水輪發電機組增容改造技術分析

蒙長征， 楊 平

（1.廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司， 廣西 南寧 530000；2.韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司， 廣東 韶關 512000）

0 引言

水電是清潔能源，可再生、無污染。 中國水能資源蘊藏量、可開發的水能資源居世界第一位。 改革開放以來，水電事業飛速發展，據統計至2018 年底，中國水電總裝機容量約3.5 億kW，穩居世界第一。 然而，很多電站經歷多年運行，設備老化，安全可靠性下降，效率偏低，迫切需要改造。另一方面，轉輪研發技術的發展，效率更高、過流量更大的新型轉輪涌現，發電機繞組制造技術的進步，新材料的應用，以及通風冷卻及軸承冷卻系統的的改善，為機機組增容改造的實現提供了堅實的保證。

1 水輪機增容改造的必要性及方法

1.1 水輪機改造必要性

多數老電站水輪機受生產時技術條件限制， 機組效率較低，水輪機經過多年的運行，可能出現一系列問題，如過流部件磨損、轉輪氣蝕破壞，密封磨損，漏水漏油量大，機組振動加劇，設備局部產生裂紋等。 設備老化導致機組運行安全性穩定性降低， 增加維修次數及維修成本，出現無謂的棄水現象。 有些電站的水文條件發生了變化，原設計過于保守，水輪機組當年技術水平低、老化磨蝕嚴重，效率降低低，電站無法發揮正常的社會和經濟效益。

隨著技術的發展，各種效率高、過流能力強、氣蝕性能好的新型轉輪模型得到了應用，用新型機組更換后，機組出力效率將大大提高，單位發電量增加，水能利用率提高，大大增加年發電總量，增加經濟效益。

1.2 水輪機增容改造方法

水輪機增容改造首先應進行可行性報告并獲得批準。 應根據水文計算成果，結合電站多年運行記錄，統計年棄水天數，綜合判斷并確定電站機組增容空間。 如有明顯的增容空間，則通過水力計算，確定是否需要更換為效率更高過流量更大的優質轉輪，以滿足增容要求。 如果增容空間不明顯， 根據目前國內水輪機研制單位研制的新轉輪技術資料及生產廠家的生產情況， 結合技術改造項目盡量不改動建筑物為原則，在單機容量容許范圍，盡可能選用與原機型相同的機組， 根據水力計算采用新型高效率轉輪更換原有轉輪提高機組效率， 達到增加發電總量，增加經濟效益的目的。

1.2.1 水輪機轉輪的改造

根據水力計算確定更換新轉輪或修復舊轉輪。 更換新轉輪時一個極為重要的工作， 是在電站實地精準測量新轉輪與原有結構的配合尺寸，以確保配合成功。舊轉輪的修復則通過補焊、加工等，還原原有形狀。

1.2.2 導水機構改造

經過多年運行， 導水機構的導葉受到含沙水流的沖刷磨損或者氣蝕等導致導水機構漏水， 機組效率下降等現象，有些機組導水機構全關狀態下漏水量過大，機組轉動部分還會出現蠕動現象，根據磨損或氣蝕的嚴重程度，對導葉進行補焊重新修型或者直接更換新導葉的改造處理，頂蓋、底環等過流面有些氣蝕嚴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行覆蓋處理， 導葉軸套可以采用新的自潤滑軸套進行更換，更換密封件，減少漏水量。

1.2.3 軸承改造

根據增容改造的新的機組容量，進行軸承復核計算，必要時進行加大軸承改造， 多數情況下舊軸承軸徑都能滿足新機組的應用， 有些電站軸承由于磨損等造成軸承間隙偏大機組振動大溫升高等問題， 可以通過翻倒軸瓦或更換軸承進行改造處理。

1.2.4 調速器改造

舊的調速器經過多年運行后，磨損及密封老化，調速器故障率增加，加上原技術水平偏低，難以適應改造后機組自動化運行的要求，根據增容后新的裝機容量，進行調速功復核計算，選擇新的高油壓調速器進行更新改造。

2 發電機增容改造的必要性及方法

2.1 發電機改造必要性

先前設計的發電機， 可能存在著絕緣材料耐熱等級較低；制造工藝不穩定，絕緣層較厚；通風不暢，局部熱風短路，電機溫升較高；軸承冷卻不佳，溫度偏高；繞組接線方式不佳，噪聲高于國家標準等問題，機組長久運行后，伴隨零部件老化，問題變得更加突出，機組安全穩定運行得不到保證。

2.2 發電機增容改造方法

發電機增容改造首先要根據增容幅度進行電磁方案計算，以確定電機繞組和鐵芯的改造方案。如水輪機提供的改造后的機組非飛逸轉速和水推力有較大增加， 還應進行軸系振動和有關部件的剛強度校核。

2.2.1 定子的改造

通過電磁設計確定改造方案。 定子繞組采取較薄絕緣厚度的F 級電磁線， 采取工藝成熟的較薄的主絕緣厚度，一些串聯匝數較多的小機組甚至采取半疊包，以增大線徑，降低溫升。一般而言，對較早期的機組，增大線徑可滿足增容幅度不超過20%的要求。 電磁設計時應到電站實地檢測繞組溫度，以對電磁設計方案進行對比修正。如確認不能滿足增容要求，則考慮更換電磁鐵芯。

定子改造一定要準確核實定子槽型， 嚴防線圈無法下槽；要核實原機組電磁噪聲和電磁振動在國標范圍內，否則應考慮改變接線或更換鐵芯設計來降低怎懂和噪聲值，滿足國家標準要求。

2.2.2 轉子的改造

同樣需要通過電磁計算確定改造方案。 如計算和現場實測對比表明，原有繞組基本滿足增容改造要求，可僅更換轉子繞組絕緣，或適當增加繞組匝數1～2 匝；否則應另行設計制造新的繞組。

如果改造后機組飛逸轉速發生變化， 應核算軸系臨界轉速及轉動部件強度是否滿足要求，確保運行安全。

2.2.3 通風系統改造

風路設計不良會造成熱風短路， 部分熱風從定子端部未經冷卻直接返回轉子形成內循環， 導致電機溫升異常。如果電機實際溫升明顯高于計算溫升，或計算表明增容后電機溫升偏高，應仔細檢查電機風路設計，必要時對擋風板等結構進行更改，增加空冷器容量，對管道通風的電機可考慮增設排風扇，以滿足增容要求。

2.2.4 軸承冷卻系統改造

一般來說，電機增容后軸承溫度不會明顯升高，軸承冷卻系統不必改造。對部分機組軸承溫度原本較高，或水機改造采取了新轉輪導致水推力明顯增大， 可考慮完善油路設計以便熱油充分冷卻，增大油冷卻器換熱容量，增設油泵促進油循環等辦法，必要時甚至采取軸瓦水內冷，降低軸承溫度。

2.2.5 制動系統改造

為達到更環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器。

2.2.6 勵磁系統改造

根據電磁計算結果， 核實原有勵磁系統容量是否足夠； 電磁設計應綜合考慮勵磁系統要求， 必要時采取辦法，使得不需改造勵磁系統仍然滿足機組增容要求。對一些小容量發電機， 可根據用戶需要將原有可控硅勵磁改為無刷勵磁系統。

發電機增容改造時，一定要復核機組強度，復核軸系臨界轉速，復核電磁參數能滿足電站要求。 此外，一定要對新的零部件與未更換的原有零部件的接口進行準確測量，須知，水輪發電機組制造過程中，可能存在加工誤差，或者圖紙標注錯誤，簡單依據提供的圖紙不嚴格核實就進行增容改造， 是存在風險的。

3 機組增容改造的效益

新建電站的開發成本高，工期長，目前，很多新電站的投資已經達到每千瓦一萬多元。與之形成對比，老電站進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， 僅僅更換水輪機轉輪和發電機定子繞組就能實現增容要求，投資僅占機組總價的幾分之一，占電站的投資就更小。

我國大多數水電站都是興建于20 世紀60～90 年代，本世紀初期的水電建設高峰期也建造了大量水電站，一些水電站已運行數十年之久，很多電站本已運行多年，設備已老化，如過流部分嚴重磨損，轉輪和導葉等部件受磨損和空蝕，葉型被破壞，效率下降；發電機繞組絕緣熱老化，或因電暈的作用表面出現大量麻點，絕緣性能下降，威脅機組安全運行。 也有一些電站因為采用的是套用機組，或電站參數變化使機組效率下降，水資源無法合理利用，造成嚴重浪費。 近些年來，電力系統對于水電機組調峰要求不斷提高，機組啟動與停機次數增多，機組運行條件更嚴苛，老舊的電站無法適應變化。

在對老電站進行增容改造之后，機組容量增加，汛期棄水量減少，機組效率提高，同時，減少機組檢修次數，檢修周期增長，調頻和調峰能力增強，有效提高了電站機組備用容量。機組增容改造成功的例子比比皆是，能創造明顯效益已成為行業共識。

4 結束語

通常情況下，水輪發電機組增容改造之后，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，會有大量水電站邁進“高齡”階段，水輪發電機組增容改造技術將有極大的應用空間， 將為水電站創造更好的效益，促進國民經濟的發展。