例析水电站的增效扩容改造

例析水电站的增效扩容改造
一、概况
丰乐水库位于安徽省黄山市徽州区丰乐河中游，属新安江流域，是一座具有防洪、灌溉、发电及水产养殖等综合利用功能的中型水利水电枢纽工程，丰乐水库始建于上世纪70年代初，1978年初步建成，水库总库容8430 万m3。

黄山市丰乐水电站于1980年建成发电，电站设计装机2×3200kW，1992年通过更换定子线棒，推力瓦等发电机局部改造，使其单机容量由3200kW增至4000kW。

电站自发电以来，很好的完成电网调峰调频和系统事故备用任务，作为地区龙头企业和经济支柱，为地区的社会和经济发展做出了应有的贡献。

为积极响应水利部“开展农村水电增效扩容改造工作”，以提高综合能效和安全性能、促进水能资源合理利用、维护河流健康为目的，进行增效扩容改造。

结合本电站的实际，就改造关键部位和增加自动化控制系统，浅谈水电站的改造思路。

二、水轮机的改造
水轮机的转轮是水电站实现水能转变成机械能的关键部件，不同的水头，不同的流量就要用不同的转轮。

而且同一只转轮在过流量发生变化时其效率也发生变化，如果转轮选择失当，即会导致效率下降，不但不能提高电站的经济效益，反而会带来一些负面影响，如发生振动、气蚀等。

上世纪七八十代，由于科技发展的限制，水轮机型谱的不全，需要的水轮机难以如意配套；也由于物资的缺乏，计划经济指标下达的有限，设计水电站时有时只能勉强凑合，如某个水电站设计水头110米，选用的水轮机型号为XJ-W-55/1×12.5，较高效率的转速应该是750转，但由于当时物资缺乏，选用了1000转的发电机，造成效率低下，在增效扩容改造时应重新配套。

因此，丰乐水电站在进行改造过程中，应根据电站水头、流量等条件进行详细分析，在保证各项参数相适应情况下选择效率高、过流量大的转轮，以满足要求，同时选择新型转轮的流道和转轮直径与原机组基本相同。

丰乐水电站原水轮机型号为HL240-LJ-140，是上世纪70年代产品，水轮机运行范围发生了较大变化，实际运行时在34.2m额定水头下不能达到额定出力，额定点理论效率仅89%左右，偏离高效区。

本次改造涉及到一些新老部件的匹配问题，经技术征询，拟采用的新转轮，其转轮直径、导叶分布园、导叶数量、导叶高度、蜗壳、尾水管等参数尽可能和原有机组一致或接近，经分析计算并结合各厂商反馈信息，推荐HLTF45、HL3689 、HLTF38三个适合本站改造的转轮
模型进行方案比选，该几个模型对应的主要流道尺寸如蜗壳包角、活动导叶高度、导叶数量、分布圆直径、尾水管进口直径等与现状尺寸基本一致，且在其它工程的HL240机组改造上都有过实际应用，因此，用于本站的改造是可行的，且可允许进一步扩大机组容量，结合水能计算综合考虑，可将单机容量增至4300kW，总装机容量8600kW。

通过改造，机组性能将得到改善，能耗降低，效率提高，综合出力系数将得到提高，同时机组扩容可增加弃水的利用，水能利用率也相应提高，增加发电效益。

三、发电机的改造
丰乐水电站原两台发电机为天津发电设备厂上世纪70年代产品，1980年投入运行，1992年对发电机进行了增容改造，通过更换定子线棒，更换推力瓦等，将单机容量由3200kW增到4000kW，其余大部分部件仍基本未动，发电机的定、转子线圈都是B级绝缘。

经过多年的运行，部分端部绝缘物出现脆化龟裂，绝缘老化、下降日趋严重，威胁机组的安全运行。

另外，发电机转子磁极仍为铝芯绕组，铜铝接头极易烧坏，机组无功出力无法达到额定值，无法满足机组安全可靠运行。

本次改造要使发电机达到增容目的，根据水轮机选择结果，发电机单机容量由4000kW增至4300kW，根据水利部“农村水电增效扩容改造项目机电设备选用指导意见”，更新改造后的发电机额定效率不低于95.5%。

根据本站具体情况，发电机改造可能的方案有以下三种：
方案一：返厂进行定转子线圈更换，增容至4300kW。

将发电机整机运到发电机厂，利用原定子铁芯、转子磁轭，对绕组进行重新设计、加工，在厂内进行定、转子线圈更换。

方案二：更换发电机定子铁芯、线圈和转子线圈。

将发电机定子铁芯和线圈一并更换，转子利用原磁轭，更换磁极线圈。

方案三：整体更换发电机。

方案一，优点是费用低，缺点是发电机磁路得不到更多的改善，拆卸、运输、安装工程量大，工期长。

方案二，优点是提高发电机效率约0.5%，缺点是提高效率不理想，发电机磁路得不到更多的改善，拆卸、运输、安装工程量大，工期长。

方案三，更换发电机方案起点高，便于先进技术的采用。

发电机采用冷轧矽钢片，厚度均匀，平整度高，导磁性能较好，运行噪声低，转子采用铜线代替铝线，电能损耗小，降低转子温升，定、转子采用F级绝缘无溶剂漆真空整体浸渍工艺，其它部件采用改进后的冷却器，铂热电阻测温元件、电磁测速装置和制动装置等，都比早期发电机产品先进合理，能够彻底解决问题，既提高了运行可靠性，又提高了发电机的运行效率，减少发电机发热量。

综上所述，方案一虽费用较省，但发电机整体技术性能的提高得不到确保，且在1992年由3200kW增到4000kW时就是通过更换定子线圈的方法，本次增容至4300kW如再使用该模式，即相当于定子铁芯等均为利原3200kW机组的部件，这会对改造后发电机综合性能的提升造成较大影响。

方案二需要拆卸发电机定子并将定、转子运至电机厂改造后再运回电站，要多出一趟运费，其总造价与方案三相差已经不多。

方案三为整体更新发电机，该方案不仅能保证改造后发电机具有目前先进的性能，而且彻底解決发电机存在的各种问题，不留任何隐患，也不会造成今后重复投资。

所以本次增效扩容改造采用方案三为最佳，即发电机整体更新。

四、增加自动化控制系统
本站计算机监控系统应完成全厂监视控制和自动化的任务，用开放式全分层分布系统，网络结构为光纤环形以太网。

系统设电站级控制层和现地控制层。

每层功能相对独立，下层设备脱离上层后仍能独立完成自己的功能。

该系统应能迅速、准确、有效地完成对本电站被控对象的安全监视和控制。

继电保护宜采用微机型保护装置，动作可靠，灵敏度高。

视频监视系统在现场关键部位设置电视摄像机，并将电视图像信息传送至中控室，实现远距离实时监视电站主要机电设备的运行以及水工建筑物等现场情况；记录事故、故障状态及异常情况发生的位置和时间并报警，以便加快事故、故障处理，便于设备安全运行、维护和检修，为事后分析事故、故障原因提供实时资料，为电站实现“无人值班、少人值守”创造条件。

其监视范围为电站厂房、变电站及电站管理区。

五、结束语
丰乐水电站增效扩容改造，首先是更新已经达到使用年限的机电设备和对年久达不到运行标准的水工建筑物进行修复，再就是根据现在变化了的水利电力环境，改造已不适应现有条件的设备和建筑物。

水电站的技术更新改造，不仅是在原来的技术水平上以新换老，而是一个再创造的过程，实际上牵涉到合理利用水
资源、电力市场需求、环境保护等诸多问题，寻求适应不断发展的社会经济的需要。

从这个角度看，水电站的技术更新改造就要以社会经济发展对水电的要求为动力，以先进的科学技术为依托，采取多种综合技术措施，达到节省资金，提高经济效益的目的。