水電站機組增容增效提質技術改造分析與關鍵技術

時志能，余 紅，萬 元,潘平衡

（1.國家電力投資集團水電產業創新中心，湖南 長沙 410004；2.湘潭理工學院，湖南 湘潭 411100）

0 前言

隨著我國經濟社會的高速發展、全球對環保的日益重視及2030年“碳達峰、碳中和”的迫切需求，水電、風電、光伏等清潔能源仍是未來一段時間內電力開發應用的重點[1]。水電作為傳統的清潔能源，目前國內新建規劃建設水電站主要集中在西藏、云南、四川等西部地區，中東部地區的水電資源已基本開發殆盡，存量水電的增容增效提質潛力逐漸凸顯出更大的現實意義。新中國成立后水電裝機容量如圖1所示，依據水電機組容量等級其設計使用壽命在25~40年，隨著水電機組運行年限的增長，老舊水電站的技術改造將成為推動水電產業設備升級的主要引擎。

圖1 國內水電裝機容量變化趨勢

為徹底解決機組設備故障頻發、機組振動嚴重超標、關鍵結構部件裂紋嚴重、水能轉換效率不高、機組超年限運行、調節能力不足等狀況[2]，各水電企業正在逐步推進和實施老舊機組增容改造、更新改造、提質增效等研究工作，以創造更好的綜合經濟效益，典型案例見表1。

表1 典型電站提質增效改造案例

1 電站增容提質增效改造必要性

（1）保障設備本質安全。隨著投運時間的延長，部分老舊機組主設備運行故障逐漸暴露，如運行穩定性差、過流部件空蝕或磨蝕嚴重、超年限運行、發電機絕緣能力降低、轉子支架及主軸等關鍵部件裂紋、軸承瓦溫超標等影響電站安全穩定運行的因素長期存在，亟待通過技術改造徹底改變機組的運行條件，減少發電企業的運維成本，確保電站安全穩定運行。

（2）容量匹配與提升。受技術開發條件限制，早期流域性電站建設常由下游往上游逐步開展，且上游多以年調節或多年調節、下游多以低水頭日調節或無調節電站為主，隨著上游年調節或多年調節電站的投運和電網對上游大中型電站調峰、調頻的需要，下游低水頭電站因庫容不具備調節能力，當上游大中型電站大負荷方式運行時，常出現非汛期棄水現象，有必要利用現代水輪機設計方法對下游老舊電站開展技術改造或擴建，增加下游電站全廠機組過流能力，提升電站總體發電量。

（3）水資源高效利用。隨著近年來氣候環境、具有調節能力水庫龍頭電站及各梯級電站投運等外部因素變化，各電站在實際運行過程中的庫區降雨量、來流條件均發生了較大變化，體現在：上游或其支流新建水庫，下游修建水庫提升了尾水位等。電站原水文條件下的設計參數與當前水文條件存在明顯的不匹配現象，水量利用率長期處于低系數利用狀況，亟需開展水電機組的優化設計與改造或擴機，提升電站的水量利用率。此外，受電站早期設計階段水文統計資料缺失和大量水文數據處理技術受限的影響，部分電站建成后的實際運行水頭、流量與設計值存在較大偏差，導致機組最優運行范圍無法滿足電站存量提質的發展要求。

（4）多能互補運行新趨勢。隨著以新能源為主體的新型電力系統的建設，新能源投運比例急劇擴大，其波動性和隨機性特征對電網的功率平衡、抗沖擊能力等提出了新挑戰，大中型混流式、軸流式水電站調峰調頻任務不斷加劇，特別是在新能源占比較高的區域，機組啟停、振動區運行、備用時間增長，整體運行工況存在進一步惡化趨勢。

（5）電站延壽運行需要。國家能源局于2016年下發國能資質[2016]351號通知，第一次以政策性文件對發電機組達到設計使用壽命的并網要求進行了明確規定。為了避免水電機組因超設計年限運行而出現退網或取消上網許可證等重大事件，部分水力發電企業已著手開展老舊機組的技術升級或延壽評估工作；伴隨老舊機組的技術升級，電站的提質增效技術改造逐步提升至企業的發展重點。

2 技術改造實施路徑

機組的輸出功率主要受運行水頭、過機流量和效率三方面的影響[3]，針對老舊電站的技術改造，三者均具備提升的可行性，主要體現在：

（1）機組運行水頭。電站建成后，機組最大運行水頭受大壩高度限制難以改變，但受區域降水量變化導致電站低水頭運行時間增加和非主汛期高水頭運行時間增加等因素影響，機組實際運行的加權平均水頭已經發生變化，存在針對以加權水頭為邊界優化水輪機設計參數的可行性。

（2）水輪機過機流量。老舊電站受當時設計水平和經驗的限制，與現代水輪機設計水平相比，其過水流道常存在一定設計裕度，在實施電站技術改造的過程中，可以選用或設計比轉速較高的水輪機或采用加大水輪機公稱直徑等方式，擴大水輪機的單位過機流量，實現其在主汛期增發電量的預期目標。

（3）機組轉換效率。受設計、制造、安裝等因素的限制，20世紀80~90年代前投運的機組轉換效率相對較低，大部分機組綜合效率均低于90%，隨著國內三峽電站技術引進、吸收、創新，機組在水輪機設計、數值仿真、模型試驗、發電機電磁及通風設計、超薄硅鋼片、制造材料和加工水平等方面均取得重大技術突破，目前水輪機真機最優效率已超過96%，發電機效率已超過98.5%。

3 先進技術手段

新開發的水電機組，混流式主要朝大容量、高效率方向發展；軸流式主要朝高水頭、大容量及環保方向發展；貫流式主要朝大容量、標準化方向發展；沖擊式主要朝高水頭、多噴嘴方向發展。老舊電站在技術升級過程中可采用的先進技術主要有：

（1）轉輪優化設計及目標尋優。根據電站水文數據、機組現有流道條件的實際情況及國內各水頭段模型轉輪庫數量的增加，設計觀念已由傳統套用思路轉向一站一策的量體裁衣式選型及設計，水輪機可在同等級比轉速水平進行優化設計，從而達到水力流道與新轉輪之間的最優化匹配。措施方面，采用梯度尋優算法、多目標遺傳算法優化水輪機過流部件參數（轉輪、流道、導葉等），將數值仿真技術（如CAE技術）應用于水輪機的整個開發過程[4]，在大幅提高設計優化效率與準確性的基礎上，大大縮短了水輪機的研發周期，擴寬水輪機高效率區域，使水輪機運行工況更加符合電站設計條件，轉輪綜合水力性能達到最優化。

（2）寬負荷穩定運行技術。為了適應新能源大規模并網對水電機組調峰、調頻的需求，針對混流式機組，在轉輪更換或重新制造階段，采取增大額定單位流量與最優單位流量比值、優化葉片型式（如前傾反曲率、雙C型葉片）、優化效率分布等方式，有效降低水輪機的壓力脈動，同時保證大流量區域的出力要求。在結構設計方面，采取增加轉輪直徑、增加葉片數量、增大導葉分布圓直徑、增加葉片設計長度和厚度、增設出水邊應力釋放塊等方式，改善機組部分負荷的穩定性能，擴大水輪機的穩定運行范圍，使電站調節能力符合電網調度的需求，目前混流式機組已具備全負荷運行條件[5]。

（3）發電機節能降耗設計。采用先進的三維瞬態磁場有限元分析技術，優化端部結構設計，在滿足結構強度的同時，使端部附加損耗下降45%，發電機效率提升0.04%。采用高導磁、低損耗、機械性能優良的冷軋薄硅鋼片，結合通風槽結構的多段設置方式、端部階梯片設計結構及非磁性材料壓指的使用，有效降低定子損耗。采用蒸發冷卻技術，消除了水內冷壓力大、易泄露的風險，定子溫升分布更加均勻，有利于延長定子繞組使用壽命。定子鐵心通過優化通風槽結構設計，加大散熱面積、提高雷諾數，有效降低定子繞組溫升及通風損耗。采用穿片式換熱元件，增大換熱面積，提高傳熱效率。

（4）提升發電機絕緣能力。定子線棒絕緣采用環氧粉云母多膠模壓和真空壓力浸漬VPI技術[6]，將老舊機組絕緣等級由B級提升至F級。通過開展主絕緣云母帶材料研制、優化定子導線角部電場分布、等電位層曲率半徑優化、多級防暈處理技術等工作，結合絕緣包扎、浸漬、一次成型防暈處理及熱壓等工藝技術，確保成品線圈質量；同時對主絕緣開展耐熱、電、機械、環境應力試驗，確保機組不因主絕緣本征惡化而發生電機運行事故。

（5）關鍵結構部件剛強度設計技術及加工。將傳統結構計算和有限元仿真相結合，通過優化低應力設計理念、降低葉片高應力區應力、開展疲勞壽命預估、開展聯合動應力分析等措施，驗證主要部件的可靠性，保證機組在生命周期內的安全性。建立合理的疲勞損失判定依據，確保機組主要部件在服役期內有足夠的疲勞強度裕度。采用鉻、鎳、鉬馬氏體不銹鋼和超低碳不銹鋼材料，淘汰碳素鋼、低合金鋼材料；制造工藝采用鑄造、鍛造、焊接和電渣熔鑄等技術；部件加工采用數控加工技術，從而保證部件加工質量和精度要求。

4 結語

水電機組提質增效技術改造涉及面廣，由于不涉及大范圍的構（建）筑物施工，具有改造周期短、綜合經濟效益高等特點，同時可考慮開展老舊電站的數字化和智慧化改造，逐步減少電站運維檢修成本，實現其現代化可持續發展目標。