中小型水电站水轮机转轮改型设计的必要性和可行性
论文作者：郭鹏程郑小波梁武科
摘要：中小型水电站技术改造是水电事业发展的重要组成部分，本文通过对我国中小型水电站发展现状的论述，分析了在中小型水电站技术改造中水轮机转轮改型设计的必要性和可行性，并介绍了当前水轮机转轮设计、测试和制造方面的新技术。
关键词：中小型水电站水轮机转轮改型设计
１我国中小型水电站的发展现状
建国以来，我国水电建设取得了巨大成就，据统计我国常规水电装机容量已达到7700×104ｋＷ，其中，中小型水电站4．5×104余座，拥有机组7×104余台，总装机容量达2020×104ｋＷ，有近一半为50～60年代制造的设备［1］。由于当时条件限制，这些电站的水轮机多数是应用前苏联40～50年代的技术，制造技术落后，效率较低，过流能力差，总的能量指标偏低。加上大部分国产机组生产于特殊年代，不按电厂各种条件而硬性套用定型图纸，或仅按模型试验的特定角度硬性规定设计，致使原来水力效率不高的转轮又偏离了高效率区。还有性能指标较低，如高效区狭小、振动区范围大、空化性能差等，对机组的安全稳定运行产生了严重的影响，很大程度上降低了电站设备的运行管理水平和效益。
另外，由于大部分电站已运行了三四十年，机组设备在性能和结构方面都已陈旧、事故增多、检修频繁。长期运行已使过流部件磨损，特别是转轮、导叶等部件由于空蚀和磨损，叶型遭到破坏，间隙增加而使效率下降。根据国外有关资料介绍，效率下降约为２％。特别是有些电站或由于当年是套用机组，或由于电站参数发生变化，使机组长期在低效率下运行，浪费能源，亟待早日解决。与此形成鲜明对比的是，近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，电力负荷峰谷差愈来愈大，增大中小型电厂在电网系统中的调峰、调频能力也愈显重要。而电力系统越来越多地要求水电机组特别是中小型水电机组担负调峰、调频和事故备用任务，这样就增加了机组启动、停机次数，致使水轮机部件动载荷增加，运行条件变得苛刻，对那些设备陈旧的老电站，担负这样任务显然力不从心。同时，近几年大电网对地方电网实行峰谷差价和峰电超计划加价政策，让电网中调节性能较好的水电站实行顶峰发电，多发电必将会显著提高地方电网的负荷率和经济效益。
２水轮机转轮改型的必要性和可行性
２．１水轮机转轮改型的必要性
从我国水电事业的发展现状来看，大批水电站存在的主要问题及产生的严重后果主要是长期以来水轮机转轮的设计制造与使用条件相脱节，主要表现在下面几个方面［2］：
（１）水轮机转轮效率低。水轮机效率是水轮机性能的重要指标，据统计从50年代至今，水轮机效率每10年提高一个百分点，我国有一大批机组水轮机转轮系国内50、60年代产品，与90年代国内外先进转轮相比，差距很大，真机效率约低2％～5％以上。造成可利用能源的巨大浪费。
（２）水轮机与水轮发电机选型不合理。“六五”以前安装的水轮发电机组，由于设计条件
限制，有些电站选择水轮机与发电机偏于保守，使水能不能充分利用，有些电站选择水轮机与发电机容量匹配不当，从而大大限制了机组出力。
（３）水轮机运行可靠性差。水轮机受当时设计、制造水平限制，水轮机抗空化、抗磨损、抗振动性能差，经几十年运行，一些机组空化、磨损、振动严重，运行条件恶劣、事故隐患不断增加。严重影响水轮机的可靠运行。
（４）自然条件的变化。近年来随着经济的发展，有些电站的上游大力发展耗水量较大的农业企业，工农业用水量突飞猛进。另外，随着人们生活质量的提高，生活用水、环境用水、生态用水等过去设计电站时忽略的部分消耗也一天比一天增多。这样部分水轮发电机组经几十年投运，上、下游水位已发生较大变化，原有转轮运行已大大偏离设计工况，甚至无法正常运行。
综上所述，８０年代以前建设的一大批电站，由于机电设备落后，技术老化，机组设计水平低，制造工艺差，技术参数低。以及部件老化机组出力受阻和自然条件的变化，已不能充分利用已开发的水力资源，从而造成水力资源的再度浪费。再加上电网调峰的迫切需要。如何提高已开发的水力资源的经济效益和社会效益成为许多老水电厂面临的重大课题。
众所周知，水轮机转轮水电站的核心设备。水轮机的水力性能、振动与空化主要取决于转轮性能，转轮性能的优劣对合理开发利用水能、保证电网可靠性方面有着巨大影响。因此，对老的水轮机转轮的更新改造势在必行。通过对水轮机转轮的改型，可提高机组效率，增加电站容量，改善机组运行的安全稳定性。
２．２水轮机转轮改型的可行性
首先，从经济的角度分析，开发新电站投资大、周期长，而进行水轮机转轮的增容改造由于不需要再建大坝等水工建筑物，故投资很少，见效很快，经济效益很高。一般认为，对老电站的增容改造其单位千瓦投资要比新建电站低２/３以上［３］。
因此，水电站水轮机转轮的改型是一项投入少产出多效益显著的项目，是提高水电站运行可靠性和经济性的最主要方向，已成为许多国家解决能源短缺问题的手段之一。
其次，从技术上来说，近年来计算机与计算技术、流体机械三维流动分析与设计理论、通讯与传感器技术、现代控制理论和机械加工技术等都已取得了很大的进步。使得现代转轮的设计、测试和制造方面都取得了长足的进步。这些新的技术主要表现在：
（１）数值模拟技术。五六十年代，混流式转轮的设计基础是本世纪初罗伦兹提出的通流理论，即假定转轮中的叶片数无穷多，无限薄，这样将三维流动简化成轴对称流动。从８０年代以后，随着计算机技术和计算流体动力学的迅速发展，水力机械过流部件的三维流动分析、三维设计和优化算法都有了长足的发展，已成为过流部件水力设计与流动分析的重要工具。目前，仅在水轮机研究领域就有清华、哈电和东方厂等国内近十家单位引进了先进的ＣＦＤ分析软件。
如哈电，利用ＣＦＤ分析软件进行模型转轮开发，完成了三峡右岸转轮的转化设计，对
丰满、新安江、丹江口、东江、乌溪江等一批老电站改造项目进行数值模拟和优化，完成了洛溪渡、水布垭、小湾、龙滩、公伯峡等电站水轮机的水力设计。东方厂利用ＣＦＤ技术开发出福堂电站用Ｄ307模型转轮，其最高效率为94．43％。空化性能也很高，其空化系数δ＝0．047，飞逸转速特性最大为106．4ｒ/ｍｉｎ，最大压力脉动混频双振幅值为5．5％。
另外，西安理工大学从８０年代后期开始进行水轮机通流部件的反问题研究［４］，先后提出并建立了基于Ｓ1流面反问题计算的准三维设计模型和方法、基于Ｓ2流面反问题计算的准三维设计模型和方法、基于混合谱方法的全三维有旋流动的反问题计算模型和方法。近年来，在三维粘性流设计模型的基础上，又实现了设计方案的计算机自寻优，达到了根据厂站的实际水力参数进行“量体载衣”式的设计，取得了水力机械转轮设计方法的重大突破。到目前为止，用该模型已先后为有关电站、多家水轮机厂和有关研究单位的几十台水轮机转轮进行了改型设计，全部达到了用户提出的改造目标。
这种针对某一电站进行专门设计与制造的水轮机选型方法，可以保证让每一个电站都可以选出适合自己电站条件的最优水轮机型式，从而达到最佳运行效果，取得最大经济效益。通过采用先进的计算机数值模拟技术对水轮机转轮进行增容改造，具有低投入、高产出、见效快的特点。在改善运行性能的同时减少了运行及维修费用、减少了机组的停机时间，使电厂费用降低并尽快受益。
（２）模型测试技术。当前流体机械测试技术发展迅速，诸如压力测量技术、流量测量技术和粒子图像测速技术有较大的提升，多媒体技术和计算机网络技术进一步应用到流体机械测试系统中。总之，以计算机为核心的自动测试系统已成为现代测试系统的一个特点和通用形式。国内的哈电、东方、双富等厂家和清华、河海、水科院等科研院校都建设或对原水轮机模型试验台的电气、测试系统进行了全面的改造。其综合测试精度、运行稳定性和重复精度大大提高。目前，全国已有５座通过部级鉴定的现代化试验台，其效率综合试验误差在±0．25％～±0．3％，为水轮机模型试验和电站改造验证研究提供了良好的条件。如哈电研制成功了转轮内部流态观察成像系统［5］，可通过光纤内窥镜和摄像头采集转轮进口处的脱流、叶道涡、空化和出口处的空化、涡带的信息，验证ＣＦＤ的分析结果。也可通过观察转轮在各工况的流态，为改型设计提供依据。
（３）刚强度计算技术［５］。水轮机转轮不仅要有好的水力性能，还应具备高的刚强度性能，这样才能保证机组高效安全地运行。因此对转轮的刚强度计算以及计算的准确性尤为重要。传统的设计方法采用简单的材料力学理论将叶片作为一悬臂梁在全水头均压下计算根部应力，计算结果与实际有较大出入，或通过模型试验和电站实测来为设计者提供参考。而且还无法计算叶片的静位移和固有频率。近年来随着有限元的发展，机械构件的刚强度计算技术有了很大的提高。用计算机模拟技术代替模型试验和电站实测以成为可能。目前以ＡＮＳＹＳ和ＩＤＥＡＳ为代表的一大批大型有限元结构分析计算软件在转轮刚强度计算中得到
了广泛的应用，实现了水力与强度的交互式设计，计算结果更为准确，叶片应力状况也更趋合理。同时采用有限元边界元法相结合来计算过流部件的流固耦合振动，由于考虑了结构在流体中振动的附连水质量，可用计算来估算结构在水中的固有频率，这种方法可在改造项目中对机组的稳定性进行预测。
（４）叶片模压成形技术。水轮机转轮是水轮机的心脏，因此它的制造质量至关重要。直接
影响着转轮的效率、抗空化性能和运行稳定性。过去大多采用铸造方法制造叶片，打磨光滑后与上冠、下环拼焊。该工艺方法有很多缺点：型线偏差大、表面粗糙、打磨废工、抗空化性能差，并且铸造的叶片带有铸造缺陷，使得叶片使用性能变坏，对于大型叶片，叶型精确度更难控制，最终也不易达到要求。近几年来，模压成型技术广泛用于水轮机转轮叶片制造，它是一项可以获得叶型准确、铲磨量小、价格适中、生产周期较短的转轮叶片制造技术。其方法是将叶片母材进行初步加工，然后放在用数控机床铣好的压模内用压力机压型，最后做局部修磨。这种方式制成的叶片型线好，材质好，抗空化磨损性能强，效率也易得到保证。如哈电应用ＩＤＥＡＳ和ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ两个有限元软件开发了动态计算模压叶片中心和压力吨位的计算方法，已获得了成功。
（５）叶片数控加工技术。对于叶片的加工过去采用“立体样板－铲磨”工艺，这是一种通过投入大量手工劳动力，依据立体样板作为测量工具，把铸件毛坯变成叶片成品的工艺。根据文献［６］，使用这种加工工艺存在着测量精度差、使用操作困难和费用大的三大致命缺点。近年来，国内外各水轮机制造厂家已取消了传统的立体样板，采用数控加工技术，它是一种通过计算机系统的软件控制机床自动操作完成的一种理想的加工工艺。由于它能把叶片的理论曲面图形通过数据输出准确无误地传送到执行指令的操作机构上，解决了叶片测量与理论位置的自动找正问题和测点加工余量的自动计算问题，使大型水轮机的叶片制造精度较传统立体样板工艺有了较大提高。如刘家峡２＃转轮和天生桥的５＃、６＃转轮都是采用数控加工。再者，从工程应用方面来说，近年来，老电站机组的技术改造工作已引起了世界各国的普遍关注，尤其在一些水力资源开发程度较高的国家，更为重视。我国的电站更新改造工作与国外先进国家相比虽然起步较晚。但也于８０年代初开始探索性的工作。２０年来，各类水电站的技术改造工作已取得了不少的成绩和经验，为各电厂和科研单位培养了大批技术人员和技术工人，从而为我国各电厂的增容改造工作奠定了基础，使各水电站的技术改造工作的顺利完成成为可能。
３结论
开发新电站投资大、周期长，而老电站增容更新改造由于不需要再建大坝等水工建筑物，故投资少、周期短、收益大。可见，水电站更新改造已成为许多国家解决能源短缺的重要手段之一，而水轮机转轮是水电站的主要设备之一，水轮机转轮性能的优劣对合理开发利用水能、提高水电站运行可靠性和经济性、保证电网可靠性方面有着巨大影响。所以，水电站水轮机转轮改型设计已成为水电站更新改造的主要任务与关键途径之一。与此同时，现代计算机数值模拟技术、模型测试技术、刚强度计算技术和制造技术的不断进步，为水轮机转轮的改型设计创造了条件。因此，我们应充分利用现代科学技术成果，结合我国八十年代之前建造的中小型水电站的实际情况进行机组特别是水轮机的技术改造。确保水轮机的高性能、高质量和安全可靠运行。
参考文献：
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. 3 对电厂老机组转轮进行改造、增容和机组抗磨蚀处理，提高机组整体出力水平
水轮机是水电厂的心脏，转轮是水轮机的核心，转轮的性能指标对水轮机的出力起至关重要的作用。我厂使用水轮机转轮均为20世纪50～60年代老型号转轮，转轮的单位流量、单位转速及模型效率性能指标低。长期以来机组水能耗高，年发电量损失较大。而三级电站作为我厂最大的电站，机组单机容量大，在冬季玛河小流量时，水轮机运行严重偏离设计工况，机组长期在低效率区运行，水能利用率更低。
为解决上述问题，我厂70年代末就曾对四级电站机组进行过增容改造和抗磨蚀处理，90年代末开始对各电站机组进行转轮、定、转子线圈的增容改造和水轮机座环、涡壳、叶片、导叶的抗磨蚀处理。
目前水轮机抗磨蚀处理已取得一定成效，等离子喷涂、低温镀铁、热喷涂等各种新型的软、硬抗磨材料都使用过，但水轮机过流部件的磨损和汽蚀还没有得到根本解决，抗磨蚀问题仍将是我厂认真研究的课题。
通过研究，转轮的增容应根据引水渠流量和水能条件合理地进行。2005年11月四级电站扩建机组引进的4000kw新型转轮，在同样水量条件下，比我厂现有机组效率提高17％以上。这样企业开始利用机组大、小修的时机，逐年对机组更换新式高效率转轮。考虑到各电站机组装机容量和渠系引水量不匹配的因素，先将二级电站两台3200kw转轮增容为4000kw转轮，将三级电站三台9000kw转轮增容为1.1万kw转轮，同时制作一台6000kw小型转轮，供三级电站冬季使用，使二、三级电站水能资源充分得到利用。然后将其他各电站机组老转轮改造为相同容量的新型转轮。2006年1月28日，三级电站9000kw转轮更换成6000kw 小转轮运行，机组出力显著增加，相同流量，每日增发电量3万kwh以上，机组效率提高36.7％。冬季机组运行3～4个月，可增发电量300～400万kwh，效果相当显著。转轮增容和改造的完成将使我厂15台机组整体出力提高15％以上，发电生产能力由设计出力6.505万kw提高到7.5万kw以上。枯水年年发电量可达到2.6亿kwh，丰水年年发电量达到2.7
亿kwh以上。.
大化水电站发电机的增容改造
聂启蓉
摘要：大化水电站通过更换发电机定子铁芯和线圈并配合水轮机增容实现机组增容改造。改造后的定子采用了新结构、新工艺。在额定转速、额定电压和额定功率因数不变的条件下，发电机的额定出力由原来的100 MW提高至114 MW。
关键词：发电机；增容改造；额定出力；大化水电站
分类号：TM312 文献标识码：B
文章编号：1001-408X(2000)01-0057-04
Modification of Capacity Increment for
Generator of Dahua Hydropower Station
NIE Qi-rong
(Guangxi Electric Power Industry Investigation, Design and Research
Institute, Nanning 530023, China)
Abstract：Modification of capacity increment for generating set of Dahua hydropower station achieved by replacing core, coil of stator and increasing the turbine capacity. The new structure and new technique had been apllied to the new stator. And the rated output of generator would be increased from 100 MW to 114 MW under the condition that rated speed, rated voltage and rated power factor were not changed.
Key words：generator,modification of capacity increment, rated output, Dahua hydropower statio n▲
大化水电站一期工程安装4台立轴转桨式水轮发电机组，发电机型号
SF100-78/12800，额定功率100 MW，额定电压15.75 kV，额定功率因数0.875。为消除发电机定子铁芯松动，线棒绝缘磨损、槽楔松动、电晕、电腐蚀等缺陷，并配合水轮机增容改造，通过更换定子铁芯和定子线圈实现发电机的增容改造。新的发电机定子铁芯和线圈采用国内招标方式采购，参加这次发电机增容改造设备投标的有东方电机股份有限公司、天津通用电气阿尔斯通水电设备有限公司和富春江富士电机有限公司(以下简称双富公司)，该项目于1998年1月6日在广西机电设备招标中心开标，经询标、澄清、评标和商务谈判，历时18 d，确定双富公司中标并签约。
大化水电站发电机改造逐台实施，与水轮机的技改项目同步进行。发电机增容改造后，在额定转速、额定电压和额定功率因数不变的条件下，单机额定出力
由原来的100 MW提高至114 MW。新的发电机定子铁芯和定子线圈的绝缘等级为F级。定子槽数将由原来的540槽改为504槽，并在结构上采取了防止铁芯和线圈松动的措施，使发电机具有优良的性能和高的可靠性。
1 优化发电机定子铁芯槽数，降低电磁振动
本改造项目电磁设计的核心是定子铁芯槽数的选择。大化水电站发电机将保持原额定转速76.9 r/min不变，该转速不属于优先推荐的转速，其极数不利于槽数的选择。根据大化水电站发电机容量、电压及转速等基本参数，可选槽数为
468、504、522、540、558、576，相应的每极每相槽数为2
、
。其中，468槽定子绕组磁势谐波中没有分数次谐波，即不存在分数次谐波引起的次谐波振动问题，属优选槽数。但是，在现有结构条件下，468槽的磁负荷将比原发电机提高18.8%，磁负荷过高，加之相应的每极每相的槽数为较小的整数，齿谐波电势较强，故不宜采用。其他各方案发电机定子线圈均为分数槽绕组，由于每极下的槽数不同，将产生由定子绕组电流引起的一系列分数次谐波磁动势。这些磁动势和旋转着的转子有着不同的相对速度。各种不同的振动模式和频率成为发电机电磁振动的激振力。尽管各投标厂因电磁参数匹配和分析方法各异而得出的分数次谐波的频率和振幅有一定的差异，但都一致认为改造后的定子槽数由原来的540槽改为504槽较为合理。双富公司提供的定子槽数选择方案比较详见表1。
2
流与原设计相近。由于发电机增容后励磁电流不变，使原发电机转子磁极线圈具有更大的安全裕度，可以保证发电机稳定可靠地运行。同时，504槽还避免了有害的齿谐波振动，从而可消除因振动而产生断齿的危险。另外，该槽数能使增容后达到最佳的电负荷和磁负荷匹配，从而获得最佳电磁设计。大化发电机原540槽设计方案虽无明显设计错误，但振动值是较大的。大化发电机定子铁芯出现松动掉片现象，究其原因，主要是铁芯压紧结构及压紧工艺不恰当，造成铁芯运行一段时间后因收缩而使铁芯特别是端部松动。实际上，由于发电机中总存在基波和各种各样的谐波，这些磁场谐波相互作用虽不会引起整体铁芯的显著振动，但微小振动总是存在的，由于铁芯松动而造成局部较大振动也是可能的。特别是基波磁场引起的极频交变径向电磁力较大。虽然该极频交变径向电磁力引起整体铁芯的振动甚小，但对于松动的端部冲片，承受如此大的交变径向电磁力，将会产生较大的局部振动，从而造成冲片局部疲劳断裂而发生掉片现象。
综上所述，为消除原发电机的缺陷，除了在结构上改进压紧结构和压紧工艺使铁芯真正压成整体外，在电磁上选用电磁振动值较小的槽方案也是十分必要的。
因此，改造后的定子铁芯槽数选用504槽。
2 定子铁芯结构及防松动措施
定子铁芯内径Φ12 158 mm，外径Φ12 830 mm，铁芯高1 733 mm。通风沟数为50个，高6 mm。定子冲片整圆分为42片，每片12槽，材料50 W310冷轧硅钢片，其双面涂F级绝缘漆。定子铁芯段两端的端板和通风槽采用0.7 mm厚的DWK2硅钢片。定子铁芯采用8片一组(4 mm)1/2搭接的叠片方式叠片，两端和每段间设有绝缘片。定子铁芯采用上、下齿压板通过拉紧螺栓将铁芯压紧，上、下齿压板均采用分块式齿压板结构，上齿压板84块，下齿压板42块，压指材料采用高强度非磁性合金钢AUNI 18 B。铁芯压紧定位采用拉紧螺杆和鸽尾筋合为一体的结构形式，由套于拉紧螺杆并焊于机座上的拉块传递切向转矩，如图1
所示。这样的结构可增强铁芯的刚度，减少电磁振动。拉块的倒鸽尾可适应铁芯温升而产生的径向变形。
图1 铁芯压紧定位示意图
防止定子铁芯松动的主要措施有：
(1)采用在铁芯拉紧螺杆上端加高强度蝶形弹簧的压紧结构。当铁芯的实物高度因绝缘漆收缩降低时，由于高强蝶簧的缓冲作用，铁芯的面压仅发生缓慢的变化，保证铁芯收缩稳定后仍保持一定的安全面压，以保证铁芯运行的稳定性和可靠性。
(2)采用优质F级无机质烘干漆，减小铁芯收缩量，提高收缩稳定性。新、旧铁芯绝缘漆收缩特性比较见表2。
表2
(3)
(4)采用多片一组1/2搭接的叠片方式，降低铁芯热应力，增强铁芯的抗疲劳能力。
3 定子线圈及防松动措施
定子线圈为双层杆式波绕组，2支路、星形连接，F级绝缘，主绝缘采用温度、压力、时间微机自动控制的热压成形工艺。定子线棒采用槽内360°换位方式，其槽部、出槽口及弯曲过渡部位均作防晕处理。单根线棒在1.5倍额定电压下不起晕，定子装配完后整体绕组在1.0倍额定电压时不起晕。
定子线圈防松动措施有：
(1)定子线圈槽内的防松措施。为防止机组长年运行后在周期性电磁力的作用下的线棒松驰，以及发电机运行在各工况下不同温差引起的线棒在槽内紧度的变化，在槽楔下加弹性波纹垫条，使线棒在各种工况下始终保持适当的紧度。
(2)定子线圈止沉措施。设有槽口垫块，并在定子线圈上端出槽口的斜边处，每隔8槽设置一组线棒止沉块。止沉块支于上齿压板的压指，并将其绑扎在线棒上。在止沉块上端与线棒间垫入含环氧胶的适形材料，环氧固化后使止沉块和线圈成为一体支于上齿压板。
(3)防止槽楔下沉的措施。在定子铁芯上、下两端，各用特别的、斜度较大
的一对槽楔楔紧。下楔块的凸齿卡在铁心通风槽处，并在上楔尾部的下楔开槽处垫入含环氧胶的适形材料后，在其上用涤玻管将该槽楔一起绑扎在上层线棒上。
4 降低定子线圈的温升，提高发电机出力
为了提高发电机出力并使定子线圈的温升不致有明显的增加，采取了如下措施：
(1)将原B级绝缘提高到F级，主绝缘的厚度由5.35 mm减薄至4.4 mm。
(2)将线棒的股线截面由原来的42股2.5 mm×7.5 mm增大至48股2.24 mm×8.3 mm，有效面积增加15%，可降低绕组的电阻和损耗，提高电负荷。
(3)改变通风槽的尺寸，将通风槽的槽数由30道改为50道，槽高10 mm改为6 mm，增加铁芯和线圈的冷却面积，使定子铁芯通风更加均匀，有利于降低定子线圈和铁芯的温升及铁芯温差。分析计算表明，改造后发电机风道的风阻系数比改造前略小。因此，可以认为总的通风量没有变化。
(4)在结构上定子铁芯两端的端板和通风槽板采用铁损小、点焊性能优的DWK2硅钢片。定子铁芯两端和每段间均设有绝缘片，杜绝铁芯段间的涡流，以防铁芯局部过热。
(5)采用非磁性不锈钢管(1Cr18Ni9Ti)制作端箍，并对其中一段端箍进行分段绝缘处理，以阻断电流通道，防止感应电流和附加损耗的产生。
(6)虽然增容后，发电机的总损耗略有增加，但对比分析结果表明，在冷却风量和冷却水量不变的情况下，冷却水的温升和冷却风的温升仅有微量的增加。实际运行情况表明，原发电机冷却器有较大的裕度。因此，空冷器及通风系统不作处理也能满足增容后的要求。双富公司提供的发电机改造前后冷却空气、冷却水温升及温度分析结果如表3。
表3
(7)
富士电机实绩对比，定子机座的刚度完全能满足要求。
5 发电机增容改造前后的对比
发电机增容改造前后的主要电磁参数和主要结构对比详见表4和表5。
从表4和表5的对比分析可以看出，新的发电机定子采用了新结构、新工艺，不仅能消除原发电机的质量缺陷，提高设备运行的安全性和可靠性，减少每年因处理设备缺陷停机检修造成的电能损失和可观的检修费用，而且发电机的出力增加14%，结合水轮机和其他设备的增容改造后可使电站的装机容量由400 MW增至456 MW。当上游天生桥一级和龙滩水电站投入运行后，多年平均电量约增加
158 GW.h～194 GW.h,保证出力约增加5.35 MW～9.09 MW，并在一定程度上提高了电站的调峰能力，可获得较大的经济效益和社会效益。
表
首台实施改造的2号机组已于1998年10月停机，1999年5月26日正式投产发电。改造后的发电机运行情况正常，达到了预期的效果。本电站计划用4年的时间对4台机组进行增容改造。为减少电能损失，改造工作将在每年枯水期进行。■
作者简介：聂启蓉(1943-)，女，湖北汉阳人，高级工程师(教授级)。
作者单位：聂启蓉（广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁530023）
收稿日期：1999-04-19
怀化市老电站更新改造方案探讨
彭勇湖南省怀化市水电局 (418000)
【文摘】怀化市的老电站存在装机容量偏小、机型老化、效率低下、绝缘老化和事故频发，亟待更新改造。改造的原则是要求投资少，周期短，见效快。要根据各电站自身特点，选择改造方案，多渠道筹集改造资金，周密计划，取得良好经济效益。
【主题词】小型水电站工程老化改建工程增容改造投资效益方案选择怀化市地方电力经过51年长足发展，装机容量已达45万kW、年供电量18.5亿kW．h，分别是解放初期的126倍和203倍。截至2000年8月底，地方电力
上缴利润2.49亿元，上缴税金2.15亿元，雄居各行业榜首，成为本市各级财政的重点财源和支柱产业，为促进地方经济的发展和提高贫困山区人民的物质文化生活水平发挥了重要作用。
1 存在的问题
怀化市小水电真正建设和发展是在20世纪80年代前后，这部分电站装机容量占地方电力总装机容量一半以上，运行年限多数在15年以上。对这部分电站进行分析研究，发现存在以下一些问题。
1.1 电站装机容量偏小
电站实际装机容量比根据水文、水能参数确定的装机容量小10%～20%，有的甚至小50%以上，具备增容条件。分析原因有以下几个方面。
1)80年代以前，水轮发电机组产品定型生产，规格品种少，设计选型采取套用现成机型生产，所以很难满足电站实际需要。
2)80年代以前建成的电站有的独立运行，有的在小系统中是主力电站，所以在确定装机容量时，将年利用小时数考虑得很大，现在这些电站都并人规模较大的电力系统运行，装机容量显得偏小。
3)有的电站由于水头、流量参数的改变，原设计选用的水轮发电机组已不适应改变了的水力参数。如芷江县蟠龙寨电站，原有设计流量为2m3/s，由于水库上游修建了彭家
湾引水电站，使得下游流量增加了1.2m3/～2.3m3/s，造成蟠龙寨水库大量弃水。
1.2 机型老化且转轮效率低
这些老电站的水轮机转轮，大多是参照美国和苏联早期的技术参数，其能量和气蚀指标低，如HL123(HL240)、HL702(HL220)、HL260、HL638等转轮。一般制造厂提供的设计点的真机效率最高只有84%～85%。如芷江县蟠龙寨电站，单机容量100kW，制造厂提供的设计点效率只有82%，比现在生产的机组效率低10个百分点，应该更新改造。
1.3 机组运行偏离最优工况
机组运行区严重偏离转轮最优工况，气蚀严重，效率低。究其原因：一是当时定型产品规格少，不能满足部分电站需要，造成机组选型不当；二是机组转速档次大，又没有合适的增速装置，勉强使用，致使机组气蚀严重、效率低、振动噪音大。如溆浦县骨干电站芹江电站，由于机组严重偏离设计工况运行，泥沙磨损和气蚀相当严重，使机组大修周期缩短，大修费用增加。机组实际最大出力比原有最大出力减少250kW。
1.4 制造工艺落后且质量差
水轮机转轮大多采用铸造工艺，其结构简单，叶片线型误差大，加工粗糙，光洁度差，造成水流脱流，引起机组振动、气蚀、效率降低，有的转轮效率仅在70%左右。80年代后期虽然在工艺上有改进，采用铸焊结构，但材质还是以碳钢为主，工作寿命不长，更换周期较短。
1.5 机组使用期将尽
有60%以上的机组使用期已接近或超过20年。机组漏水、漏油严重，振动加剧，噪音增大，效率降低超过5%以上。电机绝缘老化，事故频发，亟待更新改造。
综上所述，老电站存在着不少安全隐患和效率低下的问题，需要进行更新改造。
2 更新改造方案
老电站更新改造总的原则是投资少，周期短，见效快。要根据自身特点选择改造方案，一般可选择以下几种方案。
2.1 更换转轮和发电机
转轮是水轮机的心脏，转轮性能好坏直接影响机组的效率。当水轮机效率低或者水轮机过水流量受阻而影响发电机出力时，可以通过更换性能好的转轮来解决，也可请科研单位单独设计转轮。实践证明，通过更换转轮可使机组效率提高5%～10%，效益十分可观，有的电站当年就可将更换转轮的投资收回。
如果水轮机出力富裕，而发电机出力受阻时，可以考虑更换发电机定子、转子线圈，使导线截面加大，绝缘等级提高，以此增加发电机出力。适当改变发电机内部的通风条件，也能增大发电和出力，但必须核定励磁系统和轴承等部件能否满足要求。
2.2 更新机组可拆装部件
有的立式机组，设备严重老化，出力严重不足，而且影响电站安全运行。为节省投资，缩短机组改造时间，可以保留埋设部件，如蜗壳、座环等，其他可拆装部件可重新加工更换。凡这种改造项目必须与制造厂紧密配合，请他们到现场测绘，再加工制造，以达到预期效果。对于国内生产厂家采用新技术、新工艺、新材料生产的可拆装部件也可用于机组可拆装部件的更换，可以提高机组运行效率，如怀化市红岩电站将原有的推力轴承更换为哈尔滨电机研究所利用新工艺、新材料生产的一种推力轴承新产品，使单台机组效率提高1～2个百分点。
2.3 整体更换机组
对于机组选型不合理，无法再继续运行的，或机组运行时间较长，各个部件磨损严重，修复的费用与更换新机的费用相当，或者机组结构上有致命的缺陷，其改造难度极大，可以考虑整机更换。
2.4 立足电站本身进行技术革新
部分骨干电站可以根据自身专业技术力量较强的优势，对电站进行技术革新改造。如怀化地方电网骨干电站春阳滩电站，组织专业技术力量解决了电站轴流式机组顶盖漏水量较大的问题，提高了机组效率。怀化市红岩电站根据电站单机容量小、装机台数多的特点，自己动手，采用电磁脱扣器替代紧急闸门启闭机，大大减少了投资和维护费用，操作更加方便、快速、简单。对部分弃水量较大的水电站，还可以利用原有部分水工建筑物进行增容改造。如芷江县的蟠龙寨电站，由于水库上游新修了1座引水式电站，使下游流量新增1.2m3/s～2.3m3/s，故当地水电部门计划新增1台装机200kW的机组，能取得较好的经济效益。
电站的更新改造，是一项技术性很强的工作，设计方案要认真分析评比，计划要周密，这样才能取得较好的效果。
3 多渠道筹集更新改造资金
电站的更新改造，除了技术上可行外，还需要一定的资金投入。对于不同的电站，可以采用不同的办法来进行。
对于提取折旧费的老电站，可以使用折旧资金，可以用电站资产作抵押向银行贷款，也可以采取群众集资投股的办法参与改造。但注意老电站的资产评估要合理。
对于综合利用的水库电站，可以采取股份制办法进行改造。首先将电站资产评估出来与水库资产分离，老电站的资产作为投入新组建的股份制电站的股份，参与分红。电站与水库的关系，即水作为商品是一种买卖关系。采用此办法可以不进行水库资产的分割，使问题简化，有利于问题的解决。
另外，目前机电设备是买方市场，电站也可找制造厂商量，能否以设备作为投资入股，改造后参与分红。总之，因站制宜，多渠道筹集资金，以利于老电站的更新改造。
小水电的改造时间一般为几个月至1年左右；老电站增容平均每千瓦投资不超过3000元；机组更新改造，平均每千瓦小时电能投资在0.5元左右，一般投资回收年限在2年～3年，经济效益十分显著。老电站的技术改造，无疑是费用省、效益大的事情。
水轮机的选型设计 水轮机选型时水电站设计的一项重要任务。水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的功能经济指标及运行稳定性，可靠性都有重要影响。 水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式，功能参数，水工建筑物的布置等，并考虑国内外已生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。 一：水轮机选型的内容，要求和所需资料 1：水轮机选择的内容 （1）确定单机容量及机组台数。 （2）确定机型和装置型式。 （3）确定水轮机的功率，转轮直径，同步转速，吸出高度及安装高程，轴向水推力，飞逸转速等参数。对于冲击式水轮机，还包括确定射流直径与喷嘴数等。（4）绘制水轮机的运转综合特性曲线。 （5）估算水轮机的外形尺寸，重量及价格。 wertyp9 ed\结合水轮机在结构、材质、运行等方面的要求，向制造厂提出制造任务书。 2.水轮机选择的基本要求 水轮机选择必须要考虑水电站的特点，包括水能、水文地质、工程地质以及电力系统构成、枢纽布置等方面对水轮机的要求。在几个可能的方案中详细地进行以下几方面比较，从中选择出技术经济综合指标最优的方案。 （1）保证在设计水头下水轮机能发生额定出力，在低于设计水头时机组的受阻容量尽可能小。 （2）根据水电站水头的变化，及电站的运行方式，选择适合的水轮机型式及参数，使电站运行中平均效率尽可能高。 （3）水轮机性能及结构要能够适应电站水质的要求，运行稳定、灵活、可靠，有良好的抗空化性能。在多泥沙河流上的电站，水轮机的参数及过流部件的材质要保证水轮机具有良好的抗磨损，抗空蚀性能。 （4）机组的结构先进、合理，易损部件应能互换并易于更换，便于操作及安装维护。 （5）机组制造供货应落实，提出的技术要求要符合制造厂的设计、试验与制造水平。 （6）机组的最大部件及最重要部件要考虑运输方式及运输可行性。 3.水轮机选型所需要的原始技术材料 水轮机的型式与参数的选择是否合理、是否与水电站建成后的实际情况相吻合，在很大程度上取决于对原始资料的调查、汇集和校核。根据初步设计的深度和广度的要求，通常应具备下述的基本技术资料： （1）枢纽资料：包括河流的水能总体规划，流域的水文地质，水能开发方式，水库的调节性能，水利枢纽布置，电站类型及厂房条件，上下游综合利用的要求，工程的施工方式和规划等情况。还应包括严格分析与核准的水能基本参数，诸如电站的最大水头Hmax、最小水头Hmin,加权平均水头Ha，设计水头Hr，各种特征流量Qmin、Qmax、Qa,典型年（设计水平年，丰水年，枯水年）的水头、流量过程。此外还应有电站的总装机容量，保证出力以及水电站下游水位流量关系曲线。 （2）电力系统资料：包括电力系统负荷组成，设计水平年负荷图，典型日负荷
课程设计任务书及指导书 水利水电工程专业 专科适用 教师：简新平 河北工程大学水电学院 年月日 Ⅰ《水电站》课程设计任务书 1 课程设计的目的 课程设计的目的，是培养学生运用本课程及相关课程基本理论和技术解决实际问题，进一步提高运算、绘图和使用技术资料的能力，通过具体工程实例设计提高设计观念和分析解决工程问题的能力。 2 课程设计成果及要求 2.1 课程设计成果 （1）设计说明书一份，内容包括：
A、封面； B、课程设计任务书； C、中文摘要； D、英文摘要； E、目录； F、正文； G、谢辞； H、参考文献； I、附录（附录为可选内容）。 （2）设计图纸一张，内容为： 设计过程中的辅助图、蜗壳、尾水管单线图。采用大米格纸或1号AutoCAD打印图纸，文字书写必须采用符合制图规范的长仿宋体。 2.2设计成果要求 ※请大家务必按以下要求完成设计成果，否则，审查时不予通过。 2.2.1说明书内容要求 （1）摘要。中文摘要在300字左右，外文摘要以250个左右实词为宜，关键词一般以3～5个为妥。 （2）目录。按三级标题编写（即：1……、1.1……、1.1.1……），附录也应依次列入目录。 （3）量和单位。量和单位必须采用中华人民共和国的国家标准GB3100～GB3102-93，它是以国际单位制（SI）为基础的。非物理量的单位，可用汉字与符号构成组合形式的单位。 （4）正文标题层次。全部标题层次应有条不紊，整齐清晰。相同的层次应采用统一的表示体例，正文中各级标题下的内容应同各自的标题对应，不应有与标题无关的内容。 章节编号方法应采用分级阿拉伯数字编号方法，两级之间用下角圆点隔开，每一级的末尾不加标点。分级阿拉伯数字的编号一般不超过四级。 各层标题均单独占行书写。第一级标题居中书写；第二级标题序数顶格书写，后空一格接写标题，末尾不加标点；第三级和第四级标题均空两格书写序数，后空一格书写标题。第四级以下单独占行的标题顺序采用A.B.C.…和a.b.c.两层，标题均空两格书写序数，后空一格写标题。正文中对总项包括的分项采用⑴、⑵、⑶…单独序号，对分项中的小项采用①、②、③…的序号或数字加半括号，括号后不再加其他标点。 （5）公式。公式号以章分组编号，如（2?4）表示第2章的第4个公式。公式应尽量采用公式编辑程序录入，选择默认格式，公式号右对齐，公式和编号之间不加虚线，公式调整至基本居中。 （6）表格。每个表格应有表序和表题，表序以章分组编号。表序和表题应写在表格上放正中，表序后空一格书写表题。表格允许下页接写，表题可省略，表头应重复写，并在右上方写"续表××"。 （7）插图。插图必须精心制作，线条粗细要合适，图面要整洁美观。每幅插图应有图序和图题，图序以章分组编号，如（图2?4）表示第2章的第4个图，图序和图题应放在图位下方居中处。图应在描图纸或在白纸上用墨线绘成，也可以用计算机绘图。 （8）参考文献。一律放在文后，参考文献的书写格式要按国家标准GB7714－87规定。参考文献按文中出现的先后统一用阿拉伯数字进行自然编号，序码宜用方括号括起。书写格式为：
4x1000KW水电站 ZDK400-LH-260/210水轮发电机组及附属设备 技 术 协 议 甲方： 乙方： 二〇一一年元月
一、电站概况 1、电站所在地： 2、电站名称：水电站 3、电站形式：径流式水电站 4、电站装机： 4 台或 6 台，每台 1000KW 或 700KW 水轮发电机组 5、电站参数： (1)、最大工作水头： 4.68 m (2)、最小工作水头： 4.18 m (3)、综合工作水头： 4.43 m (4)、额定工作水头： 4.43 m (5)、上游电站两台机运行来水量(最大流量)： 122 m3/s (6)、上游电站一台机运行来水量(最小流量)： 61 m3/s (7)、电站设计流量： 122 m3/s (8)、电站设计尾水位： m (9)、电站最高尾水位： m (10)、电站最低尾水位： m (11)、多年平均降雨量： mm (12)、电站最高气温：℃ (13)、电站平均气温：℃ (14)、电站最低气温：℃ (15)、电站相对湿度： % (16)、电站泥沙含量： kg/m3 (17)、电站海拔高程： m (18)、电站负荷性质及运行方式：并网 (19)、机组旋转方向：从发电机向水轮机方向看为顺时针方向 (20)、机组联接方式：钢性直联 (21)、机组操作电源：交流220V/380V，50Hz
四、水轮机引用标准 我公司在承接ZDK400-LH-260或ZDK400-LH-210型水轮机的设计、制造、检验、安装过程中将严格遵循以下所列的相关标准，为用户制造高性能、高质量的水轮机设备。 具体引用标准如下： 1、GB/T15468-1995 水轮机基本技术条件 2、GB/T10969-1996 水轮机通流部件技术条件 3、GB/T15469-1995 反击式水轮机空蚀评定 4、GB/T15643-1995 水轮机模型验收试验规程 5、GB/T7894-2001 水轮发电机基本技术条件 6、GB8564-88 水轮发电机组安装技术规范 7、GB/T9652.1-1997 水轮机调速器与油压装臵技术条件 8、GB1800 公差与配合总论标准公差与基本偏差 9、GB1804 公差与配合未注公差尺寸的极限偏差 10、GB2649 焊接接头机械性能试验取样方法 11、GB2651～2656 焊接接头机械性能试验方法 12、GB/T7409.3-1997 《中小型同步发电机励磁系统基本技术要求》 13、DL/T536-95 水轮机电液调节系统及装臵技术规程 14、JB/DQ1230-87 大型水轮机产品质量分等 15、JB1270-85 水轮机、发电机大轴锻件技术条件 16、GB150-1998 钢制压力容器 17、JB11352-89 一般工程用铸造碳钢件 18、JB1176-87 铜合金铸造技术条件 19、GB/T9652.2-1997 水轮机调速器与油压装臵试验验收规程 20、DL443-1991 水轮发电机组设备出厂检验一般规定 21、JB/T56184-94 中小型水轮发电机励磁装臵产品质量分等 22、GB11805-1999 水轮发电机组自动化元件装臵及其系统基本技术条件 23、DL507-93 水轮发电机起动试验规程 所有螺丝、螺母、螺栓、螺杆和有关管件的螺纹应使用GB标准。在上述标准中，优先采用中华人民共和国国家标准。 本协议文件中的技术标准及要求，若有不一致的，以较高的技术要求为准，未提及的以相关规定为准。
第一章 一、填空题： 1．水电站生产电能的过程是有压水流通过水轮机，将转变为，水轮机又带动水轮发电机转动，再将转变为。 2．和是构成水能的两个基本要素，是水电站动力特性的重要表征。 3．我国具有丰富的水能资源，理论蕴藏量为 kW，技术开发量为 kW。 4．水轮机是将转变为的动力设备。根据水能转换的特征，可将水轮机分为和两大类。 5．反击式水轮机根据水流流经转轮的方式不同分为、、、几种。 6．反击式水轮机的主要过流部件（沿水流途经从进口到出口）有：，，，，。 7．冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为、和三种。 8．混流式水轮机的转轮直径是指；轴流式水轮机的转轮直径是指。 9．冲击式水轮机的主要过流部件有、、、。 10．水轮机的主要工作参数有、、、、等。 包括、、，其关系是。 11．水轮机的总效率 12．水轮机工作过程中的能量损失主要包括、、三部分。 二、简答题 1．水力发电的特点是什么？ 2．我国水能资源的特点？ 3．反击式水轮机主要过流部件有哪些？各有何作用？ 4．当水头H，流量Q不同时，为什么反击式水轮机转轮的外型不相同？ 5．水轮机是根据什么分类的？分成哪些类型？。 6．反击式水轮机有哪几种？根据什么来区分？ 7．冲击式水轮机有哪几种？根据什么来区分？ 三、名词解释 1．HL240—LJ—250： 2．2CJ30—W—150/2×10： 3．设计水头： 4．水轮机出力： 5．水轮机效率： 6．最优工况： 7．水头： 8．转轮的标称直径
第二章 一、填空题 1．水轮机工作过程中的能量损失主要包括、、三部分。 2．根据水轮机汽蚀发生的条件和部位，汽蚀可分为：、、三种主要类型。3．气蚀现象产生的根本原因是水轮机中局部压力下降到以下. 4．水轮机的总效率 包括、、，其关系是。 5．立式水轮机的安装高程是指高程，卧式水轮机的安装高程是指。 6．水轮机的吸出高度是指转轮中到的垂直距离。 7．蜗壳根据材料可分为蜗壳和蜗壳两种。 8．金属蜗壳的断面形状为形，混凝土蜗壳的断面形状为形。 二、名词解释 1．汽化压力： 2．汽蚀现象： 3．水轮机安装高程： 4．吸出高度： 5．气蚀系数： 4．包角φ： 5．尾水管高度： 三、简答题 1．为什么高水头小流量电站一般采用金属蜗壳，低水头大流量电站采用混凝土蜗壳？ 2．水轮机的尾水管有哪些作用？ 3．蜗壳水力计算有哪些假定原则，各种计算方法的精度如何？ 4．汽蚀有哪些危害？ 5．防止和减轻汽蚀的措施一般有哪些？ 6．水轮机安装高程确定的高低各有什么优缺点？ 7．各类水轮机的安装高程如何确定？特别是要注意到哪些因素？ 8．尾水管的作用、工作原理是什么？尾水管有哪几种类型？ 四、计算 1．某水轮机采用金属蜗壳，最大包角为345○，水轮机设计流量Q○=10 m3/s，蜗壳进口断面平均流速v e=4m3/s，试计算蜗壳进口断面的断面半径ρe。 2．某水电站采用混流式水轮机，所在地海拔高程为450.00米，设计水头为100米时的汽蚀系数为0.22，汽蚀系数修正值为0.03，试计算设计水头下水轮机的最大吸出高度H S。
; 小型水电站设计2×15MW的水力发电机组
目录 一选题背景 (3) 原始资料 (3) 设计任务 (3) 二电气主接线设计 (3) 对原始资料的分析计算 (3) 电气主接线设计依据 (4) 主接线设计的一般步骤 (4) 技术经济比较 (4) 发电机电侧电压（主）接线方案 (4) 主接线方案拟定 (4) 三变压器的选择 (7) 3. 1主变压器的选择 (7) 相数的选择 (7) 绕组数量和连接方式的选择 (7) 厂用变压器的选择 (8) 四．短路电流的计算 (9) 电路简化图8： (9) 计算各元件的标么值 (10) 短路电流计算 (11) d1点短路电流计算 (11) d2点短路 (13) 五电气设备选择及校验 (15) 电气设备选择的一般规定 (15) 按正常工作条件选择 (15) 按短路条件校验 (16) 导体、电缆的选择和校验 (16) 断路器和隔离开关的选择和校验 (17) 限流电抗器的选择和校验 (17)
电流、电压互感器的选择和校验 (18) 避雷器的选择和校验 (18) 避雷器的选择 (18) 本水电站接地网的布置 (19) 六.设计体会 (19) 附录 (20) 参考文献 (22)
一选题背景 原始资料 （1）、待设计发电厂为水力发电厂；发电厂一次设计并建成，计划安装2×15MW的水力发电机组，利用小时数4000小时／年； （2）、待设计发电厂接入系统电压等级为110kV，距系统110kV发电厂45km；出线回路数为4回； （3）、电力系统的总装机容量为600MVA、归算后的电抗标幺值为，基准容量Sj＝100MVA; （4）、低压负荷：厂用负荷（厂用电率）%； （5）、高压负荷：110kV电压级，出线4回, Ⅲ级负荷，最大输送容量60MW，cosφ＝； （6）、环境条件：海拔＜1000m；本地区污秽等级2级；地震裂度＜7级；最高气温36℃；最低温度－℃；年平均温度18℃；最热月平均地下温度20℃；年平均雷电日T＝56日／年；其他条件不限。 设计任务 （1）、根据对原始资料的分析和本变电所的性质及其在电力系统中的地位，拟定本水电站的电气主接线方案。经过技术经济比较，确定推荐方案。 （2）、选择变压器台数、容量及型式。 （3）、进行短路电流计算。 （4）、导体和电气主设备（各电压等级断路器、隔离开关、母线、电流互感器、电压互感器、电抗器（如有必要则选）、避雷器）的选择和校验。 （5）、厂用电接线设计。 （6）、绘制电气主接线图。 二电气主接线设计 对原始资料的分析计算 为使发电厂的变压器主接线的选择准确，我们原始资料对分析计算如下； 根据原始资料中的最大有功及功率因数，算出最大无功，可得出以下数据
水电站水轮机结构详解 一、转轮室装配，转轮室装配包括转轮室、基础环、伸缩节。 1、转轮室为钢板焊接结构,上部在桨叶转角范围内90°易汽蚀区域采用不锈钢，与叶片配合面为球面，喉部直径为Φ5277mm，为了便于安装，分上、下两半，用螺栓把合在一起，采用Φ14橡胶条密封。转轮室用螺栓和外导水环把合在一起，把合法兰处密封采用Φ16橡胶条密封。 2、基础环上装有伸缩节，后部焊在尾水管上，它是伸缩节、转轮室的基础与座环具有一定的同轴度及平行度要求。基础环采用钢板焊接结构，在安装调整轴线后，下游端与尾水管里衬焊牢。基础环要承受转轮室传来的水力振动，因而要求与混凝土结合牢固。 3、伸缩节安装在转轮室与基础环之间,采用Φ27橡胶条密封结构,可有效地防止漏水,伸缩节轴向调节间隙15mm，作为消除安装时的间隙误差之用，也可消除因厂房基础变形而对机组结构之影响。 二、座环装配，座环装配分为座环、下游外锥两部分。 1、座环是机组的主要支撑，承受机组大部份重量，水的压力、浮力、正反向推力、发电机扭矩等，并将这些负荷传递到基础混凝土上，因而应具有足够的强度、刚度。座环是整个机组的安装基础，水轮机的导水机构，发电机定子，组合轴承等都固定在其法兰上，并以此为基础顺序安装。座环分为内环两半，外环两半，在水平方向有两个固定导叶，在垂直方向有两个进人筒，既为座环的主要受力构件，也作为安装油、水、气管路和电气线路，更换水轮机导轴承、密封、组合轴承的通道。在座环的外圆布置一些调整螺杆和锚钉，安装调整用。 2、导水机构，灯炮贯流式机组导水机构的主要功能是产生水流进入转轮前环量,并根据机组的功率的需要调节流量,水轮机停止运行时,导叶关 闭切断水流。导水机构装配主要包括：外配水环、内配水环、导叶、控制环、压环、套筒、导叶臂及传动机构等组成。 2.1 外配水环分成两半,两半之间以及与座环法兰把合面间用“O”橡胶条密封。外配水环和导叶配合面为球面，半径SR3782mm,外配水环上设有16只导叶套筒孔，与主轴中心线成65°夹角，并等距分布。为测量导叶后
四川革什扎河吉牛水电站 水轮机与配套进水球阀及相关附属设备(合同编号:GSJG-001)水轮发电机及相关附属设备(合同编号:GSJG-002) 技术协议 买方: 四川革什扎水电有限责任公司 电站设计单位: 国家电力公司成都勘测设计研究院 卖方: 哈尔滨电机厂有限责任公司 2006年5月
目录 第 1 章一般规定与规范 (1) 1.1承包范围 (1) 1.1.1 标段1 (1) 1.1.2 标段2 (1) 1.2电站概况及自然条件 (2) 1.2.1 电站概况 (2) 1.2.2 自然条件 (2) 1.2.3 交通运输 (1) 1.3电站参数 (2) 1.3.1 水库特性 (2) 1.3.2 尾水位 (2) 1.3.3 电站特征水头 (2) 1.3.4 动能参数 (3) 1.3.5 电站厂房布置示意 (3) 1.4标准与工艺 (3) 1.4.1 采用的技术标准名称和编写代号 (3) 1.4.2 其他要求 (4) 1.5材料 (5) 1.5.1 基本要求 (5) 1.5.2 主要材料标准 (5) 1.6材料试验 (6) 1.7设计应力 (7) 1.7.1 概述 (7) 1.7.2 最大许用应力 (7) 1.8焊接 (8) 1.9无损检测 (8) 1.10铸钢件及锻件 (9)
1.10.1 铸件的检查 (9) 1.10.2 锻件的检查 (10) 1.11部件及焊接表面加工 (11) 1.12防护、清扫及保护涂层 (12) 1.13设备颜色 (13) 1.14润滑油及润滑脂 (13) 1.15测头 (13) 1.16管路 (14) 1.17备品备件 (14) 1.18基础埋设材料 (14) 1.19吊装附件及专用工具 (15) 1.20铭牌 (15) 1.21电站供给的公用设施 (15) 1.22辅助电气设备、电线和端子 (15) 1.23自动化元件、仪器和仪表 (17) 1.23.1 自动化元件配置要求 (17) 1.23.2 设备说明 (18) 1.24试验计划 (20) 1.25工厂装配与试验证明 (21) 1.26包装与标志 (21) 1.27买方人员参加工厂设备试验、质量检验和培训 (21) 1.28买方提供的图纸 (22) 1.29卖方提供的图纸和资料 (22) 1.29.1 一般要求 (22) 1.29.2 设备图纸和资料 (23) 1.29.3 设备详图 (25) 1.29.4 随机图纸资料 (30) 1.29.5 说明书 (30) 1.29.6 记录、证明、报告 (32) 1.29.7 其它资料 (32)
一、水轮机选型计算的依据及其基本要求.....................................................................1 1 水轮机选型时需由水电勘测设计院提供下列原始数据.................................1 2 水轮机选型计算应满足下述基本要求......................................................1 二、反击式水轮机基本参数的选择计算..................................................................1 1 根据最大水头及水头变化范围初步选定水轮机的型号.................................1 2 按已选定的水轮机型号的主要综合特性曲线来计算转轮参数.................................1 3 效率修正..........................................................................................4 4 检查所选水轮机工作范围的合理性.........................................................4 5 飞逸转速计算....................................................................................5 6 轴向推力计算....................................................................................5 三、水斗式水轮机基本参数的选择计算......................................................10 1 水轮机流量.......................................................................................10 2 射流直径d 0.......................................................................................10 3 确定D1/d 0.......................................................................................10 4 水轮机转速n ....................................................................................10 5 功率与效率................................................................................................11 6 飞逸转速..........................................................................................12 7 水轮机的水平中心线至尾水位距离A ......................................................12 8 喷嘴数Z 0的确定....................................................................................12 9 水斗数目Z1的确定.................................................................................12 10 水斗和喷嘴的尺寸与射流直径的关系...................................................13 11 引水管、导水肘管及其曲率半径.........................................................13 12 转轮室的尺寸..............................................................................14 A 水机流量..........................................................................................17 B 射流直径.............................................................................................17 C 水斗宽度的选择..........................................................................................17 D D/B 的选择.............................................................................................17 E 水轮机转速的选择.......................................................................................17 F 单位流量的计算..........................................................................................17 G 水轮机效率................................................................................................18 H 飞逸转速................................................................................................18 I 转轮重量的计算..........................................................................................18 四、调速器的选择.............................................................................................20 1 反击式水轮机的调速功计算公式.....................................................................20 2 冲击式水轮机的调速功计算公式.....................................................................20 五、阀门型号、大小的选择.................................................................................21 1 球阀的选择................................................................................................21 2 蝴蝶阀的选择 (22) 目 录
院校：河北工程大学水电学院专业班级：水利水电建筑工程01班姓名：苏华 学号： 093520101 指导老师：简新平
水电站水轮机的选型设计 摘要 本说明书共七个章节，主要介绍了大江水电站水轮机选型，水轮机运转综合特性曲线的绘制，蜗壳、尾水管的设计方案和工作原理以及调速设备和油压装置的选择。主要内容包括水电站水轮机、排水装置、油压装置所满足的设计方案及控制要求和设计所需求的相关辅助图和设计图。系统的阐明了水电站相关应用设备和辅助设备的设计方案的步骤和图形绘制的方法。 关键词： 水轮机、综合运转特性曲线图、蜗壳、尾水管、调速器、油压装置。 【abstract】 Curriculum project of hydrostation is a important course and practical process in curriculum provision of water-power engineering major . There are more contents and specialized knowledge in the curriculum project , which make students not to adapt themselves quickly to complete the design . In this paper , characteristic of the curriculum project is analyzed , causes of inadaptation to the curriculum project in students are found , rational guarding method are proposed , and a example of applying the guarding method is given . The results show that using provided method to guard student design is a good method , when teaching mode and time chart are given , students are guarded from mode of thinking and methodology , and design step are discussed and given . After the curriculum project of hydrostation , the capability of students to solve practical engineering problems is improved , and the confidence to engage in design is strengthened . 【Keyword】 Curriculum project of hydrostation ; guarding method ; mode of thinking ; methodology; design step.
XXXX电站 HL240C-WJ-50 SFWE-W160-10/850 水轮发电机组及附属设备 技 术 协 议 甲方： 乙方： 二〇一二年二月
目录 1、概述 (3) 2、电站概况 (5) 3、水轮机 (6) 4、水轮发电机 (10) 5、进水主阀 (12) 6、调速器 (13) 7、三合一综合控制屏 (14) 8、产品质量保证承诺 (15) 9、售后服务的保证措施及承诺 (15)
1、概述 1.1 总则 1.1.1 甲方、乙方峨眉山市驰骋机械制造有限公司 双方就XX水电站一台套额定功率为160kW水轮发电机组及其附 属设备的技术要求进行了充分讨论和友好协商后达成本技术协 议。本协议书作为经济合同的附件，与经济合同具有同等法律效 力。凡是本协议未提出的内容，均应符合国家和部颁有关标准。 1.1.2 在技术协议实施过程中，双方的联系通知均以书面文件为准。 1.1.3 本协议在执行过程中如需对本协议进行补充和修改必须经双方 协商同意，并形成补充和修改文件，该文件与本协议具有同等法 律效力。 1.1.4 水轮发电机组及其附属设备的设计、制造、交接验收应执行以 下标准，在下述标准中，优先采用国家标准，依次采用部（委） 标准，未列出的其他标准，如材料、焊接、连接件标准等应按国 家标准，无国家标准的执行部颁标准。选用的标准如有新版本以 新版本为准。 (1)GB/T15468-2006 《水轮机基本技术条件》 (2)GB/T10969-1996 《水轮机通流部件技术条件》 (3)JB/T1270-1993 《水轮机、发电机大轴锻件技术条件》 (4)GB/T15469-1995 《反击式水轮机空蚀评定》 (5)GB7894-2001 《水轮发电机基本技术条件》 (6)GB/T 1029-93 《三相同步电机试验方法》
小型水电站水轮机的选型设计 摘要：高坪桥水库电站水头运行范围为22.99~57.92m，以统计规律为指导，在容量相近的水轮机参数水平基础上，结合目前国内机组制造水平及转轮特点，通过技术经济比较分析，进行机组选型设计，最终确定合理的水轮机参数。 关键词：卧式混流机组；选型设计 1 引言 浙江省龙游县高坪桥水库工程地处龙游县境内衢江支流社阳溪上，社阳溪流域现有社阳水库调蓄能力有限，且未设置防洪库容，下游地区受衢江洪水顶托，汛期每遇暴雨，易发生洪涝灾害。 2水轮机参数选择 2.1 电站基本参数 高坪桥水库总库容3206万m3，供水调节库容2431万m3，防洪库容560万m3；死库容218万m3；配套电站总装机容量3.6MW。电站为引水式电站，正常蓄水位182.0m，发电死水位150.0m；电站最大毛水头58.42m，最小毛水头26.0m，加权平均水头46.66m。 2.2 水轮机模型参数选择 本电站水头范围为26.00m~58.42m。对于该水头段的机组宜采用卧式混流式机组。参考现有的水轮机模型转轮，供本电站选用的混流机转轮较多，其中A289和A551C模型参数较优，其能量特性和空化性能均较好，具有一定的代表性。 经计算比较，机组选型方案比较表如下 两个方案均能满足运行要求。模型转轮A551c效率较高，选用的转轮直径较小，机组总造价较低。但安装高程较低，主厂房土建造价较高。考虑本阶段预留一定裕度，选取效率略低，单位流量较小的模型转轮，有利获得较好汽蚀性能。 综合考虑，本阶段暂按照A286转轮来选择水轮机参数及机组流道主要控制尺寸，提出本电站水轮机应具有的能量指标及空化指标。 2.3 水轮机机组台数选择 台数的选择应综合考虑满足工程功能要求的技术经济指标。从运行和检修方面来看，机组台数越多，运行调度越灵活，检修工作也越容易安排。但是台数增加将加大机电设备及土建投资。本电站发电厂房距离大坝较远，大坝位置另外设置生态流量泄放装置，不需考虑通过机组泄放生态流量。 根据以上原则要求，选取2台机（2600 kW +1000kW）和3台机（3×1200 kW）两组方案进行比较，对比如下表： 综上，从技术上看，2台机和3台机方案都可以满足本电站发电的要求；从造价上看，3台机方案要高于2台机方案约363万（可比投资）；从运行维护管理上看，三台机组备品备件相同，在运行维护管理上，可增加互换性；综上多方面比较，并考虑业主意愿及运行管理现状和经验，本阶段选择机组台数为3台1200 kW的方案。 2.4 额定水头的选择 本电站为引水式开发，水库正常蓄水位182.00m，发电死水位150.00，消落高度32m，水轮机加权平均水头46.66m，选取水轮机额定水头为40.00m，可使水轮机长期运行在额定水头附近，在较大的范围内能够满负荷和高效运行。 2.5 水轮机安装高程的确定 混流式水轮机的安装高程应同时满足在各种可能出现的运行工况下避免空蚀的要求。同时，卧轴混流式水轮机的安装高程还应满足尾水管出口最小淹没深度的要求。经过计算，1200kW机组允许吸出高度[Hs]=+5.17m，装机吸出高度Hs=2.66m。确定水轮机的安装高程为126.0m。由满足最大水头工况的空蚀条件决定。
水电站水轮发电机组的常见故障与维护研究 伴随着社会的不断进步和提高，机械行业也迎来了自己的发展空间。水电站造福了社会，为人民提供生命之源。它已经摆脱了原来落后的工作模式，进而采取了水轮发电机组的方式。但是在水电站利用水轮发电机组也存在一定的问题。所以本文重点分析水电站水轮发电机组的常见故障与维护措施，进而找到行之有效的维护方式。 标签：水电站; 水轮发电机组; 常见故障; 维护分析 引言 作为水力发电的重要内容，水电站在实际运行过程中具有非常关键的作用。科学优化水电站的整体运行质量，全面优化水电站的运行安全，不仅关系着我国水力发电事业的健康持续发展，也关系着我国电能资源的节约与优化。水电站电力生产水平直接受到水电站发电机组运行能力的影响，在实际发电过程中，发电机组若出现故障或者隐患，势必影响水电站的整体运行成效，同时，也会在某种程度上造成发电机组损毁。因此，在发电机组的运行过程中，应该落实科学的运行方式，全面加强维护管理，综合性提升发电机组的整体运行安全，确保水电站平稳高效运行。 1 水电站水轮发电机组的结构与工作原理 水轮发电机组的主要组成部分就是定子、转子与励磁装置，定子主要有隔震系统、机座、铁芯，转子则主要包含了主轴、轮臂、轮毂、风扇、磁极、制动阀板等部件。水轮发电机组中的导水机构在关闭的过程中需要一定的时间，为了避免在关闭的过程中所造成的电网解列时的转速上升过快、过高的情况，就需要给水轮发电机的转子以更大的转动惯量。这是造成当前转子质量过重的主要原因。发电机同步运行的过程中，水轮发电机组内的励磁绕组会通过直流电流，直接形成正常运行的磁场，此时就需要借助励磁电源、励磁调节器、励磁绕组以及其他的组成设备才能获取给直流电流，如果直接给发电机提供励磁绕组与励磁电源，会使得水轮发电机组的定子与转子结构部分存在一定的气隙，而该气隙也会导致出现旋转磁场，这就称之为水轮发电机组的主磁场。经过分析发现，该磁场的变化呈现出正弦变化规律，在水轮发电机组主磁场与定子绕组实现切割时，定子绕组会伴随着时间的变化而产生正弦交流电动势，这样就能够达到发电的目的，这也是水轮发电机的工作原理。 2水电站水轮发电机组的常见故障 2.1水轮发电机组的温度太高。 水轮发电机组是通过电使得发电机运转起来的，水轮发电机组在转动的过程中因为机器之间的摩擦，会有热量的产生。而这些热量如果得到有效的处理，那
troduction of hydro-electric power and hydraulicturbines Power may be developed from water by three fundamental processes : by action of its weight, of its pressure, or of its velocity, or by a combination of any or all three. In modern practice the Pelton or impulse wheel is the only type which obtains power by a single process the action of one or more high-velocity jets. This type of wheel is usually found in high-head developments. Faraday had shown that when a coil is rotat ed in a magnetic field electricity is generated. Thus, in order to produce electrical ener gy, it is necessary that we should produce mechanical energy, which can be used to rot ate the coil. The mechanical energy is produced by running a prime mover by the ene rgy of fuels or flowing water. This mechanical power is converted into electrical powe r by electric generator which is directly coupled to the shaft of turbine and is thus run by turbine. The electrical power, which is consequently obtaind at the terminals of the generator, is then transited to the area where it is to be used for doing work.he plant or machinery which is required to produce electricity is collectiv ely known as power plant. The building, in the entire machinery along with other aux iliary units is installed, is known as power house. Keywords hydraulic turbines hydro-electric power classification of hydel plants head scheme There has been practically no increase in the efficiency of hydraulic turbines sinc e about 1925, when maximum efficiencies reached 93% or more. As far as maximum efficiency is concerned, the hydraulic turbine has about reached the practicable limit o f development. Nevertheless, in recent years, there has been a rapid and marked increa se in the physical size and horsepower capacity of individual units. In addition, there has been considerable research into the cause and prevention of cavitation, which allows the advantages of higher specific speeds to be obtained at hig her heads than formerly were considered advisable. The net effect of this progress wit h larger units, higher specific speed, and simplification and improvements in design h as been to retain for the hydraulic turbine the important place which it has