楊立超，李勇智，王明臣

（內(nèi)蒙古興安盟科右前旗宏灃水力發(fā)電廠，內(nèi)蒙古 科右前旗 137432）

0 引言

察爾森水庫是國家七五期間建設的大Ⅰ型水利樞紐工程，1973年上馬施工建設。建設過程中，在國民經(jīng)濟調(diào)整期間一度停緩建，到80年代中晚期恢復重建。1974年陸續(xù)將水輪發(fā)電機組等電站電氣設備訂貨采購運抵工地現(xiàn)場庫存堆放，直到工程恢復重建時，才得以實施安裝，直至投入電力生產(chǎn)運行。在設備進行安裝之前，曾經(jīng)過有關(guān)專題會議研究，決定將已到貨的機電設備作淘汰報廢處理，但限于當時的歷史和經(jīng)濟等客觀原因，又經(jīng)有關(guān)專家專題會議論證鑒定，最終確認設備仍有使用價值，在節(jié)約投資的前提下，做到物盡其用，待運行一定年限后和經(jīng)濟形勢好轉(zhuǎn)時，再行技術(shù)改造或更新，在此背景下，對設備進行了安裝，調(diào)試和投入國家電網(wǎng)正式運行。隨著時間推移，設備缺陷、不安全因素逐漸顯現(xiàn)出來，具體反映在水輪機、發(fā)電機兩大主設備中。水輪機由于受運行水頭限制，不適應水頭變化的需要，出力明顯下降，效率低，達不到相關(guān)技術(shù)要求。發(fā)電機定子繞組絕緣劣化，呈現(xiàn)分層脫殼現(xiàn)象，運行中繞組線圈溫度與溫升超過允許值105℃和80℃范圍，不但出力下降，輸出功率減小，而且時刻威脅到發(fā)電機運行安全。

基于水輪機、發(fā)電機設備中客觀上所存在的缺陷和安全隱患，廠內(nèi)通過研究，把解決水輪機出力應與水庫水位變化相適應，減小汽蝕對水輪機運行的影響，發(fā)電機定子線圈絕緣劣化，運行溫度溫升超限值等一系列需要解決的技術(shù)問題，提到了議事日程，并且由技術(shù)人員拿出了技改實施方案。

由于察爾森水庫為多年調(diào)節(jié)型水庫，降水受大氣環(huán)流控制，無規(guī)律可循，庫水位變幅大，不穩(wěn)定。它是以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電，且為季節(jié)性發(fā)電，發(fā)電期間受庫區(qū)流域降水、防洪、灌溉等水情調(diào)度制約。為了使1號、2號水輪發(fā)電機更好發(fā)揮作用，提高出力，充分合理而又有效的利用水庫有限的水力資源，使水能與防洪、灌溉、發(fā)電有機結(jié)合統(tǒng)一起來，創(chuàng)造出好的社會效益，經(jīng)濟效益，滿足日益增長的電力需求，經(jīng)過科學論證，在90年代中期對1號、2號機組進行了增容技術(shù)改造，增容改造主要通過下述途徑實現(xiàn)的，且分為水輪機、發(fā)電機兩部分進行。

表1 新舊水輪機相關(guān)技術(shù)參數(shù)

1 水輪機的增容改造

基于水輪機能量轉(zhuǎn)換和動量平衡這一基本原理，在滿足發(fā)電機增容的前提下，從科學角度論證水輪機機械強度，運行區(qū)間內(nèi)水輪機輸出功率，出力裕度是否滿足所增容要求，是否與發(fā)電機所增容容量相適應和匹配。根據(jù)水輪機學科中相關(guān)理論研究分析后，把HL123—LJ—140水輪中的轉(zhuǎn)輪淘汰，遴選哈爾濱電機廠生產(chǎn)的HLA501—LJ—140新產(chǎn)品機組轉(zhuǎn)輪作為1號、2號機組增容改造替代品，因而使得水輪機的增容改造工程得以實現(xiàn)?，F(xiàn)將新舊水輪機相關(guān)技術(shù)參數(shù)列出，具體見表1。

從表1可清楚看出，在水頭相同的條件下，由于轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)及參數(shù)不同，因而就有了動力矩的改變，相應的輸出功率就有了質(zhì)和量的變化。即HL123-LJ-140機組額定輸出功率為3 380 kW，而HLA501-LJ-140機組額定輸出功率為4 230 kW，后者比前者輸出功率大850 kW，也就是增容了850 kW，達到了增容改造的目的。另外，從水輪機綜合特性曲線中分析看出，HL123-LJ-140機組在30.5 m設計水頭和最大水頭43 m區(qū)間運行時，輸出功率穩(wěn)定和滿出力，當?shù)陀?0.5 m設計水頭時，機組出力下降快，運行區(qū)間窄，始終處于低效率區(qū)。由于在低水位運行，易產(chǎn)生振動和汽蝕，對機組穩(wěn)定運行極為不利。而HLA501-LJ-140機組則可長時間運行在設計水頭27 m和最大水頭43 m之間，運行區(qū)間較寬，當運行水頭超過27 m至43 m時，水輪機輸出功率隨著水頭的增高而增大，工作在高效區(qū)的時間長，機組出力大并且穩(wěn)定。兩機組輸出功率的不同是在于機組結(jié)構(gòu)的差異，過流空間過流流量的增大，改變了它們的動力矩，使得HL123-LJ-140輸出功率較HL-LJ-140提高了25%，這符合N=9.81QHη基本規(guī)律，水輪機的增容改造就是按照這一基本定律實現(xiàn)的。

2 發(fā)電機的增容改造

發(fā)電機的增容改造可以通過4個途徑實現(xiàn)：改造定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)；改造轉(zhuǎn)子勵磁結(jié)構(gòu)；改造通風系統(tǒng)；定子繞組采用新?lián)Q位方式。目的是減少或抑制股線環(huán)流。

從上述4個途徑中，把發(fā)電機定子絕緣等級低這個薄弱環(huán)節(jié)作為切入點，結(jié)合1號、2號發(fā)電機定子繞組絕緣為A級瀝青結(jié)構(gòu)的實際情況，采用改造發(fā)電機定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)的方案。熱力學中，熱傳導過程中的傳導系數(shù)是與介質(zhì)密切相關(guān)的，瀝青絕緣的熱傳導系數(shù)為0.006，熱傳導效果不理想，當運行溫度、溫升超過絕緣允許值范圍時，發(fā)電機出力就受到了限制。為了滿足發(fā)電機增容改造的需要，以可靠安全運行為宗旨，采用環(huán)氧粉云母帶絕緣工藝與技術(shù)，使絕緣等級達到F級標準，從而使得傳導系數(shù)由原來的0.006降到現(xiàn)在的0.002水平，遠高于A級。與此同時，由于采用了環(huán)氧粉云母帶絕緣新材料、新工藝及新技術(shù)，使得改造后的絕緣厚度較原來的厚度減薄了10%～16%，由此改善了發(fā)電機散熱環(huán)境和條件，降低了發(fā)電機定子線圈溫升所產(chǎn)生的熱損耗，提高了效率，增大了發(fā)電機輸出功率。在1998年和1999年連續(xù)兩年洪水期高水位運行下，發(fā)電機輸出功率隨水輪機輸出功率的增加而加大，由額定的3 200 kW上升到3 650 kW左右，根據(jù)增容改造前后水輪發(fā)電輸出功率分析比較，增容改造后發(fā)電機輸功率比技改前提高了12%～15%?？梢?，增容效果是明顯的，同時機組處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，未見有異常的振動發(fā)生和定子繞組溫度、溫升超過允許限值現(xiàn)象。

運行實踐證明，增容改造是成功的，技術(shù)上是可行的，效果是好的，達到了預期目的。以電廠2號機為例，增容改造后，在運行水頭相同的情況下，發(fā)電機輸出功率比技改前提高了12%～15%，按提高15%算，在一個發(fā)電期150 d內(nèi)，可多發(fā)電1 728 000 kW·h。節(jié)能按1 kW消耗煤0.34 kg算，可節(jié)省標準煤587.52 t，環(huán)保減少碳排放量475.2 t，按現(xiàn)行上網(wǎng)電價0.28元/（kW·h）算，創(chuàng)造經(jīng)濟效益51.84萬元。再從水利資源開發(fā)角度看，按2號增容提高15%算，直接增容480 kW，相當于新開工建設一座500 kW小型水力發(fā)電站。但這個增容電站不涉及征地和占用耕地，不需要移民和移民搬遷，不污染和破壞生態(tài)環(huán)境，不增加發(fā)電企業(yè)運行管理成本，不增加維護費用。由此可見，增容改造工程是一項利國、利民、利環(huán)保、利企業(yè)增效的德政工程，是踐行科技創(chuàng)新、科學發(fā)展的有益嘗試。