水電站增效擴容改造過程中常見問題分析

楊圭武

（福建省壽寧縣水利局，福建壽寧 355500）

水電站增效擴容改造過程中常見問題分析

楊圭武

（福建省壽寧縣水利局，福建壽寧 355500）

隨著國家經濟的快速發展，人民生活質量不斷提高，增效減排已成為當前能源開發新趨勢。我國早期建設的水電站，機電設備、水工建筑、輸電線路等設備老化嚴重，存在很大的缺陷和安全隱患，同時，限于當時的條件，多數水電站水能資源沒有合理開發，對水電站更新改造和充分開發水資源勢在必行。只有對電站設備進行更新擴容改造，才能使電站達到高效、經濟、安全、節能，滿發、多供、少損、低耗等要求。文章分析了農村水電站建設現狀，總結水力發電機組運行存在的問題，提出機組增效擴容改造方案及其需要注意的相關問題。

水電站；發電機組；增容改造；注意問題

0 序 言

我國水利行業經濟實現了優化轉變，新型水利工程建設推動了地方發電模式的多樣化發展，改變了早期單一水利調度運行系統的功能狀態。

與此同時，水力發電機組承載負荷量持續上升，對水電站調度系統工作提出了更新的要求。發電機組增容改造是水電站改擴建不可缺少的措施，優化發電機組運行有助于水電資源的一體化調控。因此，水電站要根據內部工作要求，建立科學可行的機組增效擴容改造方案。

1 水電站工程發展現狀

水電站是利用水能轉為電能作業模式的工廠，這種作業方式是我國電力行業長期堅持的生產手段，既緩解了其他發電生產模式的不足，也利用了清潔自然的水資源。水電站是現代水利工程建設的重點對象，其采用水工建筑物、水力機械、電氣設備等配套設施組建成的發電體系，充分利用了地區自然水能資源的優勢。據統計，至2010年，我國水電站總裝機2億kW，涉及到大、中、小等不同級別規模的水電站，為地方經濟可持續發展提供了能源保障，實現了水資源的最優化配置［1］。

2 水力發電機組運行存在的缺陷

2.1 技術方面

水電站是水能、動能、電能三者之間的轉換平臺，水輪機能量轉換技術決定著系統發電的總體水平。我國大部分農村水電站建于20世紀90年代前，隨著時間的推移，基于當時的水電建設技術能力和特殊歷史條件，水輪機調控技術相對于現在，處于落后狀態，運行指標達不到要求，發電性能較為滯后。以中小型水電站為例，據統計全國現有中小型水電站46000余座，總機組臺數超過80000臺，水電站水輪機效率較低，影響了水能資源的充分利用，影響了水電站的經濟效益［2］。

2.2 選型方面

由于地區條件的差異性，我國各地區水電站水輪機技術水平不一，水輪機效率與機組選型也存在很大關聯。90年代前，我國經濟落后，農村用電量少，電網規模居多以鄉村為網，甚至一機或一站一網格局，僅限于滿足電站所在地的簡易供電，水輪發電機組選型與流域水能蘊藏量不匹配，水能沒有得到充分利用，隨著經濟飛速增長，用電負荷日益增加，電網的區域聯網，電站裝機容量適時增加，但均未按理論蘊藏量一次開發到位。如壽寧縣下黨村水電站，1973年建設初期設計裝機1×12kW，1980年為滿足當地用電需求，裝機容量改為1×24kW，1991年供電范圍擴大到全鄉，技改后裝機容量為2×250kW，2005年經建設水庫，明渠改有壓隧洞，提高設計水頭，最終技改裝機容量為2×800kW。

2.3 狀態方面

水輪機工作狀態是對整個生產體系的客觀反映，機組工作效率標準，嚴重影響了電站出力水平。決定水輪機狀態的影響因素比較復雜，與水電站結構設計、機組產品制造質量、配電作業環境、使用年限久等均有關聯，其中水輪機效率是關鍵。比如，機組長時間處于高荷載工作條件，內部零配件磨損程度加重，造成發電站內水輪發電機組效率降低，浪費了部分能量，降低了發電產量指標，同時，設備故障率高［3］。

2.4 環境方面

一般情況下，水電站建造于偏遠地區，山區、郊區等均適合水力發電場所。因自然條件的不斷變化，水輪機組投運時間較長，自然地質條件與氣候條件對水輪機結構產生了明顯的破壞作用。根據測試，水輪機使用10a之后，定子、轉子、端蓋及軸承等結構會發生不同程度的磨損，進而機組轉換能量工作效率有了明顯變化，可降低發電量幅度約10%～20%，增加了水電站發電的成本耗資［4］。

3 水電站發電機組增效擴容改造需注意的問題

隨著水電站工程擴大化改造，發電機組運行也出現了多種問題，嚴重影響到了水電站內部體系的作業效率。對水電站發電機組實施增效擴容改造，適應了水利水電行業節能化發展需求，也是提升水電站內配電調度系統性能的關鍵措施。筆者總結多年從事水電工作和壽寧當地水電站建設的經驗，針對水電站運行存在的主要問題，增效擴容改造階段需注意以下問題：

3.1 機組局部設備更新

設備更新主要有更換水輪機轉輪或更換發電機繞組。主要針對轉輪效率或機組綜合效率降低的電站改造。

更換轉輪。水輪機轉輪是能量轉換部件，水輪機的水力性能、振動與汽蝕主要取決于轉輪性能。國內90年代前生產的系列轉輪比目前先進的轉輪效率約低2%～5%；且因長期運行，葉片汽蝕后多次補焊往往變形嚴重，汽蝕、振動加劇，效率降低。因而在實施水電站發電機組增效擴容改造時，往往采用更換高效轉輪以增效為目的。

如壽寧縣近期列入農村水電增效擴容改造的麻竹坪壩后電站，1990年投產的裝機容量為2×1600kW，水輪機型號HL220—WJ—71，水輪機最優工況效率為88.5%，經過多年的運行，效率更為降低，實際效率約為71%，更換型號為 HLJF2528B—WJ—71、最優工況效率91.3%，整機最優工況效率比原來提高了7.7%；又如壽寧縣車嶺二級電站，1995年投產的裝機容量為2×7500kW，水輪機型號 HL100—LJ—110，水 輪機 最 優 工 況 效 率 為89.2%，經過多年的運行，實際效率約為84.1%，發電機型號SF7500—8／2600，機組綜合效率84.78%，實際為80.18%，更換兩臺型號分別為HL1089B—LJ—110、HL1083B—LJ—110、最 優 工 況 效 率 為91.05%、91.2%轉輪，對應更換發電機組SF8500—8／2600、SF6500—8／2600，改 造 后 綜 合 效 率 為87.36%、87.55%，整機效率比原來提高了7%多。

更換發電機繞組。投運年份較早或發電機受雷擊、發熱老化受損嚴重的機組，效率因此降低。可以更換發電機繞組來提高機組效率。如投產于1983年的壽寧縣八定岔水電站1×160kW機組，受雷擊線圈燒毀，多次修補，機組出力從最初的170kW降至98kW，更換返廠更換繞組、重新澆注絕緣處理后，目前最高出力可達181kW。

更換適應當地環境的轉輪。主要表現在河道流砂較多、水質差的電站。如投產于2006年12月，裝機容量為2×4000kW的壽寧縣托溪二級水電站，進水口上游為人口密集鄉鎮和石材加工區，水庫淤積嚴重，發電過程對轉輪流砂沖刷嚴重，投產才8個月后，1＃、2＃機組最高出力從初期的4610kW、4536kW降到3830kW、3790kW，經拆機檢查發現，兩臺機組轉輪受流砂沖刷損壞嚴重，最后電站于2008年1月選用耐砂型不銹鋼轉輪更換，機組出力優于原轉輪，效率大幅提高，改造后運行至今，歷次檢查轉輪磨損度減小。

3.2 整機更換

對于原設計未充分利用水能資源開發的電站，可以按新理念設計更換滿足流域可開發水能蘊藏量匹配的水輪發電機組。投運時間過長、老化嚴重、不宜繼續使用的電站機組，也應采用整機更換新型、高效的機組。

3.3 豐枯或峰谷開發

布置兩臺以上機組的電站，如果水庫庫容調節能力小，為了充分利用豐水季節水能，可以將選擇容量不同的兩臺或多臺水輪發電機組，其中一臺選用小容量，其余臺機組選擇較大容量，這樣，豐水來時，可以充分利用較大水能。如果實行峰谷電價差異的電站，如壽寧西北部地區送往浙南方向電站，峰谷電價懸殊較大，考核嚴格，為充分提高電站效益，可以按擴大裝機容量模式進行設計選型。如壽寧縣后溪電站按理論設計應為2×1000kW，但為了多發峰電，電站按1×800kW＋2×1250kW設計，這樣，峰電期間，根據水庫蓄水量選擇3臺同時或其中1250kW機組運行，谷電期間在有剩余庫容時選擇800kW機組運行，電站整體效益提高25%以上。

3.4 流域梯級合理開發

壽寧境內多數流域梯級開發時間不一，從20世紀70年到如今先后開發都有，時空上開發理念差異，上下級電站裝機流量不匹配，有源頭電站設計水流量大于下游電站，致使下游電站棄水嚴重，水能利用率低。如壽寧縣蟾溪流域分四級開發，第三級于1976年最先開發3×800kW，又于1988年考慮第一級電站即將開發，擴容為3×800kW＋2×4000kW，后1991年第一級電站2×1600kW建成，一、三級電站投產后，第三級電站來水量富余，造成棄水。1995年第四級電站2×7500kW建成投產，3、4兩級發電流量又不匹配，變成卡脖子。于是在1999年，第三級電站又進行了技改，技改后裝機為2×4000kW＋1×5000kW，這樣四級電站才不會產生棄水、卡脖子現象，因此，流域梯級開發應統一規劃，合理利用水能資源有序開發，最大發揮水能效率。

3.5 控制模式

水力發電機組中的水輪發電機由水輪機驅動。發電機的轉速決定輸出交流電的頻率，因此穩定轉子的轉速對保證頻率的穩定至關重要。可以采取閉環控制的方式對水輪機轉速進行控制，即采取發出的交流電的頻率信號樣本，將其反饋到控制水輪機導葉開合角度的控制系統中從而去控制水輪機的輸出功率，以達到讓發電機轉速穩定的目的。目前多采用新型微機型調速器，可根據機組容量大小，選擇不同調速裝置，如單機1000kW以下小機組可以選用集同期、調速、水位功能的微電腦控制器，1000kW以上機組可以采用微機液壓型調速器。

3.6 后期維修養護

增容改造只是水電站改擴建的一部分，正式投入應用之后，還需安排值班人員做好后期維修養護工作，這也是增容改建常常被忽視的一步。通常，增容改造后期要對水輪機組進行綜合整改，尤其是修復、改造水輪機部件，這樣可以保持機組運行周期的長遠性。

4 機組增容改造取得的成就

4.1 機組安全發電

機組經增容改造后，水輪機的水力性能、振動性能、汽蝕性能將會大大改善。由于采用了新技術、新材料、新工藝，提高了絕緣等級，改善了通風條件、散熱條件，將使發電機事故率大大降低；機組運行時的不安定因素得到徹底改變，大修周期延長，大修費用降低。

4.2 經濟效益

增容改造不僅使機組能安全穩發，產生直接的經濟效益。例如增加系統事故備用容量，由于此電量是在系統發生事故的情況下提供的，它既防止了系統事故的擴大，又避免了事故停機，提高了電站效益。

5 結 論

利用水能資源發電是現代電力生產的方式之一，既可以充分利用水能資源參與產業經濟建設，也帶動了區域環境的生態化發展。考慮到市場電能供需關系的變化，對水電站進行增容改造處理，能夠全面提升水力發電機組的工作效率，為社會輸送更多的電能資源。水電站增效擴容改造之后，從發電安全、產業收益等方面起到關鍵作用，構建了先進化水電站發電作業模式。

［1］李興平，張永，徐海東，等.十里泉電廠300MW機組循環水泵改造的可行性分析［J］.山東電力技術，2003（06）：58－60.

［2］姚澤，黃青松，徐廣文，闞偉民.楓樹壩電廠增容改造后機組振動故障處理［J］.水電能源科學，2010，28（02）：137－140.

［3］王先軍，陳明祥，常曉林.葛洲壩水電站增容改造中機組拆除及蝸殼加固研究［J］.水利水電技術，2010，41（02）：56－59.

［4］程姚達.近年來東方電機股份有限公司水電站水輪機的增容改造實踐［J］.東方電氣評論，1995，9（01）：21－27.

TV737

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1007－7596（2014）08－0113－03

2014－06－09

楊圭武（1965－），男，福建壽寧人，工程師，研究方向為水利水電設計與施工。