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[摘 要]介绍小型水电站的发展现状及存在的问题，提出了小水电站水轮发电机组技术改造措施。
[关键词]小型水轮发电机组 技术改造
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）22-0007-01
1 技术改造的必要性及其所遵循的原则
现代科技的不斷进步为水电站的技术改造创造了条件。对老水电站的技术改造可以起到投资少、收益大、施工期短、投资回报快的效果。众所周知，早期小型水电站的机组选型一般只按当时所颁布的系列型谱选择水轮机型号和标准直径，造成机组实际运行参数与设计参数不符，使机组长期达不到额定出力或偏离最优工况运行。据调查，有些小型水电站选择的设计工况偏离运行最优工况甚远，造成水能资源的浪费；有的电站由于运行年久，设备老化严重，致使出力下降；有的因选用的设备制造质量差或有严重缺陷，还存在安全运行可靠性差的问题。加上管理水平不高，使机组长期带病运行，从而加速了设备的损坏，这也是小型水电站存在的通病，而所有这些因素都使更新改造成为当务之急。然而技改的成功实施必须遵循从实际出发，根据原有工程状况，充分做好技改的技术经济论证，力求技术先进、经济合理，尽量采用新技术、新工艺、新设备，慎重选择设备制造商等原则，以保证设备质量的先进性和可靠性。同时，工程的更新改造必须符合相关规程、规范，并严格执行审报手续和竣工验收的有关程序。另外，投资回报年限也是技改成功与否的重要指标之一，一般小型水电站的投资回报年限以三年左右为好。
2 改造中应注意的问题
改造前应做好可行性分析报告。通过对多年水文资料和电站运行工况分析，请发电设备生产厂的专业技术人员利用计算机将各水头水能效益进行综合分析和对发电机电磁参数进行优化计算，列出改造方案比较表，然后邀请有关专家，起到少花钱办好事的效果。对于水机转轮更换及发电机定、转子线圈更新同样应做好改造可行性分析。同时为验证改造后机组性能，有必要进行导叶开度与发电机出力对比试验。发电机定，转子温升试验。最好做一下机组效率试验，以验证改造的效果，并将试验结果存档。
3 水轮机及其附属设备改造设计
1）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。其目的在于提高水轮机的运行效率，增容，增加年发电量。
2）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，减少额定输出功率选用合适的新型转轮或重新设计转轮，其目的是将水轮机调整到最优工况区运行，以提高其运行效率，增加年发电量。
3）对于水头、流量比原设计增大了的水电站，采取增容改造方式。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域运行。
4）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，选用单位转速相近或略低，单位流量适当减少，型空化系数适当降低，型效率高的新型转轮。在材料、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。
5）在小型水电站改造设计中，有一个关键环节需要慎重对待，即水轮机引水系统。尤其是—管多机的引水式压力引水系统，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引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用流量。调节保证是从机组运行特性和引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引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。
4 发电机的改造措施
水电水轮发电机技术改造的主要措施有以下几条：
1）更新定、转子绕组的绝缘。早期生产的水轮发电机绝缘材料多采用沥青云母材料，属于B级绝缘。改造中采用F级的环氧粉云母材料和 F级的绝缘工艺，可提高发电机的耐电压性能和耐温性能，并减小绝缘材料的单面厚度。采用先进的浸漆、烘焙工艺，填充线圈间及线圈与铁心的空隙，可增加电机的绝缘、散热效果，降低温升。因为发电机质量的好坏、寿命的长短取决于绝缘材料，所以改进绝缘结构是发电机技术改造中最有效的方法。按B7894—87《水轮发电机基本技术条件》规定，绝缘的最高允许温度，定子绕组为140℃，转子绕组为150℃。
2）在发电机绝缘水平提高、绝缘减薄的基础上，可增加定子绕组铜线的截面，提高线圈的槽满率，由此可增大电机的线负荷，提高发电机输出功率，达到增容的目的。更新线圈可采用先进工艺，如天津发电设备厂的“无间隙嵌线”专利新技术和线圈连焊新工艺；定子线圈制作采用二次热压二次整形工艺，使线圈导线排列整齐、匝间粘结牢固，线圈形状一致性好；定子线圈端部可采用目前大电机上采用的绑扎材料绑扎，可保证绑扎牢固、通风好、不易老化。转子绕组可加装散热匝。转子线圈对地绝缘采用上下端面90°翻边结构，可有效阻止发电机长期运行中灰尘、油污进入磁极铁心与线圈之间，并提高对地耐压能力。
3）定子铁心采用高质量的导磁材料，如低损耗、高导磁冷轧无取向硅钢片，提高迭装系数，可减小定子铁心损耗，提高发电机运行效率。
4）改进发电机通风结构。采用三维温度场的科研成果设计发电机的散热，根据不同季节、发电机的不同出力情况、风温的高低，调节发电机风量；降低热风温度，减小风摩损耗，提高发电机的出力和使用寿命。
5）采用电子计算机优化设计。利用计算机设计软件进行电磁计算确定最佳技改方案，设计发电机的电磁性能，选择最合理的结构尺寸。
6）技术改造要把好质量关。每座电站、每套机组的技术改造，都有它的特殊性，因此在改造前必须做深入的调查研究和细致的分析、测试工作，根据实际情况，设计多个方案进行技术、经济比较，最后制定切实可行的改造方案。应考虑节省投资，使工期短、发电损失少。水轮发电机增容改造设计应贯彻国家的技术经济政策和有关技术标准。主要技术标准有《旋转电机定额和性能） （CB755—2000）、《水轮发电机基本技术条件》（GB7894—87）、《同步电机试验方法》等。发电机改造的技术经济指标应先进合理，应保证发电机能长期在高效率下安全可靠运行。在技术改造工程中要对设备质量、安装质量和试验项目严格把关，工程检查应依据设计文件、图纸和现行规范进行。改造方案要满足水轮发电机的技术要求，如：短路比、瞬变同步电抗、效率、飞轮转矩、飞逸转速、定子线负荷、热负荷、气隙磁通密度、允许温升等。在改造工程中计算和测试的有关技术参数要做好完备纪录。
5 结语
水轮发电机组的增容改造应是小水电的发展方向，它投资少、见效快、收益高，可以减少二氧化碳的排放。在当前小型水电建设资金有限的情况下，更应重视对运行多年的小水电站的增容改造，它可帮助老电站走出设备老化、事故频率高、经济效益差的困境。小水电的技术改造，也为电站的技术人员和工人提供了极好的学习提高机会，发电机的技术改造工程，无论是送到制造厂进行还是在电站现场进行，都离不开电站工作人员的参与，这对提高水电站的运行管理水平有重要的作用。
[关键词]小型水轮发电机组 技术改造
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）22-0007-01
1 技术改造的必要性及其所遵循的原则
现代科技的不斷进步为水电站的技术改造创造了条件。对老水电站的技术改造可以起到投资少、收益大、施工期短、投资回报快的效果。众所周知，早期小型水电站的机组选型一般只按当时所颁布的系列型谱选择水轮机型号和标准直径，造成机组实际运行参数与设计参数不符，使机组长期达不到额定出力或偏离最优工况运行。据调查，有些小型水电站选择的设计工况偏离运行最优工况甚远，造成水能资源的浪费；有的电站由于运行年久，设备老化严重，致使出力下降；有的因选用的设备制造质量差或有严重缺陷，还存在安全运行可靠性差的问题。加上管理水平不高，使机组长期带病运行，从而加速了设备的损坏，这也是小型水电站存在的通病，而所有这些因素都使更新改造成为当务之急。然而技改的成功实施必须遵循从实际出发，根据原有工程状况，充分做好技改的技术经济论证，力求技术先进、经济合理，尽量采用新技术、新工艺、新设备，慎重选择设备制造商等原则，以保证设备质量的先进性和可靠性。同时，工程的更新改造必须符合相关规程、规范，并严格执行审报手续和竣工验收的有关程序。另外，投资回报年限也是技改成功与否的重要指标之一，一般小型水电站的投资回报年限以三年左右为好。
2 改造中应注意的问题
改造前应做好可行性分析报告。通过对多年水文资料和电站运行工况分析，请发电设备生产厂的专业技术人员利用计算机将各水头水能效益进行综合分析和对发电机电磁参数进行优化计算，列出改造方案比较表，然后邀请有关专家，起到少花钱办好事的效果。对于水机转轮更换及发电机定、转子线圈更新同样应做好改造可行性分析。同时为验证改造后机组性能，有必要进行导叶开度与发电机出力对比试验。发电机定，转子温升试验。最好做一下机组效率试验，以验证改造的效果，并将试验结果存档。
3 水轮机及其附属设备改造设计
1）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。其目的在于提高水轮机的运行效率，增容，增加年发电量。
2）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，减少额定输出功率选用合适的新型转轮或重新设计转轮，其目的是将水轮机调整到最优工况区运行，以提高其运行效率，增加年发电量。
3）对于水头、流量比原设计增大了的水电站，采取增容改造方式。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域运行。
4）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，选用单位转速相近或略低，单位流量适当减少，型空化系数适当降低，型效率高的新型转轮。在材料、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。
5）在小型水电站改造设计中，有一个关键环节需要慎重对待，即水轮机引水系统。尤其是—管多机的引水式压力引水系统，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引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用流量。调节保证是从机组运行特性和引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引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。
4 发电机的改造措施
水电水轮发电机技术改造的主要措施有以下几条：
1）更新定、转子绕组的绝缘。早期生产的水轮发电机绝缘材料多采用沥青云母材料，属于B级绝缘。改造中采用F级的环氧粉云母材料和 F级的绝缘工艺，可提高发电机的耐电压性能和耐温性能，并减小绝缘材料的单面厚度。采用先进的浸漆、烘焙工艺，填充线圈间及线圈与铁心的空隙，可增加电机的绝缘、散热效果，降低温升。因为发电机质量的好坏、寿命的长短取决于绝缘材料，所以改进绝缘结构是发电机技术改造中最有效的方法。按B7894—87《水轮发电机基本技术条件》规定，绝缘的最高允许温度，定子绕组为140℃，转子绕组为150℃。
2）在发电机绝缘水平提高、绝缘减薄的基础上，可增加定子绕组铜线的截面，提高线圈的槽满率，由此可增大电机的线负荷，提高发电机输出功率，达到增容的目的。更新线圈可采用先进工艺，如天津发电设备厂的“无间隙嵌线”专利新技术和线圈连焊新工艺；定子线圈制作采用二次热压二次整形工艺，使线圈导线排列整齐、匝间粘结牢固，线圈形状一致性好；定子线圈端部可采用目前大电机上采用的绑扎材料绑扎，可保证绑扎牢固、通风好、不易老化。转子绕组可加装散热匝。转子线圈对地绝缘采用上下端面90°翻边结构，可有效阻止发电机长期运行中灰尘、油污进入磁极铁心与线圈之间，并提高对地耐压能力。
3）定子铁心采用高质量的导磁材料，如低损耗、高导磁冷轧无取向硅钢片，提高迭装系数，可减小定子铁心损耗，提高发电机运行效率。
4）改进发电机通风结构。采用三维温度场的科研成果设计发电机的散热，根据不同季节、发电机的不同出力情况、风温的高低，调节发电机风量；降低热风温度，减小风摩损耗，提高发电机的出力和使用寿命。
5）采用电子计算机优化设计。利用计算机设计软件进行电磁计算确定最佳技改方案，设计发电机的电磁性能，选择最合理的结构尺寸。
6）技术改造要把好质量关。每座电站、每套机组的技术改造，都有它的特殊性，因此在改造前必须做深入的调查研究和细致的分析、测试工作，根据实际情况，设计多个方案进行技术、经济比较，最后制定切实可行的改造方案。应考虑节省投资，使工期短、发电损失少。水轮发电机增容改造设计应贯彻国家的技术经济政策和有关技术标准。主要技术标准有《旋转电机定额和性能） （CB755—2000）、《水轮发电机基本技术条件》（GB7894—87）、《同步电机试验方法》等。发电机改造的技术经济指标应先进合理，应保证发电机能长期在高效率下安全可靠运行。在技术改造工程中要对设备质量、安装质量和试验项目严格把关，工程检查应依据设计文件、图纸和现行规范进行。改造方案要满足水轮发电机的技术要求，如：短路比、瞬变同步电抗、效率、飞轮转矩、飞逸转速、定子线负荷、热负荷、气隙磁通密度、允许温升等。在改造工程中计算和测试的有关技术参数要做好完备纪录。
5 结语
水轮发电机组的增容改造应是小水电的发展方向，它投资少、见效快、收益高，可以减少二氧化碳的排放。在当前小型水电建设资金有限的情况下，更应重视对运行多年的小水电站的增容改造，它可帮助老电站走出设备老化、事故频率高、经济效益差的困境。小水电的技术改造，也为电站的技术人员和工人提供了极好的学习提高机会，发电机的技术改造工程，无论是送到制造厂进行还是在电站现场进行，都离不开电站工作人员的参与，这对提高水电站的运行管理水平有重要的作用。