 增容改造的必要性和可行性

我國現有的的小型水電站，大多為20世紀60～70年代大興水利時期所建。經過了幾十年的運行，大多存在機電設備故障多、效率低下、水能資源利用率低、設備陳舊、運行維護成本過高等因素，導致水電站的經濟狀況非常困難，安全生產也無法得到有力保障，可持續發展空間嚴重不足。因此，使用高新科技對水電站實施改造，已然成為了當前小型水電站可持續發展的主要出路。

小水電站增容改造項目，不僅符合當前國家優先發展能源產業政策，也符合“大力發展水電”的電力發展原則。對我國數目眾多的小型水電站，利用高新技術進行增容改造，挖掘自身潛力，以提升水電站生產運行能力和經濟價值，是繼續鞏固和發展電氣化建設成果最有效，也是最經濟的方法，同樣是地方電力壯大和發展的有效途徑。

2 小水電站運行中存在的主要問題

2.1 水輪機主要性能參數和電站實際運行參數不符

水輪機主要性能參數—N、H、Q，即功率、水頭和流量。在我國建國初期所編制的水輪機模型的轉輪型譜中，能夠進行選擇的轉輪機型號偏少，而大多數的小型水電站在設計時只能采用相似的轉輪參數進行設計，往往導致水輪機的主要性能參數與電站實際運行參數不符的問題。同時，由于設計單位的水平不足或相關部門重視的程度不夠，也造成了在一些小水電站中出現了額定轉速、額定水頭、水輪機轉輪直徑選擇不當，主要性能參數與實際參數不符的問題。隨著近年來國家對水利工作的重視，各地的中小水庫陸續進行了加固、擴建等工程，造成水庫的運行水位與最初設計不一致的情況也較為常見。

以上問題的出現，都會使水輪機偏出自身最優工況區運行，造成機組自身耗水量多，發電損失量大，以及噪聲和振動大的問題，使水輪機的正常運行效率和使用壽命都大幅度降低。

2.2 水輪機存在質量差和技術落后的問題

上世紀60年代左右，我國當時在水輪機模型型譜中所頒布的一系列型號的水輪機，現在仍然在一些小水電站中使用。這些水輪機轉輪普遍技術水平陳舊，在效率、轉速和流量等主要性能指標方面明顯偏低。并且，由于這些水輪機普遍存在著安全可靠性差、制造質量差和缺陷多等問題，不僅在修理上浪費了大量人力與財力，而且發電效率較低。

2.3 轉定子絕緣老化和燒瓦問題

我國一些小水電站的水輪發電機中，由于運行時間過長，導致轉定子的絕緣老化現象非常嚴重，不僅容易出現接地故障，對機組的安全運行也是嚴重的威脅。而且，因軸承的制造和安裝的水平偏低，也導致了推力軸承的安全可靠性能不高，常會發生燒瓦事故。

2.4 電氣設備和水輪機之間不配套的問題

由于在當前一些小水電站中，電氣設備和水輪機并不配套，使得發電機額定容量和水輪機的輸出功率并不相符。如容量大于輸出功率，則導致了水電站的設計效率受到限制，在發電時會出現不正常的棄水現象;如容量小于輸出功率，則既加大了水輪機運行的損耗，浪費了發電機的容量。

3 小水電站增容改造中的技術重點

小型水電站的增容改造，必須貫徹落實經濟性、合理性、先進性和特殊性這四項基本原則。經濟性是指能在有限的經濟投資基礎上，盡量提升年發電量，以提高水電站的經濟效益;合理性則是指對水電站中的不宜變更和不可變更的制約條件進行妥善處理;先進性是指對技術成熟、性能先進的轉輪、發電機和其它輔助設備的擇優選擇;特殊性則是指在增容改造過程中對特殊問題的靈活和妥善的處理。

3.1 優化設計

在對小水電站增容改造中的設計，多是以對水輪發電機組的設計改造為主，主要設計要點包括了了以下幾個方面:

1)當功率、水頭、流量和原設計變動不大時，而水輪發電機組的性能落后、設備陳舊的小水電站中，適宜采用和水頭段導水葉高度相似或者相同的新型轉輪。若缺乏適合的新型轉輪，則可以考慮改動過流部件的結構和型線，或者對轉輪進行改型或重新設計，以起到增加水輪機運行效率，增加單機容量和年發電量的目的。

2)當水頭和流量與原設計相比有增加的小水電站，則需根據實際增加的具體條件，加大水輪機的額定輸出功率，增加額定水頭，并重新設計轉輪或改用新型轉輪，以使水輪機能夠在較高的效率區域中運行，不僅增加了水電站的單機容量，提升了水輪機的運行效率，年發電量也能有所提高。

對于以上的兩種方式，當確定水輪機功率后，都應對相應功率發電機進行配套，并對輔助設備作出核算，以判斷是否需要進行更換。

3)當出現發電機額定容量小于水電站水輪機輸出功率時，應對發電機作單獨改造，并通過提高絕緣等級和改進通風系統實現增容改造的效果，在必要時還需對水輪發電機進行重新設計和制造。當主變壓器容量不足時應換取新的變壓器;當出現發電機額定容量大于水電站水輪機輸出功率的情況，如對水輪機采取改型后也沒有增容的可能，則可以暫時按照現狀運行。

3.2 增容改造的方式

由于水輪機與發電機是在兩個不同的范圍之中，而且各自的技術發展也各不相同。并且，由于水輪機在水輪發電機組中起到了原動機的功能，因而水輪機對機組運行效率的影響比發電機更加明顯。同時，水輪機自身影響參數偏多，選型的技術難度也較大，容易在水電站實際運行中發生更多的問題。因此，在對小水電站增容改造的過程中，應分清水輪機和發電機的主次關系，首先要做好水輪機的改造，以推動水輪發電機組和整個水電站機電設備的技術改造。

3.3 輸水系統的核算

在對小水電站增容改造的過程中，輸水系統的改造是其中關鍵的環節。輸水系統的核算過程，即是對水頭損失的數值與水輪機輸入水系統過流量數值的關系進行核算，以此繪制出水頭損失和流量的關系曲線，從而對水輪機額定水頭和設計引用流量的最大允許值做出分析選定。

核算的調整就是從水輪發電機組的輸水系統中的機制運行特性與水力特性，從這兩個方面來對運行過程中可能出現的最大水壓力值和最大轉速升高值進行核算，并核查是否在設計允許的范圍之內，以分析和研究出補強措施的合理性與可行性。總之，水輪機輸水系統中的最大過流量、水壓力和水頭損失，是制約當前小水電站實施增容改造的關鍵因素，應對其高度重視，否則容易影響到整個改造過程中的經濟效益與安全運行。

3.4 溫升問題

當采用直接對原機組改型的增容方法，因為發電機規格和尺寸沒有變化，而發電效率得到增加，必然會導致定子和轉子溫升的提高。對于溫升提高的問題，一般采用新型的絕緣材料，并將絕緣等級由初始的B/B提升為F/F，所允許的最大溫升見表1。

表1 最大允許溫升表 ℃

由表1可見，當B級提升至F級以后，溫升的允許值約增加了20℃，而發電機組的允許溫升和測量方法有關系。當對發電機進行增容改造以后，需驗證定子和轉子的最大溫升是否超出允許值，以保證發電機的運行安全和使用壽命。

3.5 竣工驗收

對小水電站水輪發電機組增容改造成果的檢驗，應對單機容量＞500 kW的水輪發電機進行技改前后性能的對比測試。同時，為使技改工程的質量和安全得到保證，一定要對機組的起動進行驗收，當起動的驗收通過后方能進行試生產運行。當試生產運行合格且所遺留的所有問題都處理完畢以后，才可進行最后的竣工驗收工作，以此確保小水電站增容改造工程的高效、安全、長期的運行。

4 總結

對現有小水電站水輪發電機組增容改造的技改，不僅符合各個地方小水電站發展的實際情況，也符合國家的節能減排、充分利用可再生能源的要求，并能為水電站帶來顯著的經濟效益，是一種見效快、投資省的有效方式。為此，應重視對小型水電站的增容改造工作，并根據自身實際情況，因地制宜，有針對性的進行增容改造工作，為水電站取得實實在在的技改成效和經濟效益。

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