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摘要：随着我国社会经济的不断发展，对农村水电站也提出了更多的要求。然而当前我国诸多的电站已不能适应现代化建设的需求，因此亟需得到改进，而电站增效扩容是当前电站所需要解决的现状之一。本文从水轮发电机组的增效扩容改造出发，探讨电站增容改造的可行性。
关键词：水电站；增效扩容；可行性研究
中图分类号： TM622文献标识码： A
引言：
我所在的浙江省临安市现已建投产的水电站98座，总装机217320千瓦，其中65座，建成投产于1995年以前，电站装机容量36290千瓦，多数电站运行年份在20年以上，电站的水工设施和机电设备严重老化，技术落后，运行安全隐患多，迫切需要更新改造。
1、增容改造的必要性
1.1、流量与水头浪费
早期我国的电站修建大都在计划经济时代，并没有对实际水流量进行详细考察分析，造成了水力资源的浪费。对现有的机组进行增容改造能够充分利用水力资源，提高发电效率。
1.2、新转轮效率提高
早期，受设计水平和制造工艺限制，水轮机转轮品种偏少，效率不高。随着科技的进步，大量新型转轮研发并投放市场，制造工艺不断进步，水轮机转轮的工作效率大幅提高，为水轮发电机组的增容改造创造了十分有利的条件。
1.3、新工艺新材料的出现
科技的进步让研究者们发现了许多新型材料来应用于水轮机组上。例如，环氧粉云母作为新型的绝缘材料，若是运用在电机定子线圈上，能够有效降低绝缘层的厚度，加上单位千伏安用料的降低，为发电机组有效增容改造创造了条件。
1.4、计算机技术提高
以我国现有的计算机技术发展水平来看，在机械计算、电磁计算与通风计算方面都是相当精准的。同时，在增容改造方面，计算机还能够为转轮的模拟设计与计算提供可靠的数据分析，保障转轮设计的可行性。
2、水轮发电机组增容改造的途径
水轮机组的增容工作属于技术性工作，首先必须让每个水轮机满足增容的需要。因此，我们必须先掌握水轮机出力的计算公式，了解出力的条件有哪些，再结合水头流量、综合特性曲线以及转轮效率进行综合分析。只有当出力满足条件时才能进行增容改造。
2.1、提高水轮机出力
水轮机的出力是由水电站设计流量、水电站设计水头及水轮机效率决定的，出力的功率等于这三者乘积再乘上9.81。由此可以看出，这个公式中无论提高三者中的哪一个都能够让出力千瓦增加。
2.1.1、提高水头
想要提高水头，就要从提高上游水位、增加堤坝高度来想办法。这里，我们可以利用翻板闸、橡胶坝，甚至可以直接用混凝土来提高坝位。
2.1.2、增加过流量
过流量的增加需要通过调整导叶的开度来实现，开度越大，流量也就越大。但是凡事都应有度，过流量的增加必须严格控制在综合特性曲线处理的限制能力之内，若是超出不仅会让水轮机运转出力降低、效率下降，还会影响水轮机的运行安全。
2.1.3、选用品质优良的转轮
之前说道，大专院校与研究机构已研制出更为有效的转轮，这些转轮型线良好、品质优良，能够有效提升运转效率。像是哈尔滨机电厂、水科院、东方电视股份这些公司都相继推出了新型转轮，其中一些转轮的运转效率能够高达93%，大幅提高了运转效率。
2.2、增容发电机
2.2.1、定子绕组材料的改进
环氧粉云母带作为绝缘材料能够取代传统的将沥青片云母浸胶的绝缘方式。由于环氧粉云母的导热系数为0.0022W每摄氏度，远比沥青的0.0016W每摄氏度要大，因此在定子线圈厚度相同的情况下，使用新型材料能够提高定子线圈中热量的外传导能力。再者，环氧粉云母相较于沥青云母，电气强度远远高于沥青云母，能够使绝缘层的厚度减少15%～20%。在节省下来的空间内，可以适当增大定子线圈的导线截面积，这样做既能够更好散热，又能提高发电机容量。
2.2.2、增加定子槽数
增容改造不可避免的要更换一些定子铁心，增加定子槽数能够有效提高电机的负荷承受能力。在铁心长度不变的情况下减少铁心段的厚度，降低通风沟的高度能够有效增加散热面积。在定子槽数增加的同时，还可使用高导磁材料，使用损耗较低的硅钢片。
2.2.3、减少附加损耗
可以适当减少定子线的棒股线厚度，用增加股线数的方式来改进股线换位。在电负荷达到600A/cm时，定子压住齿片，端箍应采用非磁性材料制造。因此减少端部漏磁，降低附加损耗是非常重要的。
2.2.4、改进转子励磁绕组
在水轮机组增容改造时，一般不会改动励磁绕组，因此下面介绍的是当转子升温过高时的处理办法。若是在改造前转子本身温度偏高，可以在级身高允许的情况下增加少数的磁极线圈，让励磁电流降低，从而降低转子温度；当转子级间有足够的位置，其尾力又在承受范围之内时，可以增加励磁绕组的宽度，增加磁极线圈导线的宽度来时转子温度下降；再者，可以采用散热匝结构或是七边形铜线来增加机组的散热面积，这是行之有效的方式。
2.2.5、提高功率因素
在遇到更新磁极绕组困难时，可以采用提高发电机功率因数的方式，将功率提升到0.85～0.95来运行。
2.3、改善通风系统
2.3.1、总风量的核算
国内将冷却空气通过电机后的温升定为15～20摄氏度，而国外定为30～35摄氏度；国内设计的电机总风量也远远高于国外设计，显然我国电机设计的总风量过大，容易导致增加通风损耗现象。这种情况会让电机效率降低，出力降低。
2.3.2、改善通风循环回路
改善回路的主要方式为改变风扇的安装位置或是取消风扇，这样做能够让风路中涡流数量明显减少。由于风扇的取消，总风量也相应减少，从而降低了通风损耗，提高电机发电效率，更重要的是去除了这部分损耗给电机带来的热量温升。
2.3.3、改善挡风板材料
若是在设计中采用玻璃钢这种新型材料，能够将风量导向定转向需要散热的部位，直接作用于高温处，让循环气流在各风路中的分布与帮助散发的热量成正比。
2.3.4、空气冷却器的更新
在增容改造过程中，应密切注意冷却器是否能够满足电机高容量的需求。若是空气冷却器无法达到热交换要求时，需及时增大冷却器的容量。这里笔者推荐使用高效针式翅片管。这种翅片管的齿片与紫铜管是同一原料，消除了其他复合冷却管及绕簧式的接触热阻。这种材料重量较轻、抗振刚度好、热交换能力高且风阻较小。
2.4、变压器更换
主变和厂变可以更换成s11一M系列低损耗全密封双电压油浸式配电变压器,这是新型的节能产品，空载损耗、负载损耗均明显下降，达到国内先进水平。该产品采用波纹式油箱，全密封结构，变压器油与周围空气完全隔离，不会降低绝缘强度，避免绝缘材料的老化，延长产品的使用寿命。用户使用时不用维护，节省维护费用，以配合国家节能减排政策的迅速贯彻。该系列产品具有增加供电能力、保证电压质量、降低电网的电能损耗、节省电网的建设费用、性能优良、免维护等特点。
3、改造实例
2011年10月，财政部、水利部在全国启动农村水电站增效扩容试点工作，我省115个项目列入全国农村水电增效扩容改造试点，我市有2个项目列入浙江省115个农村水电增效扩容改造试点。
3.1临安市里畈水库一级电站增效扩容改造工程，主要改造内容：更新水轮机、发电机三套及相应配套的电气设备，主副厂房维修，更换主变压器等，原装机容量960kW（3×320kW），增效扩容后装机容量1890kW（3×630kW）。
3.2臨安市龙皇桥水电站增效扩容改造工程，主要改造内容：改造两台水轮发电机组；改造压力水管，由原砼管变为钢管；改造修缮发电厂房；新建高压配电房和升压站等，原装机容量500kW（2×250kW），增效扩容后装机容量800kW（2×400kW）。
3.3 电站增容改造的作用
3.3.1电站在增效扩容改造后，各建筑物和机电设备运行稳定正常，机组出率超过设计值，能有效达到大幅提高增效扩容效果的目的。
3.3.2农村小水电增效扩容改造工程不但能消除安全隐患、确保人民生命财产安全，而且还可以提升农村老旧水电站发电能力，增加经济效益。
3.3.3据统计，我省试点项目实施后，机组效率提高了10%～15%，装机容量增加29%，发电量增加约29％，每年增加发电收益约1.88亿元，每年可向社会提供4.37亿千瓦时的清洁能源，有效增加可再生清洁能源供应，对改善全省能源结构具有积极意义。
4、结束语
水电站技术的更新改造，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，实际上牵涉到水力资源配置的重新考虑以及合理利用问题、节约用水、电力市场需求、环境保护等问题，寻求适应不断发展的社会经济的需要问题。实践证明，浙江省农村水电增效扩容改造试点项目取得了明显的社会和生态效益，开展农村水电增效扩容改造项目是生态文明建设的重要内容，是惠农富民的有效途径，是保障电站安全的重要举措，是推进农村水电良性发展的必由之路。
参考文献
[1]黄钢，郭加忠，石岩明.小型水轮发电机组增容改造可行性及其效益分析.新疆电力[J]，2009（01）.
[2]王爱文.电厂水轮发电机组增容改造的实践与认识[J].吉林水利，2010（S1）.
[3]高天德，林兰生，李日新.水轮发电机组增容改造和经济效益[J].大电机技术，2009（04）.
关键词：水电站；增效扩容；可行性研究
中图分类号： TM622文献标识码： A
引言：
我所在的浙江省临安市现已建投产的水电站98座，总装机217320千瓦，其中65座，建成投产于1995年以前，电站装机容量36290千瓦，多数电站运行年份在20年以上，电站的水工设施和机电设备严重老化，技术落后，运行安全隐患多，迫切需要更新改造。
1、增容改造的必要性
1.1、流量与水头浪费
早期我国的电站修建大都在计划经济时代，并没有对实际水流量进行详细考察分析，造成了水力资源的浪费。对现有的机组进行增容改造能够充分利用水力资源，提高发电效率。
1.2、新转轮效率提高
早期，受设计水平和制造工艺限制，水轮机转轮品种偏少，效率不高。随着科技的进步，大量新型转轮研发并投放市场，制造工艺不断进步，水轮机转轮的工作效率大幅提高，为水轮发电机组的增容改造创造了十分有利的条件。
1.3、新工艺新材料的出现
科技的进步让研究者们发现了许多新型材料来应用于水轮机组上。例如，环氧粉云母作为新型的绝缘材料，若是运用在电机定子线圈上，能够有效降低绝缘层的厚度，加上单位千伏安用料的降低，为发电机组有效增容改造创造了条件。
1.4、计算机技术提高
以我国现有的计算机技术发展水平来看，在机械计算、电磁计算与通风计算方面都是相当精准的。同时，在增容改造方面，计算机还能够为转轮的模拟设计与计算提供可靠的数据分析，保障转轮设计的可行性。
2、水轮发电机组增容改造的途径
水轮机组的增容工作属于技术性工作，首先必须让每个水轮机满足增容的需要。因此，我们必须先掌握水轮机出力的计算公式，了解出力的条件有哪些，再结合水头流量、综合特性曲线以及转轮效率进行综合分析。只有当出力满足条件时才能进行增容改造。
2.1、提高水轮机出力
水轮机的出力是由水电站设计流量、水电站设计水头及水轮机效率决定的，出力的功率等于这三者乘积再乘上9.81。由此可以看出，这个公式中无论提高三者中的哪一个都能够让出力千瓦增加。
2.1.1、提高水头
想要提高水头，就要从提高上游水位、增加堤坝高度来想办法。这里，我们可以利用翻板闸、橡胶坝，甚至可以直接用混凝土来提高坝位。
2.1.2、增加过流量
过流量的增加需要通过调整导叶的开度来实现，开度越大，流量也就越大。但是凡事都应有度，过流量的增加必须严格控制在综合特性曲线处理的限制能力之内，若是超出不仅会让水轮机运转出力降低、效率下降，还会影响水轮机的运行安全。
2.1.3、选用品质优良的转轮
之前说道，大专院校与研究机构已研制出更为有效的转轮，这些转轮型线良好、品质优良，能够有效提升运转效率。像是哈尔滨机电厂、水科院、东方电视股份这些公司都相继推出了新型转轮，其中一些转轮的运转效率能够高达93%，大幅提高了运转效率。
2.2、增容发电机
2.2.1、定子绕组材料的改进
环氧粉云母带作为绝缘材料能够取代传统的将沥青片云母浸胶的绝缘方式。由于环氧粉云母的导热系数为0.0022W每摄氏度，远比沥青的0.0016W每摄氏度要大，因此在定子线圈厚度相同的情况下，使用新型材料能够提高定子线圈中热量的外传导能力。再者，环氧粉云母相较于沥青云母，电气强度远远高于沥青云母，能够使绝缘层的厚度减少15%～20%。在节省下来的空间内，可以适当增大定子线圈的导线截面积，这样做既能够更好散热，又能提高发电机容量。
2.2.2、增加定子槽数
增容改造不可避免的要更换一些定子铁心，增加定子槽数能够有效提高电机的负荷承受能力。在铁心长度不变的情况下减少铁心段的厚度，降低通风沟的高度能够有效增加散热面积。在定子槽数增加的同时，还可使用高导磁材料，使用损耗较低的硅钢片。
2.2.3、减少附加损耗
可以适当减少定子线的棒股线厚度，用增加股线数的方式来改进股线换位。在电负荷达到600A/cm时，定子压住齿片，端箍应采用非磁性材料制造。因此减少端部漏磁，降低附加损耗是非常重要的。
2.2.4、改进转子励磁绕组
在水轮机组增容改造时，一般不会改动励磁绕组，因此下面介绍的是当转子升温过高时的处理办法。若是在改造前转子本身温度偏高，可以在级身高允许的情况下增加少数的磁极线圈，让励磁电流降低，从而降低转子温度；当转子级间有足够的位置，其尾力又在承受范围之内时，可以增加励磁绕组的宽度，增加磁极线圈导线的宽度来时转子温度下降；再者，可以采用散热匝结构或是七边形铜线来增加机组的散热面积，这是行之有效的方式。
2.2.5、提高功率因素
在遇到更新磁极绕组困难时，可以采用提高发电机功率因数的方式，将功率提升到0.85～0.95来运行。
2.3、改善通风系统
2.3.1、总风量的核算
国内将冷却空气通过电机后的温升定为15～20摄氏度，而国外定为30～35摄氏度；国内设计的电机总风量也远远高于国外设计，显然我国电机设计的总风量过大，容易导致增加通风损耗现象。这种情况会让电机效率降低，出力降低。
2.3.2、改善通风循环回路
改善回路的主要方式为改变风扇的安装位置或是取消风扇，这样做能够让风路中涡流数量明显减少。由于风扇的取消，总风量也相应减少，从而降低了通风损耗，提高电机发电效率，更重要的是去除了这部分损耗给电机带来的热量温升。
2.3.3、改善挡风板材料
若是在设计中采用玻璃钢这种新型材料，能够将风量导向定转向需要散热的部位，直接作用于高温处，让循环气流在各风路中的分布与帮助散发的热量成正比。
2.3.4、空气冷却器的更新
在增容改造过程中，应密切注意冷却器是否能够满足电机高容量的需求。若是空气冷却器无法达到热交换要求时，需及时增大冷却器的容量。这里笔者推荐使用高效针式翅片管。这种翅片管的齿片与紫铜管是同一原料，消除了其他复合冷却管及绕簧式的接触热阻。这种材料重量较轻、抗振刚度好、热交换能力高且风阻较小。
2.4、变压器更换
主变和厂变可以更换成s11一M系列低损耗全密封双电压油浸式配电变压器,这是新型的节能产品，空载损耗、负载损耗均明显下降，达到国内先进水平。该产品采用波纹式油箱，全密封结构，变压器油与周围空气完全隔离，不会降低绝缘强度，避免绝缘材料的老化，延长产品的使用寿命。用户使用时不用维护，节省维护费用，以配合国家节能减排政策的迅速贯彻。该系列产品具有增加供电能力、保证电压质量、降低电网的电能损耗、节省电网的建设费用、性能优良、免维护等特点。
3、改造实例
2011年10月，财政部、水利部在全国启动农村水电站增效扩容试点工作，我省115个项目列入全国农村水电增效扩容改造试点，我市有2个项目列入浙江省115个农村水电增效扩容改造试点。
3.1临安市里畈水库一级电站增效扩容改造工程，主要改造内容：更新水轮机、发电机三套及相应配套的电气设备，主副厂房维修，更换主变压器等，原装机容量960kW（3×320kW），增效扩容后装机容量1890kW（3×630kW）。
3.2臨安市龙皇桥水电站增效扩容改造工程，主要改造内容：改造两台水轮发电机组；改造压力水管，由原砼管变为钢管；改造修缮发电厂房；新建高压配电房和升压站等，原装机容量500kW（2×250kW），增效扩容后装机容量800kW（2×400kW）。
3.3 电站增容改造的作用
3.3.1电站在增效扩容改造后，各建筑物和机电设备运行稳定正常，机组出率超过设计值，能有效达到大幅提高增效扩容效果的目的。
3.3.2农村小水电增效扩容改造工程不但能消除安全隐患、确保人民生命财产安全，而且还可以提升农村老旧水电站发电能力，增加经济效益。
3.3.3据统计，我省试点项目实施后，机组效率提高了10%～15%，装机容量增加29%，发电量增加约29％，每年增加发电收益约1.88亿元，每年可向社会提供4.37亿千瓦时的清洁能源，有效增加可再生清洁能源供应，对改善全省能源结构具有积极意义。
4、结束语
水电站技术的更新改造，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，实际上牵涉到水力资源配置的重新考虑以及合理利用问题、节约用水、电力市场需求、环境保护等问题，寻求适应不断发展的社会经济的需要问题。实践证明，浙江省农村水电增效扩容改造试点项目取得了明显的社会和生态效益，开展农村水电增效扩容改造项目是生态文明建设的重要内容，是惠农富民的有效途径，是保障电站安全的重要举措，是推进农村水电良性发展的必由之路。
参考文献
[1]黄钢，郭加忠，石岩明.小型水轮发电机组增容改造可行性及其效益分析.新疆电力[J]，2009（01）.
[2]王爱文.电厂水轮发电机组增容改造的实践与认识[J].吉林水利，2010（S1）.
[3]高天德，林兰生，李日新.水轮发电机组增容改造和经济效益[J].大电机技术，2009（04）.