水电站增效扩容改造过程中常见问题分析

杨圭武

（福建省寿宁县水利局，福建寿宁 355500）

水电站增效扩容改造过程中常见问题分析

杨圭武

（福建省寿宁县水利局，福建寿宁 355500）

随着国家经济的快速发展，人民生活质量不断提高，增效减排已成为当前能源开发新趋势。我国早期建设的水电站，机电设备、水工建筑、输电线路等设备老化严重，存在很大的缺陷和安全隐患，同时，限于当时的条件，多数水电站水能资源没有合理开发，对水电站更新改造和充分开发水资源势在必行。只有对电站设备进行更新扩容改造，才能使电站达到高效、经济、安全、节能，满发、多供、少损、低耗等要求。文章分析了农村水电站建设现状，总结水力发电机组运行存在的问题，提出机组增效扩容改造方案及其需要注意的相关问题。

水电站；发电机组；增容改造；注意问题

0 序 言

我国水利行业经济实现了优化转变，新型水利工程建设推动了地方发电模式的多样化发展，改变了早期单一水利调度运行系统的功能状态。

与此同时，水力发电机组承载负荷量持续上升，对水电站调度系统工作提出了更新的要求。发电机组增容改造是水电站改扩建不可缺少的措施，优化发电机组运行有助于水电资源的一体化调控。因此，水电站要根据内部工作要求，建立科学可行的机组增效扩容改造方案。

1 水电站工程发展现状

水电站是利用水能转为电能作业模式的工厂，这种作业方式是我国电力行业长期坚持的生产手段，既缓解了其他发电生产模式的不足，也利用了清洁自然的水资源。水电站是现代水利工程建设的重点对象，其采用水工建筑物、水力机械、电气设备等配套设施组建成的发电体系，充分利用了地区自然水能资源的优势。据统计，至2010年，我国水电站总装机2亿kW，涉及到大、中、小等不同级别规模的水电站，为地方经济可持续发展提供了能源保障，实现了水资源的最优化配置［1］。

2 水力发电机组运行存在的缺陷

2.1 技术方面

水电站是水能、动能、电能三者之间的转换平台，水轮机能量转换技术决定着系统发电的总体水平。我国大部分农村水电站建于20世纪90年代前，随着时间的推移，基于当时的水电建设技术能力和特殊历史条件，水轮机调控技术相对于现在，处于落后状态，运行指标达不到要求，发电性能较为滞后。以中小型水电站为例，据统计全国现有中小型水电站46000余座，总机组台数超过80000台，水电站水轮机效率较低，影响了水能资源的充分利用，影响了水电站的经济效益［2］。

2.2 选型方面

由于地区条件的差异性，我国各地区水电站水轮机技术水平不一，水轮机效率与机组选型也存在很大关联。90年代前，我国经济落后，农村用电量少，电网规模居多以乡村为网，甚至一机或一站一网格局，仅限于满足电站所在地的简易供电，水轮发电机组选型与流域水能蕴藏量不匹配，水能没有得到充分利用，随着经济飞速增长，用电负荷日益增加，电网的区域联网，电站装机容量适时增加，但均未按理论蕴藏量一次开发到位。如寿宁县下党村水电站，1973年建设初期设计装机1×12kW，1980年为满足当地用电需求，装机容量改为1×24kW，1991年供电范围扩大到全乡，技改后装机容量为2×250kW，2005年经建设水库，明渠改有压隧洞，提高设计水头，最终技改装机容量为2×800kW。

2.3 状态方面

水轮机工作状态是对整个生产体系的客观反映，机组工作效率标准，严重影响了电站出力水平。决定水轮机状态的影响因素比较复杂，与水电站结构设计、机组产品制造质量、配电作业环境、使用年限久等均有关联，其中水轮机效率是关键。比如，机组长时间处于高荷载工作条件，内部零配件磨损程度加重，造成发电站内水轮发电机组效率降低，浪费了部分能量，降低了发电产量指标，同时，设备故障率高［3］。

2.4 环境方面

一般情况下，水电站建造于偏远地区，山区、郊区等均适合水力发电场所。因自然条件的不断变化，水轮机组投运时间较长，自然地质条件与气候条件对水轮机结构产生了明显的破坏作用。根据测试，水轮机使用10a之后，定子、转子、端盖及轴承等结构会发生不同程度的磨损，进而机组转换能量工作效率有了明显变化，可降低发电量幅度约10%～20%，增加了水电站发电的成本耗资［4］。

3 水电站发电机组增效扩容改造需注意的问题

随着水电站工程扩大化改造，发电机组运行也出现了多种问题，严重影响到了水电站内部体系的作业效率。对水电站发电机组实施增效扩容改造，适应了水利水电行业节能化发展需求，也是提升水电站内配电调度系统性能的关键措施。笔者总结多年从事水电工作和寿宁当地水电站建设的经验，针对水电站运行存在的主要问题，增效扩容改造阶段需注意以下问题：

3.1 机组局部设备更新

设备更新主要有更换水轮机转轮或更换发电机绕组。主要针对转轮效率或机组综合效率降低的电站改造。

更换转轮。水轮机转轮是能量转换部件，水轮机的水力性能、振动与汽蚀主要取决于转轮性能。国内90年代前生产的系列转轮比目前先进的转轮效率约低2%～5%；且因长期运行，叶片汽蚀后多次补焊往往变形严重，汽蚀、振动加剧，效率降低。因而在实施水电站发电机组增效扩容改造时，往往采用更换高效转轮以增效为目的。

如寿宁县近期列入农村水电增效扩容改造的麻竹坪坝后电站，1990年投产的装机容量为2×1600kW，水轮机型号HL220—WJ—71，水轮机最优工况效率为88.5%，经过多年的运行，效率更为降低，实际效率约为71%，更换型号为 HLJF2528B—WJ—71、最优工况效率91.3%，整机最优工况效率比原来提高了7.7%；又如寿宁县车岭二级电站，1995年投产的装机容量为2×7500kW，水轮机型号 HL100—LJ—110，水 轮机 最 优 工 况 效 率 为89.2%，经过多年的运行，实际效率约为84.1%，发电机型号SF7500—8／2600，机组综合效率84.78%，实际为80.18%，更换两台型号分别为HL1089B—LJ—110、HL1083B—LJ—110、最 优 工 况 效 率 为91.05%、91.2%转轮，对应更换发电机组SF8500—8／2600、SF6500—8／2600，改 造 后 综 合 效 率 为87.36%、87.55%，整机效率比原来提高了7%多。

更换发电机绕组。投运年份较早或发电机受雷击、发热老化受损严重的机组，效率因此降低。可以更换发电机绕组来提高机组效率。如投产于1983年的寿宁县八定岔水电站1×160kW机组，受雷击线圈烧毁，多次修补，机组出力从最初的170kW降至98kW，更换返厂更换绕组、重新浇注绝缘处理后，目前最高出力可达181kW。

更换适应当地环境的转轮。主要表现在河道流砂较多、水质差的电站。如投产于2006年12月，装机容量为2×4000kW的寿宁县托溪二级水电站，进水口上游为人口密集乡镇和石材加工区，水库淤积严重，发电过程对转轮流砂冲刷严重，投产才8个月后，1＃、2＃机组最高出力从初期的4610kW、4536kW降到3830kW、3790kW，经拆机检查发现，两台机组转轮受流砂冲刷损坏严重，最后电站于2008年1月选用耐砂型不锈钢转轮更换，机组出力优于原转轮，效率大幅提高，改造后运行至今，历次检查转轮磨损度减小。

3.2 整机更换

对于原设计未充分利用水能资源开发的电站，可以按新理念设计更换满足流域可开发水能蕴藏量匹配的水轮发电机组。投运时间过长、老化严重、不宜继续使用的电站机组，也应采用整机更换新型、高效的机组。

3.3 丰枯或峰谷开发

布置两台以上机组的电站，如果水库库容调节能力小，为了充分利用丰水季节水能，可以将选择容量不同的两台或多台水轮发电机组，其中一台选用小容量，其余台机组选择较大容量，这样，丰水来时，可以充分利用较大水能。如果实行峰谷电价差异的电站，如寿宁西北部地区送往浙南方向电站，峰谷电价悬殊较大，考核严格，为充分提高电站效益，可以按扩大装机容量模式进行设计选型。如寿宁县后溪电站按理论设计应为2×1000kW，但为了多发峰电，电站按1×800kW＋2×1250kW设计，这样，峰电期间，根据水库蓄水量选择3台同时或其中1250kW机组运行，谷电期间在有剩余库容时选择800kW机组运行，电站整体效益提高25%以上。

3.4 流域梯级合理开发

寿宁境内多数流域梯级开发时间不一，从20世纪70年到如今先后开发都有，时空上开发理念差异，上下级电站装机流量不匹配，有源头电站设计水流量大于下游电站，致使下游电站弃水严重，水能利用率低。如寿宁县蟾溪流域分四级开发，第三级于1976年最先开发3×800kW，又于1988年考虑第一级电站即将开发，扩容为3×800kW＋2×4000kW，后1991年第一级电站2×1600kW建成，一、三级电站投产后，第三级电站来水量富余，造成弃水。1995年第四级电站2×7500kW建成投产，3、4两级发电流量又不匹配，变成卡脖子。于是在1999年，第三级电站又进行了技改，技改后装机为2×4000kW＋1×5000kW，这样四级电站才不会产生弃水、卡脖子现象，因此，流域梯级开发应统一规划，合理利用水能资源有序开发，最大发挥水能效率。

3.5 控制模式

水力发电机组中的水轮发电机由水轮机驱动。发电机的转速决定输出交流电的频率，因此稳定转子的转速对保证频率的稳定至关重要。可以采取闭环控制的方式对水轮机转速进行控制，即采取发出的交流电的频率信号样本，将其反馈到控制水轮机导叶开合角度的控制系统中从而去控制水轮机的输出功率，以达到让发电机转速稳定的目的。目前多采用新型微机型调速器，可根据机组容量大小，选择不同调速装置，如单机1000kW以下小机组可以选用集同期、调速、水位功能的微电脑控制器，1000kW以上机组可以采用微机液压型调速器。

3.6 后期维修养护

增容改造只是水电站改扩建的一部分，正式投入应用之后，还需安排值班人员做好后期维修养护工作，这也是增容改建常常被忽视的一步。通常，增容改造后期要对水轮机组进行综合整改，尤其是修复、改造水轮机部件，这样可以保持机组运行周期的长远性。

4 机组增容改造取得的成就

4.1 机组安全发电

机组经增容改造后，水轮机的水力性能、振动性能、汽蚀性能将会大大改善。由于采用了新技术、新材料、新工艺，提高了绝缘等级，改善了通风条件、散热条件，将使发电机事故率大大降低；机组运行时的不安定因素得到彻底改变，大修周期延长，大修费用降低。

4.2 经济效益

增容改造不仅使机组能安全稳发，产生直接的经济效益。例如增加系统事故备用容量，由于此电量是在系统发生事故的情况下提供的，它既防止了系统事故的扩大，又避免了事故停机，提高了电站效益。

5 结 论

利用水能资源发电是现代电力生产的方式之一，既可以充分利用水能资源参与产业经济建设，也带动了区域环境的生态化发展。考虑到市场电能供需关系的变化，对水电站进行增容改造处理，能够全面提升水力发电机组的工作效率，为社会输送更多的电能资源。水电站增效扩容改造之后，从发电安全、产业收益等方面起到关键作用，构建了先进化水电站发电作业模式。

［1］李兴平，张永，徐海东，等.十里泉电厂300MW机组循环水泵改造的可行性分析［J］.山东电力技术，2003（06）：58－60.

［2］姚泽，黄青松，徐广文，阚伟民.枫树坝电厂增容改造后机组振动故障处理［J］.水电能源科学，2010，28（02）：137－140.

［3］王先军，陈明祥，常晓林.葛洲坝水电站增容改造中机组拆除及蜗壳加固研究［J］.水利水电技术，2010，41（02）：56－59.

［4］程姚达.近年来东方电机股份有限公司水电站水轮机的增容改造实践［J］.东方电气评论，1995，9（01）：21－27.

TV737

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1007－7596（2014）08－0113－03

2014－06－09

杨圭武（1965－），男，福建寿宁人，工程师，研究方向为水利水电设计与施工。