（英德市白石窑水电厂 广东清远 513000）
摘要：水轮发电机组是水电站的重要组成部分之一，机组的运行效率直接关系到电能的生产任务。为在现有的基础上进一步提升机组的发电效率，并使水力资源得到充分利用，可对水轮发电机组进行增容改造。基于此点，文章从水轮发电机组增容的必要性分析入手，论述了水轮发电机组增容改造技术方案。期望通过本文的研究能够对水电站整体能效的提升有所帮助。
关键词：水轮发电机；增容改造；水轮机
1水轮发电机组增容的必要性
水轮发电机是水电站进行电能生产过程中，不可或缺的重要动力设备之一，是一种能够将水能转换为电能的发电机。在整个水轮发电机中，水轮机是主要的驱动装置，其转子具有短而粗的特点，转速的快慢直接决定所发出交流电的频率大小，因此，为确保频率的稳定性，必须使转子的转速始终保持稳定。对于一些早期修建的水电站而言，由于受到当时技术条件的限制，加之欠缺对水流量的充分考虑，从而导致水资源浪费，所以对水轮发电机组进行增容改造显得非常必要。通过增容改造，能够有效降低水资源的浪费，可大幅度提升机组的发电效率。
2水轮发电机组增容改造技术方案
2.1可行性分析
在对水轮发电机组进行增容改造的过程中，需要对增容改造的可行性进行分析，从而为技改方案的确定提供相关依据。在分析水轮发电机组的增容改造可行性时，可从如下几个方面着手：
2.1.1水轮机部分。水电站在建设水轮发电机组时，通常都会按照实际情况对水轮机的导叶开限进行设计，而对机组进行增容是在现有的基础上，进一步提升水头的高度，从而使水轮机的额定出力增加。由于增容前和增容以后，额定点开口能够保持不变，所以增容时并不需要对导水机构进行改动。同时，水轮机中主要部件的刚度和强度一般都是按照最大出力进行计算，所以在增容改造时，基本不需要对部件的刚度和强度进行加强，也可使部件的运行安全性得到保证。
2.1.2发电机部分。水电站在对水轮发电机组进行增容改造前，应当对发电机部分增容改造的可行性进行分析。大部分水电站采用的都是三相直流同步电机，同时为提高冷却效果，一般采用的都是自循环风冷系统。在对发电机进行增容改造后，事故与负载的备用容量会随之大幅度增加，由此会使整个系统的运行稳定性得到提升。为便于分析，以某水电站水轮发电机组作为研究对象，其发电机在常规条件下，可连续输出的最大功率为139MVA，当发电机的功率因数为0.9时，机组的有功功率可以达到125MVA，在该运行工况下，定子线圈和转子线圈的温升保证值分别为85K和90K。因水电站在水轮发电机组的最初设计时，采用的温升值相对较低，所以实际运行温度与保证值相比存在较大的安全余量，通过现场测量也充分验证了这一结果。由该水电站的励磁参数可知，当连续输出功率为139MVA时，励磁电流与励磁电压均在设计范围之内，并未超出，有功功率与温度之间的关系曲线以及励磁关系曲线分别如图1和图2所示。
图2 功率与励磁关系曲线
从图1中可以非常清楚地看到，定子线圈的温度出现了较为明显的上升情况，但却并未超出规范允许值，而上下导瓦的温度没有发生较为明显的上升及突变情况，并且全部在规范值允许值的范围之内；在机组有功负荷增加之后，推力瓦的受力随之增大，但瓦的温度却并没有出现较为明显的变化，始终保持在规范允许值以内。由此可见，在不对发电机的整体结构进行改动的前提下，能够满足连续稳定的运行需要，这样可为增容改造技术方案的制定提供依据。
2.2机组增容改造技术方案
水电站在对水轮发电机组进行增容改造的过程中，可从水轮机和发电机两个方面着手，对增容改造的技术方案进行编制。
2.2.1水轮机增容改造技术措施。水轮机作为水电站水轮发电机组的重要组成部分之一，它的主要作用是将水流的能量转换为机械能。位于上游水库中的水，会被引水管引向水轮机，在水流的推动力下，水轮机会旋转做功，从而带动发电机发电。实践表明，水头越高、水流量越大，水轮机的输出功率就越大。基于这一前提，在对水轮机进行增容改造时，应当提高水头、增大水流量。
①提高水头。在对水轮机的工作水头进行提升的过程中，必须从多个方面进行综合考虑，如水轮机本体、输水系统等等，当条件允许时，可以抬高水库的运行水位，借此来提高机组的工作水头，这是较为简单且有效的方法之一。首先，需要对新运行水头的具体范围进行确定。可按照水电站的运行资料及相关数据，对加权平均水头、水轮机运行的最大和最小水头进行计算。其次，按照运行水头的范围，对新的额定水头进行确定，这与整个机组运行参数的选择有着密切的关联，当额定水头抬高后，便可达到增容的目的。
②增加流量。在水轮机现有流量的基础上，通过增加单位流量，能够使水轮机的过流量随之增大，当水头一定且水轮机的转轮直径保持不变的前提下，水轮机的出力会随着过流量的增加而增加，这样便可达到增容的目的。采用这种方法对水轮机进行增容改造的过程中，需要对引水渠道的过水能力进行核算，看是否能够满足机组增加过流量需求，如果无法满足运行要求，应当对引水渠道的断面尺寸进行适当加大，由此便需要对现有的水工建筑物进行改造。所以采用该方案对水轮机进行增容时，必须提前进行技术可行性分析，并验证经济是否合理，工期能否达到要求。在综合权衡利弊的情况下，才能确定技改方案的实施。
③更换水轮机。为进一步提升水轮机转轮的运行效率，一些早期兴建的水电站，可以考虑对水轮机进行更换，引入技术先进、效率高、抗磨性能强的新水轮机，借此来提高水力资源的利用率，从而实现机组增容的目标。
2.2.2发电机增容改造的技术措施。水电站在对水轮发电机组进行增容改造的过程中，应当对发电机中的关键部件进行技改，如定子、转子等。具体的改造技术措施如下：
①定子改造。在对发电机中的定子部件进行改造时，可将重点放在如下几个方面：
一是更新定子线圈的绝缘。在赠容改造的过程中，如果发电机的定子线圈存在以下情况时，可以考虑对绝缘进行更新：因短路或是接地故障造成绝缘损坏、绝缘陈旧老化性能下降影响机组运行安全性、绝缘达到使用年限等。
二是增大定子线圈的铜股线截面。可以采用新的B级或是F级绝缘，增大铜股线的截面积，或是选用新的绝缘材料，减薄铜股线的绝缘厚度，达到增大截面积的目的。
三是可对定子线圈截面的结构进行优化改进。通过对发电机中的定子线圈绕组进行重新绕制，对线棒的截面结构进行优化，使其上下层变为不同截面，这样能够消除定子运行中产生的过大温差，可以降温10%左右。此外，可在绕组重新绕制时，进行换位，这样能够克服磁场位置不同引起环流导致温差加大的问题，可确保发电机的正常出力。
②转子改造。在对发电机中的转子部件进行改造时，可以采取如下技术措施：
一是改变功率因数。如果条件允许，可对发电机的功率因数进行适当改变，从而使转子电流始终保持在允许范围之内，由此能够使转子的温升得到有效控制，从而增加发电机的实际出力。
二是增加匝数和截面积。对于发电机而言，转子绕组的温升主要与电流密度有关，而转子绕组的匝数则与转子电流有关。若是条件允许，则可在增容改造时，适当增加转子绕组的匝数，并提高截面积，这样可以使转子绕组的温升有效降低，从而使发电机的出力随之增加。
三是增大散热面积。通过增大转子绕组的散热面积，能够使温升有效降低，由此，在增容改造时，可对转子绕组进行更换，将之改为散热匝结构，在降低转子绕组温升的前提下，为增容创造有利条件。
结论：
综上所述，水电站水轮发电机组增容改造是一项较为复杂且系统的工作，为达到预期中的增容改造目标，应当在改造前，对机组中水轮机和发电机增容的可行性进行分析论证，以此作为主要依据，对相关的技术改造方案进行制定。从水头、流量等方面对水轮机进行增容，并从定子和转子等方面对发电机进行改造，经过增容改造后，可以使水轮发电机组的整体能效获得大幅度提升。
参考文献：
[1]严勇.水轮发电机定子线圈绝缘损坏的处理与增容改造措施[J].通信电源技术，2019（6）：54-56.
[2]赵良成.李家峡水电站水轮发电机组及监控系统改造研究[D].西安理工大学，2018.
[3]王大勇.尼尔基水利枢纽水轮发电机组的增容潜力分析[J].东北水利水电，2017（6）：61-63.
[4]闫文峰，许海洋.一种解决水轮发电机组热导式流量开关频繁误动作的方法[J].红水河，2019（6）：82-84.
[5]周怀生.探讨水电站水轮发电机组运行中甩负荷危害及应对措施[J].智能城市，2019（6）：72-74.
[6]曹威，白光辉.基于模糊综合评判的水轮发电机健康状态在线评价方法[J].水电能源科学，2019（5）：67-69.
论文作者:李玉成
论文发表刊物:《河南电力》2019年1期
论文发表时间:2019/9/2
标签：机组论文; 水轮机论文; 水轮论文; 转子论文; 定子论文; 水头论文; 水电站论文; 《河南电力》2019年1期论文;