四川德阳东方电机技改服务有限公司

一、前言

目前，水电站中许多发电机都严重老化，转轮需要更新换代，虽说水轮发电机组尚可运行状况尚可，但是超出力运行的情况较多，许多发电机的老化严重，这已经逐渐满足不了水机超出力运行要求，因此对水电站的水轮发电机组设备进行改造势在必行。

二、水电站水轮发电机组设备改造历程和发展

1.局部和整体修复改造

很多水电站中的机械部件问题频频，出现疲劳、老化、病态等情况，诸如大轴摆度过强、噪音过大、发电机的绕组绝缘老化、过流部件严重空蚀腐蚀、顶盖部位的振动过大等一系列问题，这多是由水电站机组的频繁使用、增减负荷造成的。问题频繁的出现直接导致一些水电站机组停机，进行检查维修。例如在20世纪60年入生产的某水电站，其混流式转轮直径为4.1m ，运营以来转轮叶出现严重的空蚀现象，平均每两年便要进行一次大修，平均每台机空蚀的面积约为4 ，最大空蚀深度接近30mm，其中最严重的一台水轮机空蚀补焊耗用电焊条为760kg，这对机组的经济和运行来讲都是无法承受的。再如另一个水电站，自20世纪70 年入使用轴流转浆式机组之后，过流部件受到了严重的泥沙磨损，并产生了裂痕，机组的效率下降了大约10%，而且在汛根本期无法发电，发电效率和机组运行的安全得不到保障。运行时间越长，水电站的机组的导叶立面和断面的封面老化和磨损情况越严重，致使导叶密封性降低，更有甚者或因漏水量过大导致机组停机。由于原来缺少密封措施，导叶的上端和下端和顶盖、底环部位很容易产生缝隙。总的来说，改造之后的设备能够增加密封，减少漏水情况，提高工作效率与质量。

2.现代化改造

因长时间运行出现故障的机组要针对性的修复处理，同时还要进行现代化的技术改造。首先要改造的是机组的关键部位、应用材料和技术等。水轮机转轮早期使用铸件或者铸焊结构较为普遍，且多采用价格较为偏移的普通钢制作，使得叶片中空蚀现象经常发生，这会严重的影响设备的正常运行。例如由于葛洲坝水中含有大量泥沙，为了保证葛洲坝水电站正常运营，相关部门的讨论后，决定转轮使用材料选择不锈钢的材料，这在我国使用不锈钢材料水轮机开辟了先河。

随着科技的发展，尤其是冶金技术和材料质量的提升，材料的综合性能得到了很大的提高。高强度的不锈钢逐渐替代了原来的低强度碳素钢。而且各种先进的焊接技术也便于叶片中不锈钢材料与碳素钢材料的连接，当然仍有一些中小型转轮叶片依然在使用20SiMn 。在现代化的大型水力发电站中，发电机组轮转叶片和上冠、下环部位应用的材料都是不锈钢的，这样不仅增加本身抗腐蚀性能，还提升了运行效果。

科学技术的进步也带动了机组部件加工装备和工艺的探索和创新。在过去，机组使用的转轮叶片大多数都没有经过机械的加工。在上世纪七十年代，联合设计葛洲坝水电站机组时，就曾经提出研制专用机床来加工叶片，以此来来提高叶片质量和效率，于是八十年代，发明了三轴和五轴数控加工镗铣机床，但费用较高，没有广泛普及。三峡水电站实现了对形状怪异的X 型叶片数控加工技术。

将这些加工技术融入设备改造之中，实现机组的现代化和自动化。调查分析我国国内实际运行的水电站水轮机性能，在上世纪50 年代时投入运行的机组，明显与40 年之后的机组有差别。例如1953年投入运行的福建古田水电站水轮机采用美国福伊特西门子水电公司的转轮，额定水头为110m；1994年投入运行的贵州天生桥水电站水轮机采用了法国阿尔斯通公司的转轮，额定水头为111m。二者比较的结果如表1所示.

改革开放之后，我国水电机组制造厂商的逐渐增多，引进了大量的国外先进技术和工艺，其中较为突出的是哈尔滨电机厂和东方电机厂，在国外专业学者的帮助下，共同研发和设计了三峡700MW 的大型机组。自此之后，发电机组的水利性能突飞猛进，步入到了一个全新发展的阶段。

三、水电站水轮发电机组设备改造

1.设备改造的必要性

伴随科学技术的创新发展，为适应发展的需要，很有必要对水轮发电机组的设备进行改造。首先，发电机组设备改造投资较少，但会有相当大的收益。在我国，初期的小型水电站是按照当时颁布的系列型谱选择机组标准的，但仅仅规定水轮机的型号、直径等方面，把水轮机组的实际运行参数忽略了，导致设备实际运行参数达不到设计运行参数，机组长期低下的出力运行状态。调查了解到，一些水电站的设计工况严重偏离运行最优工况，浪费了大量的水能资源，而且由于设备长时间的运行，设备加速老化，使得出力性能达不到标准。还有一些水电站，因为选择了质量较差或存在缺陷的设备，设备的运行安全状态得不到保障，再加上低下的内部管理水平，这一系列问题导致机组设备长期带病运行，设备可能会提前损坏。这些都充分的说明，对水电站水轮发电机组设备进行技术改造是很有必要的。

2.设备改造的原则

设备的改造应从实际出发，结合工程实际情况，选择经济、科学、合理的改造方法，对水电站水轮发电机组的设备进行改造，还必须要进行经济技术的可行性论证，在技术可行的基础上上，谨慎选择设备的生产商，确保设备的安全、可靠与先进。同时，国家规定的流程和操作规范要严格遵守，设备改造工作符合国家相关规范和规定，申报和验收等相关手续要严格执行。另外，设备改造时还要考虑到投资回报年限的问题，根据有关规定，小型的水电站必须在三年左右时间里收回投资资金。

四、 水电站水轮发电机组设备具体改造措施

1.更新定、转子绕组绝缘

早期水轮发电机使用的绝缘材料多为沥青云母材料，属于B 级绝缘。机组改造需提升绝缘材料等级，建议采用高级别的绝缘材料，如F 级的环氧粉云母材料，除此之外还要结合相应级别的绝缘工艺，这不仅大幅度提升发电机的耐温性能和耐电压性能，还在一定程度上减小了绝缘材料的单面厚度。另外线圈和铁心的空隙的填充可用先进的浸漆、烘焙方式，这能够增加电机的绝缘性能和提升自身散热效果。

除此之外，绝缘结构的改造也很有必要，还要额外重视温度的控制，按照行业相关规定，F 级的绝缘的定子绕组最高允许温度为140℃，转子绕组不超过150℃。

2.增加定子绕组铜线截面

在提高绝缘水平，减薄绝缘的基础之上，为了实现真正增容，还要采取相应的措施，下面简单介绍几种有效的方法：（1）增加定子绕组铜线的截面，提高槽中线圈的填满率，提高发电机的输出功率等。（2）降低绕组电流的密度，减小铜损耗，降低温度升高程度。（3）更新线圈的工作可以采用一些先进的工艺和技术，例如某一发电设备厂使用的“无间隙嵌线”专利技术，以及线圈的连焊工艺等，类似的还有二次热压和二次整形的工艺技术，制作定子线圈时，可使线圈间排列更加整齐，粘结更加牢固，并让线圈的形状保持一致。在定子线圈端部，可以采用大电机中常用的绑扎材料进行绑扎，能够有效的保证绑扎的牢固性和痛风性。（4）在绕子绕组多装一些散热匝。（5）转子转圈可以采用上下端面900 翻遍结构的实施对地绝缘，这样不仅可有效地保护发电机，还使其在长期运行过程中免受灰尘和污垢的影响，提高对地耐压能力。

五、结语

本文简要分析了目前水电站水轮发电机组设备的改造，并结合笔者自己多年的工作经验提出一些个人观点，希望对相关人员有所帮助。