下载文档原格式
水电厂水轮机增效扩容改造水电厂水轮机增效扩容改造随着社会经济的不断发展，对电力资源的需求也在逐渐增加。
为了满足日益增长的电力需求，提高水电厂的发电效率和扩大发电规模成为当前亟需解决的问题。
水轮机作为水电厂发电的核心设备，其增效扩容改造是提高发电效率和产能的重要手段。
本文将从高效发电技术、改造方案和效益分析三个方面，探讨水电厂水轮机增效扩容改造的内容。
一、高效发电技术1. 优化叶轮设计：通过对叶轮进行优化设计，提高水轮机的转化效率。
采用流线型设计和先进的叶片形状，减少能量损失和水流分离现象，提高叶轮的工作效率。
2. 提高转子材料和制造工艺：采用先进的材料和制造工艺，提高转子的强度和耐磨性，降低转子的损耗和摩擦，提高水轮机的转化效率。
3. 安装高效节能设备：通过安装高效节能设备，如频率变换器、电子调速器等，实现水轮机的自动化调整和运行控制，提高水轮机的效率和稳定性。
二、改造方案1. 轴流水轮机的改造：对原有的轴流水轮机进行改造，可以采用增加叶轮叶片数量、优化叶轮叶片形状等方式，提高水轮机的效率和功率。
2. 混流水轮机的改造：对原有的混流水轮机进行改造，可以采用增加叶轮直径、优化叶轮进出口截面、提高转子材料等方式，提高水轮机的效率和扬程。
3. 泄洪式水轮机的改造：对原有的泄洪式水轮机进行改造，可以采用增加导叶数量、优化导叶进口形状、改善冲击压力等方式，提高水轮机的效率和水利特性。
三、效益分析1. 经济效益：水电厂水轮机增效扩容改造可以提高发电效率和产能，使得发电量增加，银行的发电效益也随之提高。
同时，改造后的水轮机运行更加稳定可靠，减少了停机和维修的成本。
2. 资源效益：水电厂水轮机增效扩容改造可以充分利用水能资源，提高能源的利用效率。
通过优化叶轮设计、改善水轮机的运行特性，降低了对水的类型和水质要求，提高了水能资源的利用效率。
3. 环境效益：水电厂水轮机增效扩容改造可以减少对水资源的占用和消耗，降低了水电厂对环境的影响。
新疆阿勒泰地区托洪台电厂水轮发电机组增容改造技术探究托洪台水电站于1991年投产发电，早期建设水电站水轮发电机组效率低，不能够充分发挥水电站的效益，需要对水电站水轮发电机组的容量进行相关改造才能有效促进安全生产的要求。
在本文中，笔者从改造的必需性、改造途径等方面阐述水轮发电机组增容改造技术，并通过增容改造实例阐述改造所带来的的经济效益。
标签：水电站；增容改造；经济效益1.前言托洪台水电站为设在坝后的混合式开发水电站，1991年1、2号机组竣工后，流量尚有结余，故3号机组发电机选用容量为1×2500kW，这样，总装机容量为2×2000+1×2500kW，设计引水流量2×10.8+13m3/s，设计年平均发电量3270万kW·h，电站最大水头28.35m，最小水头21.50m，工作水头24m，流量2×10.80+1×13m3/s，原设计总装机容量为3×2000kW。
设计年平均发电量3270万kW·h，设备年平均利用小时5030h。
原设备保守落后，未能充分利用水能，严重影响了水轮发电机组的工作效率。
通过对水轮发电机组的增容改造，达到在不增加水耗的前提下提高机组总体效率的目的，切实有效的增加机组出力，提高机组总体效率。
2.水轮发电机组增容改造目标托洪台水电站计划对1、2、3号机组更换高效水轮机转轮，1、2号机组从额定出力2000kW扩容到2700kW，3号机组从额定出力2500kW扩容到2700kW。
额定流量分别从10.8m3/s增加到12.4m3/s，电站总流量增加到3×12.4+2×24=85.2m3/s。
增效扩容后电站总装机容量从目前的2×2000+1×2500=6500kW，增容到3×2700=8100kW，1#、2#、3#机组共增容1600kW。
扩容后电站年发电量从目前的8250万kW·h将增加到9328.66万kW·h，增量1078.66万kW·h。
浅谈小型水电站水轮发电机增效扩容改造设计作者：孙浩来源：《科技创新与应用》2015年第11期摘要：受使用年限的制约，我国很多小型水电站水轮发电机都出现了老化等问题，需要进行增效扩容改造。
文章主要针对水轮发电机增效扩容改造的合理选取、电气主接线及短路电流的计算复核、电气设备的选择与布置、接地系统的检查与修复等方面问题进行了分析，希望通过文章的分析，对相关工作具有一定的参考价值。
关键词：水轮发电机；增效扩容；改造设计1 水轮发电机增效扩容改造的合理选取1.1 定子绕组转子绕组的改造在进行发电机增效扩容改造时，应考虑这样的原则，那就是增容后机组转速保持不变，发电机极对数也是不变的。
而要想实现增容，就要改变原定子绕组，增大绕组线规，降低绕组电阻，使绕组电阻发热总量低于原绕组。
绝缘浸漆工艺也是需要改变的部分，需要从B级提高到F级，采用新型的耐压高、介质损耗低的绝缘材料，降低绝缘厚度，这样做是为了最大限度的增加线规。
当定子绕组和转子绕组在F级后，还要控制机组温度在合理的区间内，各项指标正常，最大限度的保证机组的工作效率。
就一般情况而言，设计发电机定转子绕组时都会有一定的裕量，在机组增容10%～15%的区间里，定转子绕组变动的可能性是不大的。
但当机组增容在一个比较大的幅度时，就应根据实际的增容情况判断需要的匝数及绕组截面积，再有针对性的改换定子和转子绕组。
增容幅度比较大时，由于机墩受限或其他原因无法和增容后的水轮机出力相一致时，更换定转子绕组的方法同样适用。
1.2 通风冷却系统的改造发电机的温度和扩容也会受到通风冷却系统优良与否的影响。
受到科学技术发展水平的制约，我国早期的发电机冷却器和风机的通风冷却系统问题还是比较突出的，散热效果不佳、工作效率低、噪音大都是其中的方面，正因为如此就比较容易出现结垢、锈蚀、堵塞等情况，冷却会受到阻碍，机组温度持续增加。
所以进行更换是比较好的方法。
自然冷却或通风管冷却的方法在一些小型机组中使用比较多，发电机直接与室外相通，环境温度将直接作用于发电机的温度。
水电站水轮发电机组设备技术升级改造发布时间：2021-05-08T03:12:00.095Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第1期作者：尹蓉江[导读] 自法国于1878年建成全世界第一座水电站，水电站一直为我们的生产和生活提供着清洁能源。
新疆伊犁河流域开发建设管理局新疆伊宁市 835000摘要：当前，很多中小型发电站的水轮发电机组已运行多年，设备老化，效率偏低，有必要采用新材料、新技术以及新工艺等方式来对水轮发电机组进行增容改造，从而更新设备、增加出力、提高经济效益。
本文对水轮发电机组增容改造的必要性及经济效益进行分析，并总结了机组增容改造具体方法。
这些方法已历经多年，应用于大量电站的增容改造中，并取得了很好的社会经济效益。
关键词：水电机组；增容改造引言自法国于1878年建成全世界第一座水电站，水电站一直为我们的生产和生活提供着清洁能源。
我国20世纪60年代以来建设的水电站设备已经技术落后，效率低下。
本文针对某水电站的现状，对其水轮发电机组进行了改造。
改造后机组的效率和稳定性得到了大幅提升，机组主要参数满足设计和规范要求，性能指标达到了预期目的。
1电站概况某水电站系水利枢纽保安自备电厂，布置在水利枢纽左岸，利用电站施工导流隧洞改建成引水式地下厂房。
电站原安装2台5MW卧式水轮发电机组，总装机容量10MW，最大引用流量13.4m3/s;原设计年发电量3000万kW?h，利用小时数3000h。
电站于1994年12月投产发电，经过20多年的运行，主辅设备老化严重，设备故障率高、可靠性差，无法满足电站安全稳定运行的要求。
另外，随着清江水布垭电站的建成发电，隔河岩水库的运行方式发生了较大变化，水库基本运行在较高水位，造成水轮机实际运行区域严重偏离最优工况区，运行效率低，气蚀严重，振动比较大，叶片出现裂纹和断裂现象，导水机构磨损严重;经过多次检修后，失去转轮室基准面，极大影响机组的安全经济运行。
因此，针对目前众多的问题，要求水电站按装机容量不变、接入方式不变、埋入部件不动的原则进行增效改造。
水电站水力机组增容改造的方法与注意事项1、水电站时要注意考虑防洪、供水、灌溉、航运及水渔业的需要。
2、水电站挖潜改造的对象是指具有能量潜力的电站，一般有三种情况：一是具有流量潜力(电站原设计保守，流量没有充分利用)；二是具有水头潜力(水头没有充分利用)；三是电站运行的实际参数与设计参数的变化达不到额定出力。
机组的挖潜改造主要涉及水轮机过流部件(转轮、导水机构、蜗壳、尾水管)和发电机部分。
其中发电机的改造较简单，因发电机通常都有10%左右的容量裕度，在增容中，应密切注意发电机温度的变化。
如果发电机温度升高较多，这时应考虑对发电机进行增容改造。
其方法是对发电机的定子线圈、绝缘或转子线圈进行更新改造，并且提高绝缘等级。
实践表明，在增容10%左右时，发电机一般不必改造。
水轮机部分的改造，目前多采取不改变导水机构、蜗壳、尾水管尺寸以及转轮配合尺寸的情况下，仅用更换新转轮的方式，实现增容目的。
因此，水轮机部分的增容主要是针对转轮进行的。
目前，在水电站运行中的转轮绝大多数是采用传统的一元流理论或二维势流理论设计的。
随着流体力学和计算理论的发展，在转轮设计方面也有了很大的进步，发展了考虑转轮来流有旋、叶片有限厚及转轮叶片力作用的转轮与导叶联合作用的基于S2流面的二维设计模型、基于S1流面的准三维设计模型、全三维设计模型和优化设计模型等，一系列较先进的设计方法和理论。
基于这些先进的设计方法和理论所设计的转轮，在其过流能力、效率等方面都有明显的提高，从而实现增容和提高枯水期水资源利用率的目标。
在转轮性能的分析方面，国内已建立了由转轮的准三元和全三维反问题模型构成的完整的现代水轮机设计系统。
该系统可根据不同的要求选择不同的权因子来控制转轮的各项性能指标，通过多目标优化来实现对叶片性能的控制和预测。
实验证明，该系统预测的性能指标与真机实验基本吻合。
这就改变了传统的"理论设计→模型实验→修正→再实验"的转轮研制模式，大大缩短了转轮的研发周期，减少了研发费用，为转轮的单件、定制提供了现实的可能性。
水轮发电机组改造增容龙溪河梯级电站建于50年代末,共有狮子滩、上硐、回龙寨、下硐4个电站,总装机容量104.5MW,狮子滩电站是龙溪河梯级电站的第一级,首部有库容为10.28亿m3(有效库容7.48亿m3)的多年调节水库。
建成后,梯级电站在重庆系统中担负调频、调相、调峰和事故备用等任务。
随着电网的扩大,1975年四川省形成了统一电网,陆续修建了一批大、中型水电站。
但是,网内水电站除龙溪河梯级和我厂大洪河电站(有不完全年调节水库,电站装机35MW)外,均为迳流式电站,因此,龙溪河梯级电站在系统中担负了对川西迳流电站一定的补偿调节作用。
狮子滩水电站是我国第一个五年计划重点建设项目。
电站兴建于1954年,建成于1957年。
第一台机组于1956年10月1日并网发电,电站原装有4台单机容量为12MW的水轮发电机组,设计年均发电量为2.06亿kW．h,年有效运行小时为4290h,机组立项改造前安装投运以来共发电(截止1992年底)63.41亿kW．h,有效运行小时(截止1992年底)为65.62万h,其中:1号机运行17.3万h,发电16.31亿kW．h;2号机运行15.4万h,发电15.06亿kW．h;3号机运行16.8万h,发电1.61亿kW．h;4号机运行16.09万h,发电15.95kW．h。
狮子滩水库经过长度为1462.5m、直径为5m的压力隧洞、差动式调压井及长度为133.213m、直径为5m的压力钢管及4根直径为2.6m的钢支管分别引水至各机组。
各机组压力水道长度分别为:1636.18m(1号);1638.978m(2号);1642.131m(3号),1644.83m(4号)。
机组的主要参数如下:水轮机:型号:HL216-LJ-200;水头:HP=64.3m;Hmax=71.5m;Hmin=45m;流量r=25.4m3/s;设计出力:Nr=13.8MW;吸出高度:Hs=0.6m;额定转速:nr=273r/min;飞逸转速:np=490r/min;接力器直径:φ400mm;接力器工作油压:1.75～2.0MPa;接力器最大行程:240mm。
发电机:型号:TS-425/84-22;额定容量:15MVA;额定出力:12MW;额定电压:10.5kV;额定电流:827A;额定频率:50Hz;功率因素:0.8;静子接线:双Y;转子电压:188V;转子电流:470A。
主励磁机:型号:ZLS-99/24-8;额定出力:125kW;副励磁机:型号:ZLS-54/8-6;额定出力:6.5kW;永磁机:型号:TY65/13-16;额定容量:1.5kVA;调速器:型号:S-38型;工作容量:78.45kN．m;工作压力:1.75～2.0MPa。
2 改造增容研究过程2.1 改造增容的提出狮子滩电站机组及辅助设备运行至1992年已有36～37年,除少数辅助设备进行过更换外,主要设备均未更换。
由于运行年久,设备日益老化,都需要有计划地进行改造、更新。
针对50年代制造投入的水轮机效率低,设计时考虑机组运行方式与目前实际运行情况有较大的变化等情况,省局在1990年组织了科研、运行单位共同研究了机组设备状况和系统运行方式后,提出机组改造增容的要求。
并要求对水轮机转轮改(选)型和利用发电机残余寿命增容至15MW等工作立即开展可行性研究。
2.2 改造增容可行性研究1990年9月初,狮子滩水力发电总厂成立了龙溪河梯级电站改造增容工作领导小组及各专业工作组,遵照省局的指示,我厂在四川省电力试验研究院(以下简称试研院)、东方电机厂科协、四川省水力发电学会咨询部等单位的帮助和配合下,重点对水轮机转轮改(选)型和利用发电机残余寿命增容等工作展开可行性研究。
2.2.1发电机试验研究在有关单位配合下,进行了发电机一系列试验、研究工作,并分别提出了试验报告(东方电机厂:“发电机电磁计算”、“机械强度计算”、“发电机通风试验”、“发电机气隙磁密测算”;试研院:“发电机静子老化鉴定试验”、“发电机温升试验”)。
试验表明:静子绝缘无老化特征,绝缘尚有较高的电气强度和绝缘裕度,通过发电机通风改造,发电机可增容至15MW有功运行。
2.2.2水轮机提高效率的研究机组能否增容,提高水机出力是需要解决的第一个关键问题。
1990年11月,试研院提出“龙溪河梯级电站的增容改造设想及狮子滩电站增容改造的可行性研究”的规划性报告,鉴于国内尚无完全适合狮站增容用的转轮,故在1990年12月,在省电力局主持下,我厂与试研院正式签订了“狮子滩电站增容改造用新型水轮机转轮的研制协议”。
要求在狮子滩电站对其水轮机转轮进行模型设计、试验研究中,在保持狮子滩电站水工部分及水轮机埋设部件不大动的条件下,要求水轮机改造达到以下目标:(1)提高水轮机过流能力15%以上;(2)提高水轮机平均运行效率2%以上;(3)提高机组出力2000～3000kW;(4)原水轮机功率摆动大,新机应予以改进;(5)要求新机具有良好的抗气蚀性能及运行可靠性。
之后,试研院与四川省机械设计研究院水力发电设备研究所(以下简称机械院)合作,联合研制狮子滩电站专用改型转轮,经优选后,机械院委托东电电器公司制造模型水轮机及模型转轮,并确定模型转轮的定型试验在水利水电科学院机电所(以下简称水科院)低水头能量台上进行。
上述单位通力合作,在1991年11月,完成了3个水轮机新转轮和两个改型转轮,共计5个转轮及模型机的设计制造及试验工作,其中包括完成了S10、S20以及改型转轮S11的能量性能对比试验和S20、S21、S30,3个新转轮在水科院低水头能量台上定型试验,将试验结果与国内已研制成功的bo=0.2,Q′max＜1000L/s的优秀转轮A10、A232的参数比较,见表1。
表1 bo=0.2,Q′max＞1000L/s的优秀转轮主要参数对比表转轮名称[td]最大单位流量Q′max/L．s-1 [td]单位转速n′out [td]最高效率ηmax/% [td]备注A10-25 [td]1080 [td]68 [td]88.2 [td]用标准尾水管、低水头台试验,当转轮换算为350mm时,ηmax=89%。
A232-35 [td]1040 [td]69.5 [td]90.7 [td]用标准尾水管,在高水头试验台试验,按IEC公式换算为低水头时ηmax=89.8%。
S30-35 [td]1020 [td]70 [td]89.5 [td](1)尾水管主要流道面积仅为标准管的74.7%～81%。
(2)转轮出口尺寸为前者的89.7%。
(3)在低水头试验台上试验。
(4)按计算,在相同流量下,尾水管损失增加使水轮机效率下降约1.47%～1.87%。
考虑到S30特殊流道带来的不利影响,应该说转轮的综合能量指标高于A10及A272,是近年来国内研制的bo=0.2且具有大过流能力的优秀转轮之一,属国内先进水平。
经换算,新研制的S30转轮用于狮站时,其各项指标均达到和超过合同要求。
2.2.3提出可行性报告在前期大量试验、研究的基础上,我厂于1991年底完成了狮子滩电站改造增容的可行性研究工作,提出了改造增容的前提条件为1)尽可能不改动原已建的水工建筑物,并要求改造增容工期尽可能短;(2)引用流量增加是有一定限度的;(3)狮库按优化调度10年的统计,运行年均毛水头为64.39m。
在经过水轮机提高效率研究及发电机一系列电气试验后,我厂提出了狮子滩电站改造增容可行性报告,由省局主持召开了有9个单位的工程技术人员共45人参加的审查会。
审查意见指出:“从5个模型转轮中推荐采用的S30型转轮,其资料和数据是通过全模拟试验获得的,可以用作真机出力效率换算的依据。
转轮试验是在水工建筑物基本不变,水轮机主轴不予更换的条件下进行的,难度大,其增容幅度达25%,且具有较高的能量指标,在短短1年内研制完成是很不容易的。
狮子滩电站换为该转轮后,在相同设计水头下,水轮机单机出力可由12MW增至15MW以上,模型最高效率89.5%,预计真机效率为92.0%,满足四川省电力科试所与长寿发电厂签订的各项技术指标”。
会议同意以S30型转轮作为狮子滩电站改造增容更换用的转轮。
审查会议同意将对称型活动导叶改为非对称导叶。
鉴于顶盖、底环的止漏环,抗磨板等已严重磨损,为有利于制作和安装,同意更换。
水轮机仍使用橡胶轴承。
尾水管直锥段按模型试验尺寸予以扩大。
发电机(2号发电机)经过电磁计算和静子绝缘老化鉴定以及温升试验表明,静子绝缘无老化特征,绝缘尚有较高的电气强度和绝缘裕度,在进风温度为30℃、功率因素0.85、定子电压10.5kV、定子电流970.6A、转子电流497A时,发电机可带15MW有功运行。
励磁系统经测算和试验能满足发电机15MW,无功11.25MVAR,功率因素0.8条件下运行。
主变压器多年运行工况较好,常规试验数据正常,近期内短时超负荷运行基本可以承受。
110kV、10kV开关遮断容量严重不足,应予全部更换。
可行性方案审查后,省局要求我厂“尽快完成初步设计,并上报我局审查,抓紧落实选择水轮机制造厂订货工作”。
2.3 完成初步设计根据省局要求,我厂组织有关技术力量提出了初步设计报告。
1992年在我厂提出初步设计报告后,省局又再次组织了对初步设计的审查。
初步设计报告对狮子滩电站改造增容从几个方面进行了分析和论证1)对狮子滩电站改造增容技术上的可行性,经济上的合理性进行2)对下一阶段设备改造的技术设计和施工设计明确了任务,提出了要求;(3)计算并提出了狮子滩近期改造增容的总概算;(4)对改造增容的经济效益进行了计算分析,省局审查后同意了初步设计报告,下达了狮站改造增容的第一批费用及形象进度要求。
3 机组改造施工、试验及运行情况3.1 首台机组改造施工和鉴定验收1992年12月,在东电电器公司将水轮机需更换的加工件已按合同要求完成,我厂已按初步设计要求完成了狮子滩电站2号机组各项技术和施工准备,主要准备工作有:水工建筑、水力机械、发电机通风系统改造施工图及“发电机通风系统改造施工工艺”、“机械部分改造施工工艺”、“水工部分改造施工工艺”、“改造增容综合施工进度网络图”等报告文件,于10月11日开始了狮子滩电站2号水轮发电机组的改造增容施工工作,并结合改造增容进行了机组大修。
由于我厂对此项工作缺乏经验,也由于水轮机设计制造上的一些问题,如:导叶平面密封不良、转轮标高低5mm、顶盖漏水等,使施工工期超过预计工期。
直到1993年3月12日机组空车启动试运行开始,接着又与电力科试所共同进行了发电机通风系统改造后的通风温升试验,至3月19日甩负荷试验后,机组才正式交调度管理,整个机组施工期长达99d。
改造后对机组进行了通风,温升试验;运行稳定性试验,效率试验及电站引水系统水头损失试验,并提出了相应的试验报告。
