小水电站增容改造中的重点技术问题

刘发

(驻马店市薄山水库管理局，河南驻马店463218)

在我国早期兴建的一些小水电站中，普遍存在着以下方面的特点:技术落后、装机容量低(大多为100～3 000 kW左右)、制造质量差、效率低下、台数多和安全隐患多等问题。为解决当前供需电力之间的矛盾，对水轮机和发电机进行科学合理的增容改造，已成为现有小型水电站充分开发水力资源，挖掘自身潜力，以及提高水电站经济效益的有效途径，也是解决小水电站中老化机组安全隐患和问题的根本措施。

1 增容改造的必要性和可行性

我国现有的的小型水电站，大多为20世纪60～70年代大兴水利时期所建。经过了几十年的运行，大多存在机电设备故障多、效率低下、水能资源利用率低、设备陈旧、运行维护成本过高等因素，导致水电站的经济状况非常困难，安全生产也无法得到有力保障，可持续发展空间严重不足。因此，使用高新科技对水电站实施改造，已然成为了当前小型水电站可持续发展的主要出路。

小水电站增容改造项目，不仅符合当前国家优先发展能源产业政策，也符合“大力发展水电”的电力发展原则。对我国数目众多的小型水电站，利用高新技术进行增容改造，挖掘自身潜力，以提升水电站生产运行能力和经济价值，是继续巩固和发展电气化建设成果最有效，也是最经济的方法，同样是地方电力壮大和发展的有效途径。

2 小水电站运行中存在的主要问题

2.1 水轮机主要性能参数和电站实际运行参数不符

水轮机主要性能参数—N、H、Q，即功率、水头和流量。在我国建国初期所编制的水轮机模型的转轮型谱中，能够进行选择的转轮机型号偏少，而大多数的小型水电站在设计时只能采用相似的转轮参数进行设计，往往导致水轮机的主要性能参数与电站实际运行参数不符的问题。同时，由于设计单位的水平不足或相关部门重视的程度不够，也造成了在一些小水电站中出现了额定转速、额定水头、水轮机转轮直径选择不当，主要性能参数与实际参数不符的问题。随着近年来国家对水利工作的重视，各地的中小水库陆续进行了加固、扩建等工程，造成水库的运行水位与最初设计不一致的情况也较为常见。

以上问题的出现，都会使水轮机偏出自身最优工况区运行，造成机组自身耗水量多，发电损失量大，以及噪声和振动大的问题，使水轮机的正常运行效率和使用寿命都大幅度降低。

2.2 水轮机存在质量差和技术落后的问题

上世纪60年代左右，我国当时在水轮机模型型谱中所颁布的一系列型号的水轮机，现在仍然在一些小水电站中使用。这些水轮机转轮普遍技术水平陈旧，在效率、转速和流量等主要性能指标方面明显偏低。并且，由于这些水轮机普遍存在着安全可靠性差、制造质量差和缺陷多等问题，不仅在修理上浪费了大量人力与财力，而且发电效率较低。

2.3 转定子绝缘老化和烧瓦问题

我国一些小水电站的水轮发电机中，由于运行时间过长，导致转定子的绝缘老化现象非常严重，不仅容易出现接地故障，对机组的安全运行也是严重的威胁。而且，因轴承的制造和安装的水平偏低，也导致了推力轴承的安全可靠性能不高，常会发生烧瓦事故。

2.4 电气设备和水轮机之间不配套的问题

由于在当前一些小水电站中，电气设备和水轮机并不配套，使得发电机额定容量和水轮机的输出功率并不相符。如容量大于输出功率，则导致了水电站的设计效率受到限制，在发电时会出现不正常的弃水现象;如容量小于输出功率，则既加大了水轮机运行的损耗，浪费了发电机的容量。

3 小水电站增容改造中的技术重点

小型水电站的增容改造，必须贯彻落实经济性、合理性、先进性和特殊性这四项基本原则。经济性是指能在有限的经济投资基础上，尽量提升年发电量，以提高水电站的经济效益;合理性则是指对水电站中的不宜变更和不可变更的制约条件进行妥善处理;先进性是指对技术成熟、性能先进的转轮、发电机和其它辅助设备的择优选择;特殊性则是指在增容改造过程中对特殊问题的灵活和妥善的处理。

3.1 优化设计

在对小水电站增容改造中的设计，多是以对水轮发电机组的设计改造为主，主要设计要点包括了了以下几个方面:

1)当功率、水头、流量和原设计变动不大时，而水轮发电机组的性能落后、设备陈旧的小水电站中，适宜采用和水头段导水叶高度相似或者相同的新型转轮。若缺乏适合的新型转轮，则可以考虑改动过流部件的结构和型线，或者对转轮进行改型或重新设计，以起到增加水轮机运行效率，增加单机容量和年发电量的目的。

2)当水头和流量与原设计相比有增加的小水电站，则需根据实际增加的具体条件，加大水轮机的额定输出功率，增加额定水头，并重新设计转轮或改用新型转轮，以使水轮机能够在较高的效率区域中运行，不仅增加了水电站的单机容量，提升了水轮机的运行效率，年发电量也能有所提高。

对于以上的两种方式，当确定水轮机功率后，都应对相应功率发电机进行配套，并对辅助设备作出核算，以判断是否需要进行更换。

3)当出现发电机额定容量小于水电站水轮机输出功率时，应对发电机作单独改造，并通过提高绝缘等级和改进通风系统实现增容改造的效果，在必要时还需对水轮发电机进行重新设计和制造。当主变压器容量不足时应换取新的变压器;当出现发电机额定容量大于水电站水轮机输出功率的情况，如对水轮机采取改型后也没有增容的可能，则可以暂时按照现状运行。

3.2 增容改造的方式

由于水轮机与发电机是在两个不同的范围之中，而且各自的技术发展也各不相同。并且，由于水轮机在水轮发电机组中起到了原动机的功能，因而水轮机对机组运行效率的影响比发电机更加明显。同时，水轮机自身影响参数偏多，选型的技术难度也较大，容易在水电站实际运行中发生更多的问题。因此，在对小水电站增容改造的过程中，应分清水轮机和发电机的主次关系，首先要做好水轮机的改造，以推动水轮发电机组和整个水电站机电设备的技术改造。

3.3 输水系统的核算

在对小水电站增容改造的过程中，输水系统的改造是其中关键的环节。输水系统的核算过程，即是对水头损失的数值与水轮机输入水系统过流量数值的关系进行核算，以此绘制出水头损失和流量的关系曲线，从而对水轮机额定水头和设计引用流量的最大允许值做出分析选定。

核算的调整就是从水轮发电机组的输水系统中的机制运行特性与水力特性，从这两个方面来对运行过程中可能出现的最大水压力值和最大转速升高值进行核算，并核查是否在设计允许的范围之内，以分析和研究出补强措施的合理性与可行性。总之，水轮机输水系统中的最大过流量、水压力和水头损失，是制约当前小水电站实施增容改造的关键因素，应对其高度重视，否则容易影响到整个改造过程中的经济效益与安全运行。

3.4 温升问题

当采用直接对原机组改型的增容方法，因为发电机规格和尺寸没有变化，而发电效率得到增加，必然会导致定子和转子温升的提高。对于温升提高的问题，一般采用新型的绝缘材料，并将绝缘等级由初始的B/B提升为F/F，所允许的最大温升见表1。

表1 最大允许温升表 ℃

由表1可见，当B级提升至F级以后，温升的允许值约增加了20℃，而发电机组的允许温升和测量方法有关系。当对发电机进行增容改造以后，需验证定子和转子的最大温升是否超出允许值，以保证发电机的运行安全和使用寿命。

3.5 竣工验收

对小水电站水轮发电机组增容改造成果的检验，应对单机容量＞500 kW的水轮发电机进行技改前后性能的对比测试。同时，为使技改工程的质量和安全得到保证，一定要对机组的起动进行验收，当起动的验收通过后方能进行试生产运行。当试生产运行合格且所遗留的所有问题都处理完毕以后，才可进行最后的竣工验收工作，以此确保小水电站增容改造工程的高效、安全、长期的运行。

4 总结

对现有小水电站水轮发电机组增容改造的技改，不仅符合各个地方小水电站发展的实际情况，也符合国家的节能减排、充分利用可再生能源的要求，并能为水电站带来显著的经济效益，是一种见效快、投资省的有效方式。为此，应重视对小型水电站的增容改造工作，并根据自身实际情况，因地制宜，有针对性的进行增容改造工作，为水电站取得实实在在的技改成效和经济效益。

［1］ 陆大为，林环兴.小型水电站增容改造的体会［J］.中国农村水利水电，2007(03):64－65.

［2］ 黄祖敏.浅谈小水电站增容改造中需注意的几个问题［J］.中国农村水电及电气化，2005(09):64－65.

［3］ 陈德新.水轮机，水泵及辅助设备［M］.北京:中央广播电视大学出版社，2001.

［4］ 马跃先，马希金，阎振真.小型水电站优化运行与管理［M］.郑州:黄河水利出版社，2000.

［5］ 刘启钊.水电站［M］.北京:中国水利水电出版社，1997.