水电站水轮发电机组设备技术升级改造

水电站水轮发电机组设备技术升级改造
发布时间：2021-04-22T15:18:09.787Z 来源：《当代电力文化》2020年29期作者：宋玉峰
[导读] 经过30年的技术发展，今天我们有了更先进的水电站机组设备技术，可以提高水电站的运行效率、稳定性、自动化程度，在将来会使水电站产生的清洁能源发挥更大的社会效益和经济效益。

宋玉峰
新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆伊宁市 835000
摘要：经过30年的技术发展，今天我们有了更先进的水电站机组设备技术，可以提高水电站的运行效率、稳定性、自动化程度，在将来会使水电站产生的清洁能源发挥更大的社会效益和经济效益。

关键词：小水电；技术升级；增容改造
引言
水电是清洁能源，可再生、无污染。

中国水能资源蕴藏量、可开发的水能资源居世界第一位。

改革开放以来，水电事业飞速发展，据统计至2018年底，中国水电总装机容量约3.5亿kW，稳居世界第一。

然而，很多电站经历多年运行，设备老化，安全可靠性下降，效率偏低，迫切需要改造。

另一方面，转轮研发技术的发展，效率更高、过流量更大的新型转轮涌现，发电机绕组制造技术的进步，新材料的应用，以及通风冷却及轴承冷却系统的的改善，为机机组增容改造的实现提供了坚实的保证。

1水轮机转轮型号的选择及结构设计
水电站在水工建筑部分不改变的前提下，针对水头的变化，优化了机组转轮等设备设计，提高水轮发电机组效率。

1.1精选转轮型号，提高工况效率
为提高电站水轮机利用效率，同时减少转轮空蚀现象的发生，且水轮机需适应新的额定水头。

在转轮选型过程中，从理论分析到模型试验，对备选转轮型号进行严格对比和筛选。

发电机的同步转速为750r/min，额定水头为Hr=101m时，通过计算比选了A855a型号转轮用于本电站水力稳定性好。

同时，该转轮的稳定性范围大，且水力利用效率能够达到95.63%。

A855a转轮适应水头范围大，在45%～105%负荷范围内有良好的水力稳定性，较大的出力裕度，足够的强度和刚度;出力、气蚀、振动等各项性能指标均较优良。

但存在叶片出水边厚度较薄，在长期偏离最优工况运行时转轮受力不均衡，容易出现转轮裂纹;极低负荷运行等恶劣工况如果持续长甚至会出现贯穿性裂纹。

晒谷坪水电站属于保安电源，在低谷时段(0～8时)一般空载运行，符合不利工况运行状态，必须采取有效措施避免产生转轮裂纹方能采选本型号转轮。

由于转轮直径偏小，叶片出水边厚度也较薄，电站长期在非最优工况下运行时，叶片很容易产生裂纹，给电站运行和维护带来不必要的损失。

在不影响转轮水力性能的前提下，适当对转轮叶片出水边进行加厚处理;同时倒角修圆，增加叶片强度、韧度，提高机组在恶劣工况下的抗疲劳强度能力。

倒角修圆也可避免产生卡门涡，改善水流环境。

1.2创新机组结构形式，提高设备运行可靠性
根据国内主流的水轮发电机组结构设计方式，结合行业内先进的设计理念，对水轮发电机组进行多层次结构优化。

(1)在对机组尾水管常规十字架补气方式的基础上，增设强制补气系统和常通式补气系统。

晒谷坪水电站正常运行时，转轮补气方式是由尾水弯管内部的十字架带真空破坏阀进行补气。

当出现补气量不足时，可投入备用的常通式补气管和强制补气系统度加强补气效果，达到充分消弭尾水管及转轮叶片旋转范围内形成的真空，高效减少转轮空蚀发生率。

(2)导水机构调整方式由偏心销调整导叶断面间隙改造双头锁定螺杆调整方式，原先的偏心销调整方式会随着日后机组老化，各部件配合精度降低等因素造成偏心销锁锭牢固程度下降，致使导叶端面间隙在长期运行中跑偏。

本次使用的双头锁锭螺杆能够有效的保证端面间隙在长期运行中不发生变化。

2水轮机增容改造的必要性及方法
2.1水轮机改造必要性
多数老电站水轮机受生产时技术条件限制，机组效率较低，水轮机经过多年的运行，可能出现一系列问题，如过流部件磨损、转轮气蚀破坏，密封磨损，漏水漏油量大，机组振动加剧，设备局部产生裂纹等。

设备老化导致机组运行安全性稳定性降低，增加维修次数及维修成本，出现无谓的弃水现象。

有些电站的水文条件发生了变化，原设计过于保守，水轮机组当年技术水平低、老化磨蚀严重，效率降低低，电站无法发挥正常的社会和经济效益。

2.2水轮机增容改造方法
水轮机增容改造首先应进行可行性报告并获得批准。

应根据水文计算成果，结合电站多年运行记录，统计年弃水天数，综合判断并确定电站机组增容空间。

如有明显的增容空间，则通过水力计算，确定是否需要更换为效率更高过流量更大的优质转轮，以满足增容要求。

2.2.1水轮机转轮的改造
根据水力计算确定更换新转轮或修复旧转轮。

更换新转轮时一个极为重要的工作，是在电站实地精准测量新转轮与原有结构的配合尺寸，以确保配合成功。

旧转轮的修复则通过补焊、加工等，还原原有形状。

2.2.2导水机构改造
经过多年运行，导水机构的导叶受到含沙水流的冲刷磨损或者气蚀等导致导水机构漏水，机组效率下降等现象，有些机组导水机构全关状态下漏水量过大，机组转动部分还会出现蠕动现象，根据磨损或气蚀的严重程度，对导叶进行补焊重新修型或者直接更换新导叶的改造处理，顶盖、底环等过流面有些气蚀严重的可以镶焊不锈钢板或者特殊的抗磨抗气蚀新型材料进行覆盖处理，导叶轴套可以采用新的自润滑轴套进行更换，更换密封件，减少漏水量。

3发电机增容改造方法
发电机增容改造首先要根据增容幅度进行电磁方案计算，以确定电机绕组和铁芯的改造方案。

如水轮机提供的改造后的机组非飞逸转速和水推力有较大增加，还应进行轴系振动和有关部件的刚强度校核。

3.1定子的改造
通过电磁设计确定改造方案。

定子绕组采取较薄绝缘厚度的F级电磁线，采取工艺成熟的较薄的主绝缘厚度，一些串联匝数较多的小机
组甚至采取半叠包，以增大线径，降低温升。

一般而言，对较早期的机组，增大线径可满足增容幅度不超过20%的要求。

电磁设计时应到电站实地检测绕组温度，以对电磁设计方案进行对比修正。

如确认不能满足增容要求，则考虑更换电磁铁芯。

定子改造一定要准确核实定子槽型，严防线圈无法下槽；要核实原机组电磁噪声和电磁振动在国标范围内，否则应考虑改变接线或更换铁芯设计来降低怎懂和噪声值，满足国家标准要求。

3.2转子的改造
同样需要通过电磁计算确定改造方案。

如计算和现场实测对比表明，原有绕组基本满足增容改造要求，可仅更换转子绕组绝缘，或适当增加绕组匝数1～2匝；否则应另行设计制造新的绕组。

如果改造后机组飞逸转速发生变化，应核算轴系临界转速及转动部件强度是否满足要求，确保运行安全。

结语
水电站水轮发电机组经过近3年的运行，投入使用效果良好，机组的稳定性、轴瓦稳定、启停的顺畅性都得到有效的验证，并取得了良好效果。

电站水轮发电机组发电机前轴承摆渡小于185μm，后轴承摆渡小于110μm，发电机垂直振动和水平振动小于50μm。

轴瓦温度稳定在45℃，甩负荷、过速均能得到有效的控制。

改造后原型水轮机额定点效率为92.6%，发电机效率为96%;改造后机组综合效率达到88.9%，相比改造前机组综合效率增加约15.04%。

从实际运行效果来看，机组效率显著提升，机组主要参数满足设计和规范要求，性能指标达到了预期目的。

改造后机组的稳定性大幅提升，各部位的振动、摆度值远优于行业标准振动指标要求。

参考文献
[1]刘大恺.水轮机(第三版).[M]北京:中国水利水电出版社,1997.10.
[2]陈锡芳.水轮发电机电磁与计算.[M]北京:中国水利水电出版社，2011.10.
[3]马善定,汪如泽.水电站建筑物(第二版).[M]北京:机械工业出版社，1996.10。