一、前言

目前，水電站中許多發(fā)電機(jī)都嚴(yán)重老化，轉(zhuǎn)輪需要更新?lián)Q代，雖說水輪發(fā)電機(jī)組尚可運(yùn)行狀況尚可，但是超出力運(yùn)行的情況較多，許多發(fā)電機(jī)的老化嚴(yán)重，這已經(jīng)逐漸滿足不了水機(jī)超出力運(yùn)行要求，因此對水電站的水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行改造勢在必行。

二、水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備改造歷程和發(fā)展

1.局部和整體修復(fù)改造

很多水電站中的機(jī)械部件問題頻頻，出現(xiàn)疲勞、老化、病態(tài)等情況，諸如大軸擺度過強(qiáng)、噪音過大、發(fā)電機(jī)的繞組絕緣老化、過流部件嚴(yán)重空蝕腐蝕、頂蓋部位的振動過大等一系列問題，這多是由水電站機(jī)組的頻繁使用、增減負(fù)荷造成的。問題頻繁的出現(xiàn)直接導(dǎo)致一些水電站機(jī)組停機(jī)，進(jìn)行檢查維修。例如在20世紀(jì)60年入生產(chǎn)的某水電站，其混流式轉(zhuǎn)輪直徑為4.1m ，運(yùn)營以來轉(zhuǎn)輪葉出現(xiàn)嚴(yán)重的空蝕現(xiàn)象，平均每兩年便要進(jìn)行一次大修，平均每臺機(jī)空蝕的面積約為4 ，最大空蝕深度接近30mm，其中最嚴(yán)重的一臺水輪機(jī)空蝕補(bǔ)焊耗用電焊條為760kg，這對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行來講都是無法承受的。再如另一個(gè)水電站，自20世紀(jì)70 年入使用軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組之后，過流部件受到了嚴(yán)重的泥沙磨損，并產(chǎn)生了裂痕，機(jī)組的效率下降了大約10%，而且在汛根本期無法發(fā)電，發(fā)電效率和機(jī)組運(yùn)行的安全得不到保障。運(yùn)行時(shí)間越長，水電站的機(jī)組的導(dǎo)葉立面和斷面的封面老化和磨損情況越嚴(yán)重，致使導(dǎo)葉密封性降低，更有甚者或因漏水量過大導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。由于原來缺少密封措施，導(dǎo)葉的上端和下端和頂蓋、底環(huán)部位很容易產(chǎn)生縫隙?？偟膩碚f，改造之后的設(shè)備能夠增加密封，減少漏水情況，提高工作效率與質(zhì)量。

2.現(xiàn)代化改造

因長時(shí)間運(yùn)行出現(xiàn)故障的機(jī)組要針對性的修復(fù)處理，同時(shí)還要進(jìn)行現(xiàn)代化的技術(shù)改造。首先要改造的是機(jī)組的關(guān)鍵部位、應(yīng)用材料和技術(shù)等。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪早期使用鑄件或者鑄焊結(jié)構(gòu)較為普遍，且多采用價(jià)格較為偏移的普通鋼制作，使得葉片中空蝕現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，這會嚴(yán)重的影響設(shè)備的正常運(yùn)行。例如由于葛洲壩水中含有大量泥沙，為了保證葛洲壩水電站正常運(yùn)營，相關(guān)部門的討論后，決定轉(zhuǎn)輪使用材料選擇不銹鋼的材料，這在我國使用不銹鋼材料水輪機(jī)開辟了先河。

隨著科技的發(fā)展，尤其是冶金技術(shù)和材料質(zhì)量的提升，材料的綜合性能得到了很大的提高。高強(qiáng)度的不銹鋼逐漸替代了原來的低強(qiáng)度碳素鋼。而且各種先進(jìn)的焊接技術(shù)也便于葉片中不銹鋼材料與碳素鋼材料的連接，當(dāng)然仍有一些中小型轉(zhuǎn)輪葉片依然在使用20SiMn 。在現(xiàn)代化的大型水力發(fā)電站中，發(fā)電機(jī)組輪轉(zhuǎn)葉片和上冠、下環(huán)部位應(yīng)用的材料都是不銹鋼的，這樣不僅增加本身抗腐蝕性能，還提升了運(yùn)行效果。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也帶動了機(jī)組部件加工裝備和工藝的探索和創(chuàng)新。在過去，機(jī)組使用的轉(zhuǎn)輪葉片大多數(shù)都沒有經(jīng)過機(jī)械的加工。在上世紀(jì)七十年代，聯(lián)合設(shè)計(jì)葛洲壩水電站機(jī)組時(shí)，就曾經(jīng)提出研制專用機(jī)床來加工葉片，以此來來提高葉片質(zhì)量和效率，于是八十年代，發(fā)明了三軸和五軸數(shù)控加工鏜銑機(jī)床，但費(fèi)用較高，沒有廣泛普及。三峽水電站實(shí)現(xiàn)了對形狀怪異的X 型葉片數(shù)控加工技術(shù)。

將這些加工技術(shù)融入設(shè)備改造之中，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的現(xiàn)代化和自動化。調(diào)查分析我國國內(nèi)實(shí)際運(yùn)行的水電站水輪機(jī)性能，在上世紀(jì)50 年代時(shí)投入運(yùn)行的機(jī)組，明顯與40 年之后的機(jī)組有差別。例如1953年投入運(yùn)行的福建古田水電站水輪機(jī)采用美國福伊特西門子水電公司的轉(zhuǎn)輪，額定水頭為110m；1994年投入運(yùn)行的貴州天生橋水電站水輪機(jī)采用了法國阿爾斯通公司的轉(zhuǎn)輪，額定水頭為111m。二者比較的結(jié)果如表1所示.

改革開放之后，我國水電機(jī)組制造廠商的逐漸增多，引進(jìn)了大量的國外先進(jìn)技術(shù)和工藝，其中較為突出的是哈爾濱電機(jī)廠和東方電機(jī)廠，在國外專業(yè)學(xué)者的幫助下，共同研發(fā)和設(shè)計(jì)了三峽700MW 的大型機(jī)組。自此之后，發(fā)電機(jī)組的水利性能突飛猛進(jìn)，步入到了一個(gè)全新發(fā)展的階段。

三、水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備改造

1.設(shè)備改造的必要性

伴隨科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，為適應(yīng)發(fā)展的需要，很有必要對水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)備進(jìn)行改造。首先，發(fā)電機(jī)組設(shè)備改造投資較少，但會有相當(dāng)大的收益。在我國，初期的小型水電站是按照當(dāng)時(shí)頒布的系列型譜選擇機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)的，但僅僅規(guī)定水輪機(jī)的型號、直徑等方面，把水輪機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)忽略了，導(dǎo)致設(shè)備實(shí)際運(yùn)行參數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)，機(jī)組長期低下的出力運(yùn)行狀態(tài)。調(diào)查了解到，一些水電站的設(shè)計(jì)工況嚴(yán)重偏離運(yùn)行最優(yōu)工況，浪費(fèi)了大量的水能資源，而且由于設(shè)備長時(shí)間的運(yùn)行，設(shè)備加速老化，使得出力性能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。還有一些水電站，因?yàn)檫x擇了質(zhì)量較差或存在缺陷的設(shè)備，設(shè)備的運(yùn)行安全狀態(tài)得不到保障，再加上低下的內(nèi)部管理水平，這一系列問題導(dǎo)致機(jī)組設(shè)備長期帶病運(yùn)行，設(shè)備可能會提前損壞。這些都充分的說明，對水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造是很有必要的。

2.設(shè)備改造的原則

設(shè)備的改造應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)際情況，選擇經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、合理的改造方法，對水電站水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)備進(jìn)行改造，還必須要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)的可行性論證，在技術(shù)可行的基礎(chǔ)上上，謹(jǐn)慎選擇設(shè)備的生產(chǎn)商，確保設(shè)備的安全、可靠與先進(jìn)。同時(shí)，國家規(guī)定的流程和操作規(guī)范要嚴(yán)格遵守，設(shè)備改造工作符合國家相關(guān)規(guī)范和規(guī)定，申報(bào)和驗(yàn)收等相關(guān)手續(xù)要嚴(yán)格執(zhí)行。另外，設(shè)備改造時(shí)還要考慮到投資回報(bào)年限的問題，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，小型的水電站必須在三年左右時(shí)間里收回投資資金。

四、 水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備具體改造措施

1.更新定、轉(zhuǎn)子繞組絕緣

早期水輪發(fā)電機(jī)使用的絕緣材料多為瀝青云母材料，屬于B 級絕緣。機(jī)組改造需提升絕緣材料等級，建議采用高級別的絕緣材料，如F 級的環(huán)氧粉云母材料，除此之外還要結(jié)合相應(yīng)級別的絕緣工藝，這不僅大幅度提升發(fā)電機(jī)的耐溫性能和耐電壓性能，還在一定程度上減小了絕緣材料的單面厚度。另外線圈和鐵心的空隙的填充可用先進(jìn)的浸漆、烘焙方式，這能夠增加電機(jī)的絕緣性能和提升自身散熱效果。

除此之外，絕緣結(jié)構(gòu)的改造也很有必要，還要額外重視溫度的控制，按照行業(yè)相關(guān)規(guī)定，F(xiàn) 級的絕緣的定子繞組最高允許溫度為140℃，轉(zhuǎn)子繞組不超過150℃。

2.增加定子繞組銅線截面

在提高絕緣水平，減薄絕緣的基礎(chǔ)之上，為了實(shí)現(xiàn)真正增容，還要采取相應(yīng)的措施，下面簡單介紹幾種有效的方法：（1）增加定子繞組銅線的截面，提高槽中線圈的填滿率，提高發(fā)電機(jī)的輸出功率等。（2）降低繞組電流的密度，減小銅損耗，降低溫度升高程度。（3）更新線圈的工作可以采用一些先進(jìn)的工藝和技術(shù)，例如某一發(fā)電設(shè)備廠使用的“無間隙嵌線”專利技術(shù)，以及線圈的連焊工藝等，類似的還有二次熱壓和二次整形的工藝技術(shù)，制作定子線圈時(shí)，可使線圈間排列更加整齊，粘結(jié)更加牢固，并讓線圈的形狀保持一致。在定子線圈端部，可以采用大電機(jī)中常用的綁扎材料進(jìn)行綁扎，能夠有效的保證綁扎的牢固性和痛風(fēng)性。（4）在繞子繞組多裝一些散熱匝。（5）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)圈可以采用上下端面900 翻遍結(jié)構(gòu)的實(shí)施對地絕緣，這樣不僅可有效地保護(hù)發(fā)電機(jī)，還使其在長期運(yùn)行過程中免受灰塵和污垢的影響，提高對地耐壓能力。

五、結(jié)語

本文簡要分析了目前水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備的改造，并結(jié)合筆者自己多年的工作經(jīng)驗(yàn)提出一些個(gè)人觀點(diǎn)，希望對相關(guān)人員有所幫助。