杨立超，李勇智，王明臣

（内蒙古兴安盟科右前旗宏沣水力发电厂，内蒙古 科右前旗 137432）

0 引言

察尔森水库是国家七五期间建设的大Ⅰ型水利枢纽工程，1973年上马施工建设。建设过程中，在国民经济调整期间一度停缓建，到80年代中晚期恢复重建。1974年陆续将水轮发电机组等电站电气设备订货采购运抵工地现场库存堆放，直到工程恢复重建时，才得以实施安装，直至投入电力生产运行。在设备进行安装之前，曾经过有关专题会议研究，决定将已到货的机电设备作淘汰报废处理，但限于当时的历史和经济等客观原因，又经有关专家专题会议论证鉴定，最终确认设备仍有使用价值，在节约投资的前提下，做到物尽其用，待运行一定年限后和经济形势好转时，再行技术改造或更新，在此背景下，对设备进行了安装，调试和投入国家电网正式运行。随着时间推移，设备缺陷、不安全因素逐渐显现出来，具体反映在水轮机、发电机两大主设备中。水轮机由于受运行水头限制，不适应水头变化的需要，出力明显下降，效率低，达不到相关技术要求。发电机定子绕组绝缘劣化，呈现分层脱壳现象，运行中绕组线圈温度与温升超过允许值105℃和80℃范围，不但出力下降，输出功率减小，而且时刻威胁到发电机运行安全。

基于水轮机、发电机设备中客观上所存在的缺陷和安全隐患，厂内通过研究，把解决水轮机出力应与水库水位变化相适应，减小汽蚀对水轮机运行的影响，发电机定子线圈绝缘劣化，运行温度温升超限值等一系列需要解决的技术问题，提到了议事日程，并且由技术人员拿出了技改实施方案。

由于察尔森水库为多年调节型水库，降水受大气环流控制，无规律可循，库水位变幅大，不稳定。它是以防洪、灌溉为主，兼顾发电，且为季节性发电，发电期间受库区流域降水、防洪、灌溉等水情调度制约。为了使1号、2号水轮发电机更好发挥作用，提高出力，充分合理而又有效的利用水库有限的水力资源，使水能与防洪、灌溉、发电有机结合统一起来，创造出好的社会效益，经济效益，满足日益增长的电力需求，经过科学论证，在90年代中期对1号、2号机组进行了增容技术改造，增容改造主要通过下述途径实现的，且分为水轮机、发电机两部分进行。

表1 新旧水轮机相关技术参数

1 水轮机的增容改造

基于水轮机能量转换和动量平衡这一基本原理，在满足发电机增容的前提下，从科学角度论证水轮机机械强度，运行区间内水轮机输出功率，出力裕度是否满足所增容要求，是否与发电机所增容容量相适应和匹配。根据水轮机学科中相关理论研究分析后，把HL123—LJ—140水轮中的转轮淘汰，遴选哈尔滨电机厂生产的HLA501—LJ—140新产品机组转轮作为1号、2号机组增容改造替代品，因而使得水轮机的增容改造工程得以实现。现将新旧水轮机相关技术参数列出，具体见表1。

从表1可清楚看出，在水头相同的条件下，由于转轮的结构及参数不同，因而就有了动力矩的改变，相应的输出功率就有了质和量的变化。即HL123-LJ-140机组额定输出功率为3 380 kW，而HLA501-LJ-140机组额定输出功率为4 230 kW，后者比前者输出功率大850 kW，也就是增容了850 kW，达到了增容改造的目的。另外，从水轮机综合特性曲线中分析看出，HL123-LJ-140机组在30.5 m设计水头和最大水头43 m区间运行时，输出功率稳定和满出力，当低于30.5 m设计水头时，机组出力下降快，运行区间窄，始终处于低效率区。由于在低水位运行，易产生振动和汽蚀，对机组稳定运行极为不利。而HLA501-LJ-140机组则可长时间运行在设计水头27 m和最大水头43 m之间，运行区间较宽，当运行水头超过27 m至43 m时，水轮机输出功率随着水头的增高而增大，工作在高效区的时间长，机组出力大并且稳定。两机组输出功率的不同是在于机组结构的差异，过流空间过流流量的增大，改变了它们的动力矩，使得HL123-LJ-140输出功率较HL-LJ-140提高了25%，这符合N=9.81QHη基本规律，水轮机的增容改造就是按照这一基本定律实现的。

2 发电机的增容改造

发电机的增容改造可以通过4个途径实现：改造定子绕组绝缘结构；改造转子励磁结构；改造通风系统；定子绕组采用新换位方式。目的是减少或抑制股线环流。

从上述4个途径中，把发电机定子绝缘等级低这个薄弱环节作为切入点，结合1号、2号发电机定子绕组绝缘为A级沥青结构的实际情况，采用改造发电机定子绕组绝缘结构的方案。热力学中，热传导过程中的传导系数是与介质密切相关的，沥青绝缘的热传导系数为0.006，热传导效果不理想，当运行温度、温升超过绝缘允许值范围时，发电机出力就受到了限制。为了满足发电机增容改造的需要，以可靠安全运行为宗旨，采用环氧粉云母带绝缘工艺与技术，使绝缘等级达到F级标准，从而使得传导系数由原来的0.006降到现在的0.002水平，远高于A级。与此同时，由于采用了环氧粉云母带绝缘新材料、新工艺及新技术，使得改造后的绝缘厚度较原来的厚度减薄了10%～16%，由此改善了发电机散热环境和条件，降低了发电机定子线圈温升所产生的热损耗，提高了效率，增大了发电机输出功率。在1998年和1999年连续两年洪水期高水位运行下，发电机输出功率随水轮机输出功率的增加而加大，由额定的3 200 kW上升到3 650 kW左右，根据增容改造前后水轮发电输出功率分析比较，增容改造后发电机输功率比技改前提高了12%～15%。可见，增容效果是明显的，同时机组处于稳定运行状态，未见有异常的振动发生和定子绕组温度、温升超过允许限值现象。

运行实践证明，增容改造是成功的，技术上是可行的，效果是好的，达到了预期目的。以电厂2号机为例，增容改造后，在运行水头相同的情况下，发电机输出功率比技改前提高了12%～15%，按提高15%算，在一个发电期150 d内，可多发电1 728 000 kW·h。节能按1 kW消耗煤0.34 kg算，可节省标准煤587.52 t，环保减少碳排放量475.2 t，按现行上网电价0.28元/（kW·h）算，创造经济效益51.84万元。再从水利资源开发角度看，按2号增容提高15%算，直接增容480 kW，相当于新开工建设一座500 kW小型水力发电站。但这个增容电站不涉及征地和占用耕地，不需要移民和移民搬迁，不污染和破坏生态环境，不增加发电企业运行管理成本，不增加维护费用。由此可见，增容改造工程是一项利国、利民、利环保、利企业增效的德政工程，是践行科技创新、科学发展的有益尝试。