农村小水电站机组增容改造实际方法

我国农村小水电资源丰富，主要分布在全国1500多个县(市)。到2003年底，已建成农村水电站4万余座，占全国农村水电资源可开发量的40%，其中运行30年以上的小水电站的装机容量1.53GW，运行20年以上的小水电站装机容量7.57GW，分别占已建成的小水电站总装机容量的5.3%和26.3%。这些小水电站的特点是：装机容量小(大多在0.5～3.0MW以下)，台数多，技术落后，效率低，制造质量差，安全生产隐患多。因当时的库容和设计水头与现在的实际运行工况已有很大差距，许多电站水头已提高，具有进一步提高电站发电容量的条件，特别是近几年来，大电网对地方电网实行峰、谷电价和峰电超计划加价政策，因此让电网中调节性能较好的水库电站实行顶峰发电，多发峰电，少发谷电，就能明显提高地方网的负荷率和经济效益，许多水电站在原设计时未考虑电站的调峰容量，丰水期缺少调峰能力，因此，对这些电站进行增容改造，提高电站的调峰能力是提高电站和县电网经济效益的关键措施之一。

另外，发电机组运行十多年后，发电机定子绕组的绝缘老化比较严重。主要原因：热老化(因温升而老化)；机械老化(因热循环产生交变应力而老化)；电气老化(因过电压而老化)；环境老化(因吸湿、污损而老化)。在这些因素的综合作用下，绝缘老化会进一步加剧甚至击穿。

综上所述，老电站进行增容改造是十分必要的。本文介绍几种增容改造方法，并提出改造过程中应注意的问题。

1 机组增容改造的方法

增容的目的是利用有限的资金更换或改造机组及部分设备，提高出力以获取更多的电能。本文以1.25MW的发电机增容为1.6MW为例，介绍机组增容改造的方法。

1.1 采用新发电机更换的增容方法

为充分利用水头容量，使发电机出力由1.25MW增至1.6MW，最简单的方法是更换整台发电机。采用全新的发电机(1.6MW)，既可以增容，又解决了原发电机定子绕组绝缘老化的问题；但是，采用1.6MW的新发电机投资大，要同时改造几台机组，一次性投资需要几百万元，对于许多小水电站而言，这笔费用难以承受。

1.2 改造原发电机的定转子绕组的增容方法通过改造原发电机定、转子绕组，可以使原发电机出力达到1.6MW，其改造措施如下。

(1)采用新型的绝缘材料——环氧粉云母替代沥青云母，其绝缘单面厚度减薄，提高槽满率，增加定子绕组的截面积，从而提高定子的额定电流，并减少铜损。

(2)定转子绝缘由B级提高为F级，从而提高了定转子的耐热性能和耐电压性能。

(3)改善通风结构：在定子上下端部开设通风口，在通风口增设排风机，从而大大降低温升。

采用这种方法，可以节省改造费用(每台发电机改造只需30万元左右)。利用枯水期进行改造，既不影响水库的正常运行，又可及时发挥效益。

1.3 提高功率因数运行的增容方法

目前，随着较先进的高级水涡轮的研制和水涡轮制造工艺的提高，在保持原发电机结构尺寸不变，水轮机蜗壳、导水机构、尾水管保持不变和电厂水工部分不变的前提下，通过更换定子线圈和提高功率因数等措施，提高机组出力是可行的。

通过采用环氧粉云母来替代原来的沥青云母绝缘，可以加大定子绕组的截面积，同时，将发电机绝缘等级由B级提高到F级，原机组视在功率1562.5kVA，额定功率因数为0.8时，有功出力为1.25MW；通过挖掘原设计潜力，改造定子绕组后，发电机额定容量可达到1895kVA，取COSφ=0.95时，有功出力可以达到1.8MW；另外，提高功率因数可以相应减少发电机的转子电流和励磁功率。

采用提高功率因数，无功由电容器补偿的方式，投资省(每台发电机增容费用28万元左右，包括补偿电容器)，采用无功补偿方式可以和电力部门协商。

2 增容改造中需注意的问题

以上介绍了发电机由1.25MW提高到1.6MW的增容方法，在增容改造中，应特别注意以下问题。

2.1 温升问题

采用改造原机组的增容方法，由于发电机尺寸没变，而出力增加，必然引起定转子温升的提高，采用新型绝缘材料，使绝缘等级由B/B提高为F/F，其允许温升如表1所示。

表1 允许温升表 ℃

B级 F级
-----------------------------------------------------------------------------------------
温度法 电阻法 埋置检温计法 温度法 电阻法 埋置检温计法
------------------------------------------------------------------------------------------
70 80 80 85 100 100
-------------------------------------------------------------------------------------------

可见：由B级提高至F级，温升允许值提高了20℃，而电机的允许温升与测量方法有关。发电机增容改造后，应验证定转子温升是否超出允许值。

2.2 水轮机改造问题

在以上介绍的增容方法中，着重考虑发电机的增容，而电站有功出力由水轮机决定，水轮机还存在效率问题；在额定水头基本不变的情况下，通过提高转轮效率和加大过流量使水轮机出力增加20%～25%；如发电机为1.25MW时，配HL263-LJ-100型水轮机，改造后，原水轮机输出功率不一定能达到发电机的增容要求，且效率较低，应更换为296型或A702、A703等新型低比转速、大过流量的新型水轮机。同时，在更换相应水轮机时，还要验证机组的飞逸转速是否符合要求。

由于水轮机和发电机是两个不同范畴的对象，其技术发展阶段不同；由于水轮机在水轮发电机组中处于原动机的地位，故对水轮机运行效率高低影响显著；水轮机的选型技术难度较大，影响参数也多，在水电站实际运行中出现的问题也比较多，这是符合客观规律的。因此，要求在小型水电站的增容改造中，必须分清主次，首先要抓住水轮机的改造，从而带动水轮发电机和整个水电站机电设备及水工金属结构的技术改造，这是应当遵循的原则。

2.3 输水系统的核算问题

在小型水电站增容改造中，有一个关键环节需要慎重对待，即水轮机输水系统。尤其是一管多机的引水式压力输水系统，应当从水力和调节保证参数两个方面进行核算。水力核算即是对水轮机输水系统的过流量和水头损失的数值关系进行核算，并绘制水头损失与流量关系曲线△h＝f(Q)，以分析选定最大允许的水轮机额定水头和设计引用流量。

调节保证核算就是从机组运行特性和输水系统水力特性两方面来核算机组运行的过渡过程中可能发生的最大水压力和最大转速升高值，并检查前者是否在水轮机输水系统设计水压力的范围内，以研究和确定采取加固补强措施的合理性和可能性。

总之，小型水电站的技术改造，必须贯彻“四性”原则，即先进性、合理性、经济性和特殊性。应该针对各个水电站的具体情况，因地制宜，进行优化设计。结合和妥善处理本电站的不可变更或不宜变更的制约条件，择优选用一个性能先进、技术成熟的好转轮和配套性能先进、运行可靠的水轮发电机及其辅助设备；在有限的投资情况下，尽量增加年发电量，提高水电站的经济效益，并且特殊问题用特殊办法处理。例如，针对多泥沙河流上运行的水轮机，既要改善其运行特性，又要采取抗泥沙磨损的综合治理措施，延长水轮机的使用寿命，只有全面考虑才能较好地达到先进性、合理性和经济性。