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【摘要】本文对我国中小型水电站发展现状进行了论述，分析了中小型水电站机组设计和使用中存在的弊端，提出了中小水电站技改工作中应注意的几个问题。
【关键词】技术改造；中小型水电站；水轮机
1.我国中小型水电站的发展现状
建国以来，我国水电建设取得了巨大成就，据统计，我国常规水电装机容量已达7900万kV，其中，中小型水电站总装机容量达2009万kV，有近一半的设备为20世纪五六十年代制造。这些小水电站的特点是：装机容量小，台数多，技术落后，效率低，制造质量差，安全生产隐患多。有的已经改造或停运，有的正在改造，更多的则急需进行技术改造。
2.机组运行中存在的问题
2.1水轮机性能落后，技术陈旧，制造质量差
我国1964年颁布的水轮机模型转轮系列型谱中的ZZ560、HL365、ZZ460等型号的水轮机转轮，有的至今仍在使用。这些转轮相当于国外20世纪三四十年代的技术水平，其主要性能指标（单位流量、单位转速及模型效率）都比较低。
有些小型水电站的水轮机加工质量差，缺陷多，长期带病运行，出力不足，安全可靠性差。
2.2水轮机性能参数与电站实际运行参数不匹配
我国早期编制的水轮机模型转轮型谱中可供选择的转轮型号少，不少中小型水电站只能“套用”相近转轮，因而机组性能参数偏离电站实际运行参数。对中小型水电站水轮机选型设计，有的地方管理部门不太重视，有的设计单位不够认真或水平不够，使得一些水电站的水轮机转轮直径、额定水头或额定转速选择不当，造成机组性能参数与电站实际运行参数不匹配。有些水电站建成后，其实际的来水量或水头等水文数据与设计资料不符，以致选用的水轮机性能参数与电站实际运行参数不适应。
以上几种情况都会导致水轮机偏出最优工况区运行，造成机组运行效率低、耗水量多、振动及噪声大及发电损失大，使水轮机使用寿命大大缩短。
2.3水轮机与电气设备不配套
有些小型水电站水轮机的输出功率大于发电机额定容量，形成“大马拉小车”，大大限制了机组出力。也有的水电站发电机容量大于水轮机出力，形成“小马拉大车”，既浪费了设备容量，也增大了运行损耗。
2.4水轮发电机绝缘老化，推力轴承烧瓦
有些小型水电站的水轮发电机因运行年代长，定子、转子的绝缘已严重老化，容易引发接地故障，威胁机组安全运行。由于制造或安装质量较差，水轮发电机的推力轴承可靠性低，常发生烧瓦事故。
2.5多泥沙河流上的水轮机磨蚀破坏严重
据不完全统计，我国小型水电站中，约有1/3的水轮机存在空蚀和泥沙磨损问题，有些水轮机的大修间隔不到一年，导水叶和水轮机进水阀严重漏水，有的甚至难以正常开、停机。有的水轮机转轮叶片发生严重裂纹或断裂，不能保证安全运行。
3.在中小型水电站技改中应注意的问题
3.1增容改造须分清主次
由于水轮机和发电机是两个不同范畴的对象，其技术发展阶段不同。同时，水轮机在水轮发电机组中处于原动机的地位，故水轮机运行效率高低对机组影响显著。水轮机的选型技术难度较大，影响参数也多，在水电站实际运行中出现的问题也比较多。因此，要求在小型水电站的增容改造中，必须分清主次，要把水轮机的改造放在核心地位，然后再考虑水轮发电机和整个水电站机电设备及水工金属结构的技术改造。
3.2重视竣工验收
为了检验小水电机组增容改造成果，对单机容量5 kV及以上的水轮机，应作技改前后性能对比测试。为保证技改工程质量，一定要做机组起动验收合格后才能进行生产试运行，生产试运行合格并且遗留问题都处理完毕后，才能最终进行改造工程的竣工验收，以确保工程长期高效安全运行。
3.3重视输水系统的核算
在小型水电站增容改造中，水轮机输水系统是关键环节。尤其是一管多机的引水式压力输水系统，应当从水力和调节保证参数两个方面进行核算。水力核算即是对水轮机输水系统的过流量和水头损失的数值关系进行核算，并绘制水头损失与流量关系曲线，以分析选定最大允许的水轮机额定水头和设计引用流量。调节保证核算就是从机组运行特性和输水系统水力特性两方面来核算机组运行的过渡过程中可能发生的最大水压力和最大转速升高值，并检查前者是否在水轮机输水系统设计水压力的范围内，以研究和确定采取加固补强措施的合理性和可能性。水轮机输水系统的最大过流量和水头损失及其所能承受的最大水压力，是制约水轮机增容的一个关键环节，应予以足够重视，否则会影响技术改造的经济效益和安全运行。
3.4优化设计，获取最大的经济效益
要做好小型水电站的技术改造，一定要委托有资质的单位进行技术咨询并做到优化设计，还要请专家对改造设计方案进行审查。因为一个好的设计方案，可以出水平、出效益；反之，不重视设计，容易造成不必要的返工和经济损失。
小型水电站的技术改造，必须贯彻先进性、合理性、经济性和特殊性原则。应该针对各个水电站的具体情况，因地制宜，进行优化设计。所谓先进性就是要择优选用一个性能先进、技术成熟的好转轮和配套性能先进、运行可靠的水轮发电机及其辅助设备；合理性就是要紧密结合和妥善处理水电站的不可变更或不宜变更的制约条件；经济性就是要在有限的投资情况下，尽量增加年发电量，提高水电站的经济效益；特殊性就是特殊问题用特殊办法处理。例如，对于多泥沙河流上运行的水轮机，既要改善其运行特性，又要采取抗泥沙磨损的综合治理措施，延长水轮机的使用寿命，只有全面考慮才能较好地达到先进性、合理性和经济性。
多数小型水电站的技术改造以水轮发电机组的改造为主。在技术改造设计中，常采取以下方式。
第一，对于水头、流量比原设计增大了的水电站，应采取增容改造方式。应根据电站实际运行水头和流量增大的具体条件，提高水轮机的额定水头，加大额定输出功率，选用合适的新型转轮或者重新设计转轮，其额定转速应结合水轮发电机的改造方式确定，最终应使水轮机在较高效率区运行。这样既加大了单机容量又提高了水轮机的运行效率，电站年发电量也有较大增加。
以上两种情况，当水轮机功率确定之后，都需要为其配套相应功率的水轮发电机。对辅助设备也要进行核算，以决定是否更换。
第二，对于水头、流量与原设计变化不大，而水轮机设备陈旧、性能落后的水电站，可采用更新改造或增容改造方式。选用该水头段导水叶相对高度相同或相近的新型转轮，如无合适的新型转轮，则应改型或重新设计转轮，或者改进过流部件型线与结构，以提高水轮机的运行效率，并达到增容、增加年发电量的目的。
第三，对于多泥沙水电站，应考虑泥沙磨损问题，应采用与抗磨措施相结合的改造方式。改造设计中应根据水轮机的过机含沙量、泥沙中值粒径及泥沙矿物成份等条件，选用单位转速相近或略低，单位流量适当减小，模型空化系数适当降低，模型效率较高的新型转轮，并合理加大导水叶分布图相对直径，改进导水叶型线，降低和匀化导叶区流速。同时，从结构设计工艺、材料和保护涂层等方面采取抗磨措施，以保证水轮机的安全运行，延长其使用寿命，最终达到更新改造或增容改造的目的。
第四，对于水头、流量比原设计减少了的水电站，宜采取减容改造方式。即根据水电站的实际运行水头和流量，降低水轮机的额定水头，减小额定输出功率，选用合适的新型转轮或重新设计转轮，将水轮机调整到最优或较优工况区运行，以提高其运行效率，增加年发电量。
除以上种情况外，对“大马拉小车”的水电站，可以单独改造水轮发电机，为提高绝缘等级或改进通风系统等实现增容，必要时可重新设计制造新的水轮发电机。主变容量不足可换用新变压器，旧变压器仍可用于其他水电站。对于“小马拉大车的水电站，若水轮机采取改型亦无增容的可能，则暂按现状运行。 [科]
【关键词】技术改造；中小型水电站；水轮机
1.我国中小型水电站的发展现状
建国以来，我国水电建设取得了巨大成就，据统计，我国常规水电装机容量已达7900万kV，其中，中小型水电站总装机容量达2009万kV，有近一半的设备为20世纪五六十年代制造。这些小水电站的特点是：装机容量小，台数多，技术落后，效率低，制造质量差，安全生产隐患多。有的已经改造或停运，有的正在改造，更多的则急需进行技术改造。
2.机组运行中存在的问题
2.1水轮机性能落后，技术陈旧，制造质量差
我国1964年颁布的水轮机模型转轮系列型谱中的ZZ560、HL365、ZZ460等型号的水轮机转轮，有的至今仍在使用。这些转轮相当于国外20世纪三四十年代的技术水平，其主要性能指标（单位流量、单位转速及模型效率）都比较低。
有些小型水电站的水轮机加工质量差，缺陷多，长期带病运行，出力不足，安全可靠性差。
2.2水轮机性能参数与电站实际运行参数不匹配
我国早期编制的水轮机模型转轮型谱中可供选择的转轮型号少，不少中小型水电站只能“套用”相近转轮，因而机组性能参数偏离电站实际运行参数。对中小型水电站水轮机选型设计，有的地方管理部门不太重视，有的设计单位不够认真或水平不够，使得一些水电站的水轮机转轮直径、额定水头或额定转速选择不当，造成机组性能参数与电站实际运行参数不匹配。有些水电站建成后，其实际的来水量或水头等水文数据与设计资料不符，以致选用的水轮机性能参数与电站实际运行参数不适应。
以上几种情况都会导致水轮机偏出最优工况区运行，造成机组运行效率低、耗水量多、振动及噪声大及发电损失大，使水轮机使用寿命大大缩短。
2.3水轮机与电气设备不配套
有些小型水电站水轮机的输出功率大于发电机额定容量，形成“大马拉小车”，大大限制了机组出力。也有的水电站发电机容量大于水轮机出力，形成“小马拉大车”，既浪费了设备容量，也增大了运行损耗。
2.4水轮发电机绝缘老化，推力轴承烧瓦
有些小型水电站的水轮发电机因运行年代长，定子、转子的绝缘已严重老化，容易引发接地故障，威胁机组安全运行。由于制造或安装质量较差，水轮发电机的推力轴承可靠性低，常发生烧瓦事故。
2.5多泥沙河流上的水轮机磨蚀破坏严重
据不完全统计，我国小型水电站中，约有1/3的水轮机存在空蚀和泥沙磨损问题，有些水轮机的大修间隔不到一年，导水叶和水轮机进水阀严重漏水，有的甚至难以正常开、停机。有的水轮机转轮叶片发生严重裂纹或断裂，不能保证安全运行。
3.在中小型水电站技改中应注意的问题
3.1增容改造须分清主次
由于水轮机和发电机是两个不同范畴的对象，其技术发展阶段不同。同时，水轮机在水轮发电机组中处于原动机的地位，故水轮机运行效率高低对机组影响显著。水轮机的选型技术难度较大，影响参数也多，在水电站实际运行中出现的问题也比较多。因此，要求在小型水电站的增容改造中，必须分清主次，要把水轮机的改造放在核心地位，然后再考虑水轮发电机和整个水电站机电设备及水工金属结构的技术改造。
3.2重视竣工验收
为了检验小水电机组增容改造成果，对单机容量5 kV及以上的水轮机，应作技改前后性能对比测试。为保证技改工程质量，一定要做机组起动验收合格后才能进行生产试运行，生产试运行合格并且遗留问题都处理完毕后，才能最终进行改造工程的竣工验收，以确保工程长期高效安全运行。
3.3重视输水系统的核算
在小型水电站增容改造中，水轮机输水系统是关键环节。尤其是一管多机的引水式压力输水系统，应当从水力和调节保证参数两个方面进行核算。水力核算即是对水轮机输水系统的过流量和水头损失的数值关系进行核算，并绘制水头损失与流量关系曲线，以分析选定最大允许的水轮机额定水头和设计引用流量。调节保证核算就是从机组运行特性和输水系统水力特性两方面来核算机组运行的过渡过程中可能发生的最大水压力和最大转速升高值，并检查前者是否在水轮机输水系统设计水压力的范围内，以研究和确定采取加固补强措施的合理性和可能性。水轮机输水系统的最大过流量和水头损失及其所能承受的最大水压力，是制约水轮机增容的一个关键环节，应予以足够重视，否则会影响技术改造的经济效益和安全运行。
3.4优化设计，获取最大的经济效益
要做好小型水电站的技术改造，一定要委托有资质的单位进行技术咨询并做到优化设计，还要请专家对改造设计方案进行审查。因为一个好的设计方案，可以出水平、出效益；反之，不重视设计，容易造成不必要的返工和经济损失。
小型水电站的技术改造，必须贯彻先进性、合理性、经济性和特殊性原则。应该针对各个水电站的具体情况，因地制宜，进行优化设计。所谓先进性就是要择优选用一个性能先进、技术成熟的好转轮和配套性能先进、运行可靠的水轮发电机及其辅助设备；合理性就是要紧密结合和妥善处理水电站的不可变更或不宜变更的制约条件；经济性就是要在有限的投资情况下，尽量增加年发电量，提高水电站的经济效益；特殊性就是特殊问题用特殊办法处理。例如，对于多泥沙河流上运行的水轮机，既要改善其运行特性，又要采取抗泥沙磨损的综合治理措施，延长水轮机的使用寿命，只有全面考慮才能较好地达到先进性、合理性和经济性。
多数小型水电站的技术改造以水轮发电机组的改造为主。在技术改造设计中，常采取以下方式。
第一，对于水头、流量比原设计增大了的水电站，应采取增容改造方式。应根据电站实际运行水头和流量增大的具体条件，提高水轮机的额定水头，加大额定输出功率，选用合适的新型转轮或者重新设计转轮，其额定转速应结合水轮发电机的改造方式确定，最终应使水轮机在较高效率区运行。这样既加大了单机容量又提高了水轮机的运行效率，电站年发电量也有较大增加。
以上两种情况，当水轮机功率确定之后，都需要为其配套相应功率的水轮发电机。对辅助设备也要进行核算，以决定是否更换。
第二，对于水头、流量与原设计变化不大，而水轮机设备陈旧、性能落后的水电站，可采用更新改造或增容改造方式。选用该水头段导水叶相对高度相同或相近的新型转轮，如无合适的新型转轮，则应改型或重新设计转轮，或者改进过流部件型线与结构，以提高水轮机的运行效率，并达到增容、增加年发电量的目的。
第三，对于多泥沙水电站，应考虑泥沙磨损问题，应采用与抗磨措施相结合的改造方式。改造设计中应根据水轮机的过机含沙量、泥沙中值粒径及泥沙矿物成份等条件，选用单位转速相近或略低，单位流量适当减小，模型空化系数适当降低，模型效率较高的新型转轮，并合理加大导水叶分布图相对直径，改进导水叶型线，降低和匀化导叶区流速。同时，从结构设计工艺、材料和保护涂层等方面采取抗磨措施，以保证水轮机的安全运行，延长其使用寿命，最终达到更新改造或增容改造的目的。
第四，对于水头、流量比原设计减少了的水电站，宜采取减容改造方式。即根据水电站的实际运行水头和流量，降低水轮机的额定水头，减小额定输出功率，选用合适的新型转轮或重新设计转轮，将水轮机调整到最优或较优工况区运行，以提高其运行效率，增加年发电量。
除以上种情况外，对“大马拉小车”的水电站，可以单独改造水轮发电机，为提高绝缘等级或改进通风系统等实现增容，必要时可重新设计制造新的水轮发电机。主变容量不足可换用新变压器，旧变压器仍可用于其他水电站。对于“小马拉大车的水电站，若水轮机采取改型亦无增容的可能，则暂按现状运行。 [科]