淺談小型水電站的更新改造方案

 1、水輪發(fā)電機組的改造

       水輪機

       水輪機的轉輪是水電站實(shí)現水能轉變成機械能的關(guān)鍵部件，不同的水頭，不同的流量就要用不同的轉輪。而且同一只轉輪在過(guò)流量發(fā)生變化時(shí)其效率也發(fā)生變化，如果轉輪選擇失當，即會(huì )導致效率下降，不但不能提高電站經(jīng)濟效益，反而會(huì )帶來(lái)一些負面影響，如發(fā)生振動(dòng)、氣蝕等。上世紀七八十代，由于科技發(fā)展的限制，水輪機型譜的不全，需要的水輪機難以如意配套；也由于物資的缺乏，計劃經(jīng)濟指標下達的有限，設計水電站時(shí)有時(shí)只能勉強湊合，如桐坑溪二級電站設計水頭110米，選用的水輪機型號為XJ-W-55/1×12.5,較高效率的轉速應該是750轉,但由于當時(shí)物資缺乏,選用了1000轉的發(fā)電機，造成效率低下，在更新改造時(shí)應重新配套。因此，在進(jìn)行電站增容改造過(guò)程中，應根據電站水頭、流量等條件進(jìn)行詳細分析，在保證各項參數相適應情況下更換效率高、過(guò)流量大的轉輪，以滿(mǎn)足增容要求，同時(shí)選擇新型轉輪的流道和轉輪直徑與原機組基本相同。對反擊式水輪機中的軸流定漿式機組可通過(guò)調整葉片裝置角、修整葉片流線(xiàn)，對混流式水輪機則采用更換水輪機轉輪，來(lái)達到滿(mǎn)足增大過(guò)流量加大機組出力之目的；對沖擊式水輪機則采用改變噴嘴口徑，改進(jìn)葉輪，加大流量，達到增加出力之目的。為滿(mǎn)足發(fā)電機改造的需要，增容后宜保持機組轉速不變。根據水輪機制造廠(chǎng)改造水輪機轉輪的經(jīng)驗，一般出力可增加20%以上。

       發(fā)電機

       發(fā)電機定子的改造

       要使發(fā)電機達到增容目的，對原繞組必須進(jìn)行改變，必須增大定子繞組線(xiàn)徑，達到降低定子繞組電阻，使定子繞組電阻發(fā)熱總量不高于原繞組，以此來(lái)達到電機增容。由于發(fā)電機定子線(xiàn)槽尺寸裕度限制，對增容所需增大線(xiàn)規存在一定局限性。對此，在改造過(guò)程中，可以采用以下技術(shù)措施：一是改變絕緣浸漆工藝，提高絕緣等級為F級，采用耐電壓高介質(zhì)損耗低的絕緣材料，減薄絕緣層厚度，騰出空間；二是采用特有烘漆工藝填充線(xiàn)圈間和線(xiàn)圈與鐵芯的空隙，增加線(xiàn)圈的散熱能力降低溫升；對于小型機組還可通過(guò)改變勵磁方式，去掉電機附加繞組線(xiàn)圈，改為靜止可控硅勵磁；加大通風(fēng)量和提高功率因數，裝設無(wú)功補償裝置，提高有功輸出功率，保持定子繞組發(fā)熱總量不變。通過(guò)上述技術(shù)措施，一般發(fā)電機均可增加一個(gè)容量等級。

       發(fā)電機轉子的改造

       由于當發(fā)電機容量增加20%-25%時(shí)，其空載勵磁功率并沒(méi)有增加，一般只需增加10%左右的勵磁功率即可。轉子線(xiàn)圈常采用翻新改造的方案。將原舊線(xiàn)圈退火處理，一方面軟化銅排，另一方面燒去舊絕緣。轉子線(xiàn)圈重新熱壓，并將其絕緣等級提高為F級。由于老匝絕緣材料厚，一般線(xiàn)圈翻新時(shí)可增加10%-15%的匝數。通過(guò)增加匝數，提高絕緣等級措施后，轉子繞阻一般可擴容20%～25%。

       發(fā)電機改造后的技術(shù)參數和烘漆工藝

       發(fā)電機增容后，必須通過(guò)電磁計算和試驗來(lái)提供發(fā)電機的技術(shù)參數，如勵磁電流、電壓、發(fā)電機效率、定子電流、允許溫升、短路比、定子漏抗等，供發(fā)電站進(jìn)行短路計算、繼電保護計算及調整各種保護整定值。發(fā)電機增容改造中浸漆烘焙工藝也是發(fā)電機增容的關(guān)鍵技術(shù)措施之一。發(fā)電機在運行過(guò)程中，定子線(xiàn)圈端部要承受很大的電磁力，如果浸漆不透，烘焙不干，定子線(xiàn)圈端部要受到很大的電磁力，會(huì )發(fā)生扭曲變形，造成匝間短路、甚至造成整臺發(fā)電機報廢的重大事故。采用強迫流動(dòng)浸漆工藝，使浸漆透徹，在烘焙上采用循環(huán)熱風(fēng)打入電機進(jìn)行循環(huán)加熱，達到整個(gè)電機線(xiàn)圈受熱均勻、固化程度高的工藝要求，保證烘漆質(zhì)量。

       2、發(fā)電機磁裝置的改造

       要使發(fā)電機安全和穩定地運行，發(fā)電機勵磁系統的性能是關(guān)鍵，早些年使用的三次諧波式、相復勵變壓器式、雙繞組電抗分流式、可控硅半波整流等幾種勵磁裝置，由于調節性能差，易引起振蕩，不適應機組并網(wǎng)運行，同時(shí)其故障較多影響機組安全運行，所以必須加以更新改造。

勵磁裝置的改造應根據原有勵磁方式進(jìn)行改造，如把雙繞組電抗分流式勵磁改造成可控硅分流的電抗分流，此裝置在雙繞組電抗分流式的基礎上增加了可控硅分流的自動(dòng)電壓調節器，空載電壓調節范圍大，并網(wǎng)后運行穩定，無(wú)功功率調節方便。安裝在發(fā)電機上結構簡(jiǎn)單緊湊，不需另占地方。在主斷路器跳開(kāi)后不失磁，發(fā)電機仍有端電壓。在電網(wǎng)停電時(shí)仍有電源供給調速器，能迅速將機組關(guān)閉，省去了備用電源。如原先的勵磁裝置是半波整流的則可改造成可控硅全波靜止勵磁裝置，其性能良好，但結構相對較復雜。由于主斷路器跳開(kāi)時(shí)聯(lián)動(dòng)跳開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)，使機組無(wú)電壓，故這種勵磁裝置尚需備用交流電源或配置TC操作器。

       3、水輪機調速裝置的改造

       并網(wǎng)小型水電站一般不參與調頻，調速器僅作用于正常開(kāi)、停機、調節正常有功負荷以及事故停機。所以普遍采用手、電兩用操作器，其結構簡(jiǎn)單、投資省而又隨機配套，操作與維護簡(jiǎn)單，但是如果與可控硅勵磁裝置配合，則因為事故停機時(shí)發(fā)電機主開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)跳滅磁開(kāi)關(guān)，發(fā)電機沒(méi)有機端電壓，其電動(dòng)操作器就失去操作電源無(wú)法關(guān)機,造成飛車(chē)事故。

       TC(彈簧蓄能型)水輪機操作器是一種技術(shù)較先進(jìn)的新型調速器，由電機（或手動(dòng)）驅動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)機構和蓄能彈簧推動(dòng)接力器活塞來(lái)控制機組開(kāi)機、停機、并網(wǎng)、增減負荷等。當接到各類(lèi)事故信號和遠方緊停命令時(shí)均能失壓脫扣，自動(dòng)關(guān)機。關(guān)機時(shí)間根據不同電站“調保計算”要求，可在2～28S內整定。在無(wú)電源情況下，同小型調速器失去油壓一樣，可手動(dòng)開(kāi)機升壓后即改電動(dòng)操作，而緊急停機則不必手動(dòng)，仍可同有油壓時(shí)的小型調速器一樣，能自動(dòng)緊急關(guān)機，并且按照先快后慢的關(guān)機模式，使大部份機組能滿(mǎn)足調保計算要求。同時(shí)可避免因木石卡塞和手動(dòng)關(guān)機過(guò)度損壞導水機構問(wèn)題；提高了機組運行的安全性。再配上STK-W-3可達到自動(dòng)調節的目的，是一種值得推廣使用的調速裝置。

       4、主變的改造

       水電站的低壓機組通常是經(jīng)主變升壓后與10kV農村配電線(xiàn)路相連接，過(guò)去老電站選用的都是定型10±5%/0.4kV系列配電變壓器。由于電站地處偏遠山區，線(xiàn)路長(cháng)壓降大。發(fā)電機經(jīng)常需要在較高電壓下運行，才能保證發(fā)送一定的無(wú)功負荷。有的電站電壓值高達440V及以上，其危害：一是在高壓下運行使發(fā)電機、變壓器溫升提高、絕緣加速老化，絕緣薄弱環(huán)節容易擊穿；二是難以發(fā)足無(wú)功功率，并影響機組運行的穩定性，影響經(jīng)濟效益；三是老型號變壓器能耗大，且運行年久老化，時(shí)常出現故障影響正常發(fā)電，需要及時(shí)更新、改造。

       改造變壓器時(shí)應采用低損耗的升壓變壓器，訂購時(shí)向廠(chǎng)家特別提出，一般變比為11±5%/0.4kV，從而保證了水電站在正常電壓下運行。

       為了減少主變空載損耗，保證廠(chǎng)用電和生活區用電的電壓質(zhì)量，可另裝廠(chǎng)用變壓器，在電站停運或運行時(shí)相互切換。

       5、配電設備和成套裝置改造

       小水電站低壓機組使用的主斷路器有DZ10、DW10、DW15等空氣斷路器，DZ10塑料外殼式空氣斷路器由于封閉散熱差，易引起發(fā)熱故障，僅用在容量小的機組上。DW10框架式空氣斷路器普遍在使用中，但因短路斷流容量小，時(shí)有發(fā)生因短路不能有效斷流，而燒壞電器設備的事故。所以主斷路器應選擇DW15型，機組容量大的宜選用DW17(ME)型，操動(dòng)機構應選擇電動(dòng)機預儲能合閘型。電站需長(cháng)時(shí)間滿(mǎn)負荷連續運行，主斷路器和隔離開(kāi)關(guān)按發(fā)電機額定容量選擇，但尚需一定的裕度，才能確保設備運行的安全可靠。

       定型的成套配電裝置把發(fā)電機的配電主回路和控制、保護及水輪機自動(dòng)回路等二次回路的設備安裝在同一屏內。常用的BKSF型水輪發(fā)電機控制屏我們可以根據電站運行的實(shí)際來(lái)進(jìn)行一些改進(jìn)，如加裝屏頂保護罩和兩側的邊屏，加裝發(fā)電機電流速斷、過(guò)速和低頻保護等，還可裝設前池水位監測(或能自動(dòng)按水位調節)裝置，使機組運行在zui佳工況點(diǎn)，發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益。

       6、提高自動(dòng)化水平

       提高電站的自動(dòng)化水平是降低運行成本的一個(gè)重要方面。在計劃經(jīng)濟條件下建設的小水電站，初步設計中考慮自動(dòng)化水平時(shí)，強調了“自動(dòng)化水平與電站規模相適應”，客觀(guān)地起到了對其限制的作用。這是基于當時(shí)的科技發(fā)展水平和運行人員素質(zhì)較低的情況所決定的。但是，科學(xué)技術(shù)是不斷發(fā)展的，新設備和新材料、新工藝層出不窮，敢于使用它們才能促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展。

       隨著(zhù)電力市場(chǎng)的發(fā)展，需要增加電站的競爭能力，競價(jià)就是要物美價(jià)廉。要做到這樣，除了提高供電質(zhì)量外，還要降低發(fā)電成本，其根本的出路就在于減員增效。關(guān)鍵是敢于使用先進(jìn)自動(dòng)化設備。選擇適用小型水電站的自動(dòng)監測、控制和保護設備，對其實(shí)行遙測、遙信、遙調和遙控，使電站運行實(shí)現自動(dòng)化，做到少人值班或無(wú)人值班，提高電站運行的經(jīng)濟性、可靠性和安全性，是技術(shù)更新改造的目的之一。

       提高電站的自動(dòng)化水平目前也還有一些困難，比如廠(chǎng)家設備質(zhì)量不很穩定；電站運行工人素質(zhì)難于保障，人員更難精簡(jiǎn)；設備價(jià)格較高難于承受等等。這些困難要逐步克服，電站的技術(shù)更新改造要上檔次、上水平，不能停留在原有技術(shù)水平上，這是毋容置疑的。

       7、結語(yǔ)

       小水電的技術(shù)更新改造，首先是更新已經(jīng)達到使用年限的機電設備和對年久達不到運行標準的水工建筑物進(jìn)行修復，再就是根據現在變化了的水利電力環(huán)境，改造已不適應現有條件的設備和建筑物。因此，電站的技術(shù)更新改造，不僅是在原來(lái)的技術(shù)水平上以新?lián)Q老，而是一個(gè)再創(chuàng )造的過(guò)程，實(shí)際上牽涉到水力資源配置的重新考慮以及合理利用問(wèn)題，節約用水、電力市場(chǎng)需求、環(huán)境保護等問(wèn)題，尋求適應不斷發(fā)展的社會(huì )經(jīng)濟的需要問(wèn)題。從這個(gè)角度看小水電站的技術(shù)更新改造就要以社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展對水電的要求為動(dòng)力，以先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)為依托，采取多種綜合技術(shù)措施，達到節省資金，見(jiàn)效快捷，提高經(jīng)濟效益的目的。