对水轮发电机组技术改造及运行方式的研究
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作者: 辛辉
[摘要]水轮发电机组是水电站的重要设备，能否保证水轮发电机组长期、正常运行会直接影响到水电站的经济效益。近几年全国各地不少小水电站在对水轮发电机进行改造中摸索了一些行之有效的方法，以下本文结合工作经验对水轮发电机组技术改造及运行方式进行分析研究，以供同行参考。
[关键词]水轮发电机组；技术改造；运行方式；研究
1、概述
水电站技术改造中最重要的内容是水轮发电机组的技术改造。不少水电站除转轮需更换外，水轮机运行情况良好，可超出力运行的情况较多。而发电机老化严重，不能满足水机的超出力运行。这是因为早年生产的水轮发电机受当时的设计水平、材料质量、生产技术和制造工艺的限制，造成初装缺陷，又经多年运行，使发电机绝缘老化，线圈松动，铁损增加，运行噪音大，温升高，效率低。在一些小水电站中，对这类旧发电机的技术改造潜力很大。另一方面，随着近年来科技的发展，发电机的设计、制造水平有了很大的提高，新材料、新工艺的应用日益广泛，因此对水轮发电机进行技术更新、挖潜改造、扩机增容是不难实现的。
2、技术改造的必要性及要遵循的原则
现代科技的不断进步为水电站的技术改造创造了条件。对老水电站的技术改造可以收到投资少、收益大、施工期短、投资回报快的效果。众所周知，早期小型水电站的机组选型一般只按当时所颁布的系列型谱选择水轮机型号和标准直径，造成机组实际运行参数与设计参数不符，使机组长期达不到额定出力或偏离最优工况运行。据调查，有些小型水电站选择的设计工况偏离运行最优工况甚远，造成水能资源的浪费；有的电站由于运行年久，设备老化严重，致使出力下降；有的因选用的设备制造质量差或有严重缺陷，还存在安全运行可靠性差的问题；加上管理水平不高，使机组长期带病运行，从而加速了设备的损坏，这也是小型水电站存在的通病，而所有这些因素都使更新改造成为当务之急。然而技改的成功实施必须遵循从实际出发，根据原有工程状况，充分做好技改的技术经济论证，力求技术先进、经济合理，尽量采用新技术、新工艺、新设备，慎重选择设备制造商等原则，以保证设备质量的先进性和可靠性。同时，工程的更新改造必须符合相关规程规范，并严格执行审报手续和竣工验收的有关程序。另外，投资回报年限也是技改成功与否的重要指标之一，一般小型水电站的投资回报年限以3年左右为好。
3、改造中应注意的问题
改造前应做好可行性分析报告。通过对多年水文资料和电站运行工况分析，请发电设备生产厂专业技术人员利用计算机将各水头水能效益进行综合分析和对发电机电磁参数进行优化计算，列出改造方案比较表，然后邀请有关专家，起到了少花钱办好事的效果。对于水机转轮更换及发电机定，转子线圈更新同样应做好改造可行性分析。同时为验证改造后机组性能，有必要进行导叶开度与发电机出力对比试验；发电机定，转子温升试验。最好做一下机组效率试验，以验证改造的效果，并将试验结果存档。
4、水电水轮发电机的改造措施
水电水轮发电机技术改造的主要措施有以下几条：
1)更新定、转子绕组的绝缘。早期生产的水轮发电机绝缘材料多采用沥青云母材料，属于B级绝缘。改造中采用F级的环氧粉云母材料和F级的绝缘工艺，可提高发电机的耐电压性能和耐温性能，并减小绝缘材料的单面厚度。采用先进的浸漆、烘焙工艺，填充线圈间及线圈与铁心的空隙，可增加电机的绝缘、散热效果，降低温升。因为发电机质量的好坏、寿命的长短就在于绝缘材料，所以改进绝缘结构是发电机技术改造中最有效的方法。按《水轮发电机基本技术条件》规定，F级绝缘的最高允许温度，定子绕组为140℃，转子绕组为150℃。
2)在发电机绝缘水平提高、绝缘减薄的基础上，可增加定子绕组铜线的截面，提高线圈的槽满率，由此可增大电机的线负荷，提高发电机输出功率，达到增容的目的。同时也可降低绕组的电流密度，使铜耗减小，温升下降。更新线圈可采用先进工艺，如天津发电设备厂的“无间隙嵌线”专利新技术和线圈连焊新工艺；定子线圈制作采用二次热压二次整形工艺，使线圈导线排列整齐、匝间粘结牢固，线圈形状一致性好；定子线圈端部可采用目前大电机上采用的绑扎材料绑扎，可保证绑扎牢固、通风好、不易老化。转子绕组可加装散热匝；转子线圈对地绝缘采用上下端面900翻边结构，可有效阻止发电机长期运行中灰尘、油污进入磁极铁心与线圈之间，并提高对地耐压能力。
3)定子铁心采用高质量的导磁材料，如低损耗、高导磁冷轧无取向硅钢片，提高迭装系数，可减小定子铁心损耗，提高发电机运行效率。
4)改进发电机通风结构。采用3维温度场的科研成果设计发电机的散热，根据不同季节、发电机的不同出力情况、风温的高低，调节发电机风量；降低热风温度，减小风摩损耗，提高发电机的出力和使用寿命。
5)采用电子计算机优化设计。利用计算机设计软件进行电磁计算，确定最佳技改方案，设计发电机的电磁性能，选择最合理的结构尺寸。
5、水轮发电机组的运行方式
水轮发电机组的运行方式，按带负荷方式有并网运行、单机运行两种基本方式，按调速器控制方式有自动运行、手动运行两种方式。各种运行方式及其要点在下表中简要列出。
5.1 水轮发电机机组带负荷运行中应该注意的问题
并网运行是中小水轮发电机组的基本运行方式。并网运行机组运行工况的改变，要通过控制设备的切换来进行，如自动＝液压手动、发电＝调相等。运行方式的切换，应按运行操作规程进行，以保持切换中机组稳定与安全。并网运行机组的调速器永态转差系数b值，要根据机组在系统中的地位及担任负荷的性质来确定。中小机组并入大电网都担任基荷，其调速器的b值取8％。当系统的变化负荷可为调频、调峰机组所承担，保持系统频率不变时，该b=8％的机组负荷维持不变。只有当系统负荷变化较大，引起系统稳定频率有改变时，该机组的负荷才会有少许相应改变。如果并在大电网的小机组误把b调成很小值甚至为零，则该机组会在满载和零值之间发生功率摆动。只有系统的无差调频机组，才允许b值调整为零。
机组单机带孤立负荷运行，则孤立小系统的所有负荷都由一台机组承担。这种情况下运行的机组，对其调速器、励磁装置的自动调节功能将有较高要求，以保证既满足用户有功负荷、无功负荷需求，又保证电能频率和电压的稳定。
5.2 试运行机组带负荷试验
试运行机组首次带负荷运行试验，要采用逐渐加大负荷的方式，并分别在小负荷、中等负荷、较大负荷和满载下稳定运行一定时间，以便在各种负荷下全面检验机组的水力的、机械的、电气的性能。
在逐渐增加负荷的过程中，要仔细寻找机组可能存在的振动区，以便正常运行时避开这个不利的工况。
对于试运行机组还要进行甩负荷试验。甩负荷试验要在周密准备、统一组织下进行，要严格按着额定负荷的25％、50％、75％、100％的顺序由小到大逐级进行。只有当小负荷b进行的甩负荷试验一切正常，即机组水压上升、转速上升的最大值和过渡过程都符合规定要求，不超过允许值，无任何异常情况时，才允许进行甩更大一级负荷试验。甩负荷试验过程要严密监视机组的水、机、电等一切情况，并要对主要数据做好记录。
6、结论
水轮发电机组是整个电站的主要设备之一，做好水轮发电机组的改造，将提高水轮机的运行效率，增加年发电量，同时为国家提供更多的电力能源，减少二氧化碳排放，因此应该重视水轮发电机组的改造及安全运行。
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