水輪發(fā)電機組增容改造技術的可行性及經(jīng)濟性

摘要：湖南省電力公司柘溪水力發(fā)電廠在總結多臺水輪發(fā)電機組增容改造經(jīng)驗的基礎上，突破了傳統(tǒng)的設備改造模式，對當前水輪發(fā)電機組進行了現(xiàn)代化的改造，并取得了顯著成果，大大提高了水力發(fā)電廠的經(jīng)濟效益，為老水電機組增容改造探索出一條新路。文章主要從水輪發(fā)電機組增容改造的技術可行性及必要性入手，重點闡述了其在水輪發(fā)電機增容改造中實施的技術措施及其經(jīng)濟性，為行業(yè)相關人士提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞：水輪;發(fā)電機組;增容;改造技術;可行性;經(jīng)濟性 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM312 文章編號：1009-2374（2015）02-0039-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0118

1 概述

位于湖南省資水干流上的柘溪水力發(fā)電廠，距離安化縣縣城約12km。混凝土單支墩大頭壩，最大壩高104m，設計裝機容量達到44.75萬kW，保證出力11.27萬kW，多年平均發(fā)電量21.74億kW·h。該項目以水力發(fā)電為主，同時兼有防洪、航運等功能。在通過發(fā)電機組增容改造后，目前1-6號機已經(jīng)超過50萬kW總容量。

2 增容改造的必要性

2.1 流量與水頭浪費

柘溪水力發(fā)電廠初期水輪發(fā)電機組安裝于20世紀50年代末，其電廠建設完全由國家承擔。限于當時的技術水平等原因，沒有對水流量進行詳實的考察研究。如今，流量大小與水頭的高低都對水力資源造成了一定的浪費，且#1機還是新安江機型，水頭設計比柘溪要低，比較浪費水頭，運行經(jīng)濟性不佳。為此，加大對現(xiàn)有水輪機組的增容改造力度，避免浪費水資源，提高發(fā)電效率已經(jīng)迫在眉睫。

2.2 新轉輪效率提高

充足的水源和水頭是水輪機組發(fā)電的基礎和前提，同時也離不開轉輪的高速運轉。而建國初期，國內(nèi)水輪機轉輪的制作工藝普遍較低，水輪機發(fā)電還處于初始階段。受當時科技水平及設計師自身條件限制，生產(chǎn)出的水輪機轉輪效率比較低。就綜合曲線效率而言，其中絕大多數(shù)轉輪在現(xiàn)在看來完全能夠提升。同時隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的不斷進步，關于水輪機的研究也取得了顯著的成果，以當前的技術很容易做到對同一機型相同水頭的水輪機進行增容改造，以提升其工作效率。大幅提高新轉輪的工作效率，為水輪發(fā)電機組的增容改造提供了強有力的技術支撐。

2.3 新工藝新材料的出現(xiàn)

隨著科技的不斷進步，越來越多的新型材料可以用于水輪機組上。比如，將新型材料環(huán)氧粉云母用在電機定子線圈上，不僅可以大大降低絕緣層的厚度，還可降低單位千伏安的用料，大大提高了發(fā)電機組的用電負荷，為增容改造創(chuàng)造了有利條件。

2.4 計算機技術提高

就國內(nèi)當前計算機技術發(fā)展水平來看，其電磁計算、機械計算、通風計算等方面都極為精確。此外，在水輪發(fā)電機組的增容改造上，通過計算機技術還能夠準確模擬轉輪設計，并為其計算提供可靠的數(shù)據(jù)分析，以此來保障轉輪設計的可操作性。

3 水輪發(fā)電機組增容改造的相關措施

柘溪水力發(fā)電廠，在#1-6機的機組增容改造過程中，對上述方法都進行了相應研究與計算，并進行了相關設備改造，限于專業(yè)的原因，不再作一一重點介紹。在這里，筆者主要針對發(fā)電機定子線棒，轉子線圈改造的相關技術措施進行了初淺研究并予以介紹。柘溪水力發(fā)電廠在進行本廠水輪發(fā)電機增容改造過程中，通過技術外聯(lián)、引進和自己厚重的技術積累，于1999年成立了電力發(fā)展公司，專業(yè)從事水輪發(fā)電機增容改造工作，承擔廠內(nèi)外各型水輪發(fā)電機組增容改造工程近20臺，已歷經(jīng)近20年，積累了相當豐富的水輪發(fā)電機增容改造技術及經(jīng)驗。本文重點介紹我們在定子線棒及轉子磁極線圈改造設計及制造方面的相關技術措施和一些成功經(jīng)驗：

第一，改進定子繞組材料。瀝青黑絕緣改為環(huán)氧粉云母黃絕緣，這是因為前者的導熱系數(shù)為0.0022W/℃，比后者的0.0016W/℃明顯要大，為此在其定子線圈厚度一致的情況下，使用環(huán)氧粉云母能夠大大提高定子線圈中對熱量的傳導能力。此外，環(huán)氧粉云母的電氣強度遠高于瀝青云母，其能夠大大減少絕緣層的厚度，為單根線棒增加股線截面積和匝數(shù)提供了可能，從而提高發(fā)電機出力。

第二，線棒股線減少線徑，增加股數(shù)，采用360°完全換位來減少附加損耗。合理降低定子線棒的股線絕緣厚度，同時增多股線圈數(shù)，這樣做的目的是為了更好地改進股線換位，降低線棒內(nèi)電位差，減少內(nèi)部渦流損耗，起到延長線棒使用壽命、提高承載電流的作用。

第三，線棒槽內(nèi)及端部均電位防暈新技術、新材料。通過對傳統(tǒng)內(nèi)防暈層技術的改進與優(yōu)化設計，采用不同阻值半導體材料分段進行布置，在15.75kV等級線棒制造中，有效降低線棒槽外部分表面溫度。對防暈層的改進能有效降低線棒直流泄漏電流，確保整個水輪機組的長期穩(wěn)定運行。

第四，線棒接頭錫焊軟釬焊接工藝改為銀焊硬釬焊接工藝。原來的錫焊工藝，熔點低，在發(fā)電機運行過程中，由于電腐蝕及大電流的長期作用，極易造成焊接部分過溫而使材質(zhì)疏松，接觸電阻增大，燒毀接頭。嚴重時會出現(xiàn)甩焊現(xiàn)象，造成發(fā)電機運行事故。硬釬銀焊的焊接溫度一般在750℃以上，而軟釬錫焊的焊接溫度在450℃以下，溫度提高將近一半，使得焊接頭的過流、過溫性能大大提高。通過硬釬銀焊工藝的運用，能有效提高焊接頭的機械強度和電流承載強度，運行中目前還沒有出現(xiàn)接頭過溫和開焊現(xiàn)象。

第五，線棒內(nèi)屏蔽均電位技術。內(nèi)屏蔽層材料的電阻、圓角半徑的選擇以及屏蔽層與銅導線接觸點之間距離的選擇都是線棒內(nèi)屏蔽結構技術的關鍵。從理論上講，圓角半徑可以有效覆蓋電場分布，且半徑越大，其效果越好。而對于內(nèi)屏蔽層材料的選擇則更需要謹慎，通常則是股線的銅導體與半導體材料形成導電連接，構成等電位層。具體方法有很多，比如可以用半導體漆涂刷或者用半導體膩子來填充換位，并加上一層半導體板或加上一層導電金屬外包半導體帶子等手段。

第六，線棒主絕緣新工藝、新材料。制造定子線棒的核心材料是其主絕緣所用的云母帶，其性能直接對定子繞組的性能及整個電機的壽命造成影響。其中，柘溪水力發(fā)電廠大型發(fā)電機采用的是F級桐馬環(huán)氧多膠粉云母主絕緣，無論是其電氣還是力學性能都達到了國外少膠VPI體系的同等水平。同時，為了提高水輪機組的整體性能，還在原有F級桐馬環(huán)氧粉云母帶體系的基礎之上，其與絕緣帶生產(chǎn)廠家聯(lián)合開發(fā)了F級高電壓環(huán)氧玻璃粉云母帶，其電氣強度≥33MV/rn。其中F級高電壓桐馬環(huán)氧粉云母帶板材固化后的性能見表1：

表1 F級高電壓桐馬環(huán)氧粉云母帶板材固化后的性能

第七，改進轉子勵磁繞組。通常情況下，不會對水輪機組的勵磁繞組進行改動，只能針對轉子溫度過高來進行有效處理。如果在對水輪發(fā)電機組的增容改造之前，其轉子就存在溫度偏高的情況，則應適當?shù)卦黾哟艠O線圈，從而有效降低勵磁電流，進而降低轉子溫度。當轉子之間留有充足的空隙時，可通過增加勵磁繞組寬度的方式來達到增加磁極線圈導線寬度的目的，以降低轉子溫度。

4 機組增容后的經(jīng)濟效益

柘溪水力發(fā)電廠自1962年第一臺機組正式并網(wǎng)發(fā)電，機組運行年限大部分超過了20年以上，大大超過國家規(guī)定使用年限，設備陳舊，老化程度嚴重，運行經(jīng)濟性不佳。為了提高設備完好率，提高運行經(jīng)濟性，必須對水輪發(fā)電機組進行全面的增容改造，柘溪水力發(fā)電廠#3機由于事故原因，于1997年由柘溪電力發(fā)展公司前身機電廠組織實施增容改造工程，拉開柘溪水力發(fā)電廠第一臺機組增容改造的序幕，后續(xù)5臺機歷時10多年，陸續(xù)進行了增容改造。#3機自1998年改造至今，各項運行參數(shù)正常，已穩(wěn)定運行了16年，獲得了不錯的經(jīng)濟效益。柘溪水力發(fā)電廠，1-6機組實施改造后，機組增容，現(xiàn)在一號機單機容量由7.25萬kW增加至8.5萬kW，2-6號機組單機容量由7.5萬kW增加至8.8萬kW。1-6號機改造后增加出力近17%。經(jīng)濟效益同步增加，且單臺改造資金投入不大。以本廠對水輪發(fā)電機增容改造后的結果可以看出，對于運行時間較長的老發(fā)電廠來說，對水輪發(fā)電機進行徹底更新改造，投入資金大，改造時間長，投入產(chǎn)出比小，不見得是最好途徑。選擇投入較少資金對發(fā)電機關鍵部件進行局部改造，增加發(fā)電機效率與出力，從而提升經(jīng)濟效益，提高投入產(chǎn)出比，不失為一條經(jīng)濟、高效、快捷的發(fā)電機改造之路。

5 結語

在對部分水輪發(fā)電機組進行增容改造時，要充分結合各個電廠各臺發(fā)電機的實際情況、參數(shù)及改造周期等來設計科學、合理的改造方案，力爭以較低的成本給水力發(fā)電廠帶來最大的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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作者簡介：孫長春（1969-），男，湖南省電力公司柘溪水力發(fā)電廠電機檢修技師，研究方向：水輪發(fā)電機定子、轉子線圈制造。

（責任編輯：秦遜玉）