小水電站增容改造中的重點(diǎn)技術(shù)問題

劉發(fā)

(駐馬店市薄山水庫管理局，河南駐馬店463218)

在我國早期興建的一些小水電站中，普遍存在著以下方面的特點(diǎn):技術(shù)落后、裝機(jī)容量低(大多為100～3 000 kW左右)、制造質(zhì)量差、效率低下、臺(tái)數(shù)多和安全隱患多等問題。為解決當(dāng)前供需電力之間的矛盾，對水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)進(jìn)行科學(xué)合理的增容改造，已成為現(xiàn)有小型水電站充分開發(fā)水力資源，挖掘自身潛力，以及提高水電站經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，也是解決小水電站中老化機(jī)組安全隱患和問題的根本措施。

1 增容改造的必要性和可行性

我國現(xiàn)有的的小型水電站，大多為20世紀(jì)60～70年代大興水利時(shí)期所建。經(jīng)過了幾十年的運(yùn)行，大多存在機(jī)電設(shè)備故障多、效率低下、水能資源利用率低、設(shè)備陳舊、運(yùn)行維護(hù)成本過高等因素，導(dǎo)致水電站的經(jīng)濟(jì)狀況非常困難，安全生產(chǎn)也無法得到有力保障，可持續(xù)發(fā)展空間嚴(yán)重不足。因此，使用高新科技對水電站實(shí)施改造，已然成為了當(dāng)前小型水電站可持續(xù)發(fā)展的主要出路。

小水電站增容改造項(xiàng)目，不僅符合當(dāng)前國家優(yōu)先發(fā)展能源產(chǎn)業(yè)政策，也符合“大力發(fā)展水電”的電力發(fā)展原則。對我國數(shù)目眾多的小型水電站，利用高新技術(shù)進(jìn)行增容改造，挖掘自身潛力，以提升水電站生產(chǎn)運(yùn)行能力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是繼續(xù)鞏固和發(fā)展電氣化建設(shè)成果最有效，也是最經(jīng)濟(jì)的方法，同樣是地方電力壯大和發(fā)展的有效途徑。

2 小水電站運(yùn)行中存在的主要問題

2.1 水輪機(jī)主要性能參數(shù)和電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)不符

水輪機(jī)主要性能參數(shù)—N、H、Q，即功率、水頭和流量。在我國建國初期所編制的水輪機(jī)模型的轉(zhuǎn)輪型譜中，能夠進(jìn)行選擇的轉(zhuǎn)輪機(jī)型號(hào)偏少，而大多數(shù)的小型水電站在設(shè)計(jì)時(shí)只能采用相似的轉(zhuǎn)輪參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往導(dǎo)致水輪機(jī)的主要性能參數(shù)與電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)不符的問題。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)單位的水平不足或相關(guān)部門重視的程度不夠，也造成了在一些小水電站中出現(xiàn)了額定轉(zhuǎn)速、額定水頭、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑選擇不當(dāng)，主要性能參數(shù)與實(shí)際參數(shù)不符的問題。隨著近年來國家對水利工作的重視，各地的中小水庫陸續(xù)進(jìn)行了加固、擴(kuò)建等工程，造成水庫的運(yùn)行水位與最初設(shè)計(jì)不一致的情況也較為常見。

以上問題的出現(xiàn)，都會(huì)使水輪機(jī)偏出自身最優(yōu)工況區(qū)運(yùn)行，造成機(jī)組自身耗水量多，發(fā)電損失量大，以及噪聲和振動(dòng)大的問題，使水輪機(jī)的正常運(yùn)行效率和使用壽命都大幅度降低。

2.2 水輪機(jī)存在質(zhì)量差和技術(shù)落后的問題

上世紀(jì)60年代左右，我國當(dāng)時(shí)在水輪機(jī)模型型譜中所頒布的一系列型號(hào)的水輪機(jī)，現(xiàn)在仍然在一些小水電站中使用。這些水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪普遍技術(shù)水平陳舊，在效率、轉(zhuǎn)速和流量等主要性能指標(biāo)方面明顯偏低。并且，由于這些水輪機(jī)普遍存在著安全可靠性差、制造質(zhì)量差和缺陷多等問題，不僅在修理上浪費(fèi)了大量人力與財(cái)力，而且發(fā)電效率較低。

2.3 轉(zhuǎn)定子絕緣老化和燒瓦問題

我國一些小水電站的水輪發(fā)電機(jī)中，由于運(yùn)行時(shí)間過長，導(dǎo)致轉(zhuǎn)定子的絕緣老化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，不僅容易出現(xiàn)接地故障，對機(jī)組的安全運(yùn)行也是嚴(yán)重的威脅。而且，因軸承的制造和安裝的水平偏低，也導(dǎo)致了推力軸承的安全可靠性能不高，常會(huì)發(fā)生燒瓦事故。

2.4 電氣設(shè)備和水輪機(jī)之間不配套的問題

由于在當(dāng)前一些小水電站中，電氣設(shè)備和水輪機(jī)并不配套，使得發(fā)電機(jī)額定容量和水輪機(jī)的輸出功率并不相符。如容量大于輸出功率，則導(dǎo)致了水電站的設(shè)計(jì)效率受到限制，在發(fā)電時(shí)會(huì)出現(xiàn)不正常的棄水現(xiàn)象;如容量小于輸出功率，則既加大了水輪機(jī)運(yùn)行的損耗，浪費(fèi)了發(fā)電機(jī)的容量。

3 小水電站增容改造中的技術(shù)重點(diǎn)

小型水電站的增容改造，必須貫徹落實(shí)經(jīng)濟(jì)性、合理性、先進(jìn)性和特殊性這四項(xiàng)基本原則。經(jīng)濟(jì)性是指能在有限的經(jīng)濟(jì)投資基礎(chǔ)上，盡量提升年發(fā)電量，以提高水電站的經(jīng)濟(jì)效益;合理性則是指對水電站中的不宜變更和不可變更的制約條件進(jìn)行妥善處理;先進(jìn)性是指對技術(shù)成熟、性能先進(jìn)的轉(zhuǎn)輪、發(fā)電機(jī)和其它輔助設(shè)備的擇優(yōu)選擇;特殊性則是指在增容改造過程中對特殊問題的靈活和妥善的處理。

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在對小水電站增容改造中的設(shè)計(jì)，多是以對水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)改造為主，主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括了了以下幾個(gè)方面:

1)當(dāng)功率、水頭、流量和原設(shè)計(jì)變動(dòng)不大時(shí)，而水輪發(fā)電機(jī)組的性能落后、設(shè)備陳舊的小水電站中，適宜采用和水頭段導(dǎo)水葉高度相似或者相同的新型轉(zhuǎn)輪。若缺乏適合的新型轉(zhuǎn)輪，則可以考慮改動(dòng)過流部件的結(jié)構(gòu)和型線，或者對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改型或重新設(shè)計(jì)，以起到增加水輪機(jī)運(yùn)行效率，增加單機(jī)容量和年發(fā)電量的目的。

2)當(dāng)水頭和流量與原設(shè)計(jì)相比有增加的小水電站，則需根據(jù)實(shí)際增加的具體條件，加大水輪機(jī)的額定輸出功率，增加額定水頭，并重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪或改用新型轉(zhuǎn)輪，以使水輪機(jī)能夠在較高的效率區(qū)域中運(yùn)行，不僅增加了水電站的單機(jī)容量，提升了水輪機(jī)的運(yùn)行效率，年發(fā)電量也能有所提高。

對于以上的兩種方式，當(dāng)確定水輪機(jī)功率后，都應(yīng)對相應(yīng)功率發(fā)電機(jī)進(jìn)行配套，并對輔助設(shè)備作出核算，以判斷是否需要進(jìn)行更換。

3)當(dāng)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)額定容量小于水電站水輪機(jī)輸出功率時(shí)，應(yīng)對發(fā)電機(jī)作單獨(dú)改造，并通過提高絕緣等級(jí)和改進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增容改造的效果，在必要時(shí)還需對水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造。當(dāng)主變壓器容量不足時(shí)應(yīng)換取新的變壓器;當(dāng)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)額定容量大于水電站水輪機(jī)輸出功率的情況，如對水輪機(jī)采取改型后也沒有增容的可能，則可以暫時(shí)按照現(xiàn)狀運(yùn)行。

3.2 增容改造的方式

由于水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)是在兩個(gè)不同的范圍之中，而且各自的技術(shù)發(fā)展也各不相同。并且，由于水輪機(jī)在水輪發(fā)電機(jī)組中起到了原動(dòng)機(jī)的功能，因而水輪機(jī)對機(jī)組運(yùn)行效率的影響比發(fā)電機(jī)更加明顯。同時(shí)，水輪機(jī)自身影響參數(shù)偏多，選型的技術(shù)難度也較大，容易在水電站實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生更多的問題。因此，在對小水電站增容改造的過程中，應(yīng)分清水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的主次關(guān)系，首先要做好水輪機(jī)的改造，以推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組和整個(gè)水電站機(jī)電設(shè)備的技術(shù)改造。

3.3 輸水系統(tǒng)的核算

在對小水電站增容改造的過程中，輸水系統(tǒng)的改造是其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。輸水系統(tǒng)的核算過程，即是對水頭損失的數(shù)值與水輪機(jī)輸入水系統(tǒng)過流量數(shù)值的關(guān)系進(jìn)行核算，以此繪制出水頭損失和流量的關(guān)系曲線，從而對水輪機(jī)額定水頭和設(shè)計(jì)引用流量的最大允許值做出分析選定。

核算的調(diào)整就是從水輪發(fā)電機(jī)組的輸水系統(tǒng)中的機(jī)制運(yùn)行特性與水力特性，從這兩個(gè)方面來對運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大水壓力值和最大轉(zhuǎn)速升高值進(jìn)行核算，并核查是否在設(shè)計(jì)允許的范圍之內(nèi)，以分析和研究出補(bǔ)強(qiáng)措施的合理性與可行性?？傊?，水輪機(jī)輸水系統(tǒng)中的最大過流量、水壓力和水頭損失，是制約當(dāng)前小水電站實(shí)施增容改造的關(guān)鍵因素，應(yīng)對其高度重視，否則容易影響到整個(gè)改造過程中的經(jīng)濟(jì)效益與安全運(yùn)行。

3.4 溫升問題

當(dāng)采用直接對原機(jī)組改型的增容方法，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)規(guī)格和尺寸沒有變化，而發(fā)電效率得到增加，必然會(huì)導(dǎo)致定子和轉(zhuǎn)子溫升的提高。對于溫升提高的問題，一般采用新型的絕緣材料，并將絕緣等級(jí)由初始的B/B提升為F/F，所允許的最大溫升見表1。

表1 最大允許溫升表 ℃

由表1可見，當(dāng)B級(jí)提升至F級(jí)以后，溫升的允許值約增加了20℃，而發(fā)電機(jī)組的允許溫升和測量方法有關(guān)系。當(dāng)對發(fā)電機(jī)進(jìn)行增容改造以后，需驗(yàn)證定子和轉(zhuǎn)子的最大溫升是否超出允許值，以保證發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全和使用壽命。

3.5 竣工驗(yàn)收

對小水電站水輪發(fā)電機(jī)組增容改造成果的檢驗(yàn)，應(yīng)對單機(jī)容量＞500 kW的水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行技改前后性能的對比測試。同時(shí)，為使技改工程的質(zhì)量和安全得到保證，一定要對機(jī)組的起動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)收，當(dāng)起動(dòng)的驗(yàn)收通過后方能進(jìn)行試生產(chǎn)運(yùn)行。當(dāng)試生產(chǎn)運(yùn)行合格且所遺留的所有問題都處理完畢以后，才可進(jìn)行最后的竣工驗(yàn)收工作，以此確保小水電站增容改造工程的高效、安全、長期的運(yùn)行。

4 總結(jié)

對現(xiàn)有小水電站水輪發(fā)電機(jī)組增容改造的技改，不僅符合各個(gè)地方小水電站發(fā)展的實(shí)際情況，也符合國家的節(jié)能減排、充分利用可再生能源的要求，并能為水電站帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，是一種見效快、投資省的有效方式。為此，應(yīng)重視對小型水電站的增容改造工作，并根據(jù)自身實(shí)際情況，因地制宜，有針對性的進(jìn)行增容改造工作，為水電站取得實(shí)實(shí)在在的技改成效和經(jīng)濟(jì)效益。

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