水轮发电机组增容改造技术分析

蒙长征， 杨 平

（1.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司， 广西 南宁 530000；2.韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司， 广东 韶关 512000）

0 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 水轮机增容改造的必要性及方法

1.1 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。

随着技术的发展，各种效率高、过流能力强、气蚀性能好的新型转轮模型得到了应用，用新型机组更换后，机组出力效率将大大提高，单位发电量增加，水能利用率提高，大大增加年发电总量，增加经济效益。

1.2 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。 如果增容空间不明显， 根据目前国内水轮机研制单位研制的新转轮技术资料及生产厂家的生产情况， 结合技术改造项目尽量不改动建筑物为原则，在单机容量容许范围，尽可能选用与原机型相同的机组， 根据水力计算采用新型高效率转轮更换原有转轮提高机组效率， 达到增加发电总量，增加经济效益的目的。

1.2.1 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。

1.2.2 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。

1.2.3 轴承改造

根据增容改造的新的机组容量，进行轴承复核计算，必要时进行加大轴承改造， 多数情况下旧轴承轴径都能满足新机组的应用， 有些电站轴承由于磨损等造成轴承间隙偏大机组振动大温升高等问题， 可以通过翻倒轴瓦或更换轴承进行改造处理。

1.2.4 调速器改造

旧的调速器经过多年运行后，磨损及密封老化，调速器故障率增加，加上原技术水平偏低，难以适应改造后机组自动化运行的要求，根据增容后新的装机容量，进行调速功复核计算，选择新的高油压调速器进行更新改造。

2 发电机增容改造的必要性及方法

2.1 发电机改造必要性

先前设计的发电机， 可能存在着绝缘材料耐热等级较低；制造工艺不稳定，绝缘层较厚；通风不畅，局部热风短路，电机温升较高；轴承冷却不佳，温度偏高；绕组接线方式不佳，噪声高于国家标准等问题，机组长久运行后，伴随零部件老化，问题变得更加突出，机组安全稳定运行得不到保证。

2.2 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。

2.2.1 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。

2.2.2 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。

2.2.3 通风系统改造

风路设计不良会造成热风短路， 部分热风从定子端部未经冷却直接返回转子形成内循环， 导致电机温升异常。如果电机实际温升明显高于计算温升，或计算表明增容后电机温升偏高，应仔细检查电机风路设计，必要时对挡风板等结构进行更改，增加空冷器容量，对管道通风的电机可考虑增设排风扇，以满足增容要求。

2.2.4 轴承冷却系统改造

一般来说，电机增容后轴承温度不会明显升高，轴承冷却系统不必改造。对部分机组轴承温度原本较高，或水机改造采取了新转轮导致水推力明显增大， 可考虑完善油路设计以便热油充分冷却，增大油冷却器换热容量，增设油泵促进油循环等办法，必要时甚至采取轴瓦水内冷，降低轴承温度。

2.2.5 制动系统改造

为达到更环保以及操作更简单目的， 可考虑采取油气分离式并自带小型粉尘吸收装置的制动器。

2.2.6 励磁系统改造

根据电磁计算结果， 核实原有励磁系统容量是否足够； 电磁设计应综合考虑励磁系统要求， 必要时采取办法，使得不需改造励磁系统仍然满足机组增容要求。对一些小容量发电机， 可根据用户需要将原有可控硅励磁改为无刷励磁系统。

发电机增容改造时，一定要复核机组强度，复核轴系临界转速，复核电磁参数能满足电站要求。 此外，一定要对新的零部件与未更换的原有零部件的接口进行准确测量，须知，水轮发电机组制造过程中，可能存在加工误差，或者图纸标注错误，简单依据提供的图纸不严格核实就进行增容改造， 是存在风险的。

3 机组增容改造的效益

新建电站的开发成本高，工期长，目前，很多新电站的投资已经达到每千瓦一万多元。与之形成对比，老电站进行增容改造投入资金少，工程周期较短，收益较高。 很多情况下， 仅仅更换水轮机转轮和发电机定子绕组就能实现增容要求，投资仅占机组总价的几分之一，占电站的投资就更小。

我国大多数水电站都是兴建于20 世纪60～90 年代，本世纪初期的水电建设高峰期也建造了大量水电站，一些水电站已运行数十年之久，很多电站本已运行多年，设备已老化，如过流部分严重磨损，转轮和导叶等部件受磨损和空蚀，叶型被破坏，效率下降；发电机绕组绝缘热老化，或因电晕的作用表面出现大量麻点，绝缘性能下降，威胁机组安全运行。 也有一些电站因为采用的是套用机组，或电站参数变化使机组效率下降，水资源无法合理利用，造成严重浪费。 近些年来，电力系统对于水电机组调峰要求不断提高，机组启动与停机次数增多，机组运行条件更严苛，老旧的电站无法适应变化。

在对老电站进行增容改造之后，机组容量增加，汛期弃水量减少，机组效率提高，同时，减少机组检修次数，检修周期增长，调频和调峰能力增强，有效提高了电站机组备用容量。机组增容改造成功的例子比比皆是，能创造明显效益已成为行业共识。

4 结束语

通常情况下，水轮发电机组增容改造之后，都获得了良好的增容改造成效。水电站增容改造是一种低投资、高收益、短工期、投资回收快的手段，可以让老电站焕然一新。 今后，会有大量水电站迈进“高龄”阶段，水轮发电机组增容改造技术将有极大的应用空间， 将为水电站创造更好的效益，促进国民经济的发展。