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摘要：水轮发电机组的增容扩容改造，是对原有机组运行潜力的再开发，有利于提高企业的经营效益，特别是江河流域的梯级开发利用，给水电的增容扩容提供空间。孟洲坝电厂现有的水轮发电机组运行多年，设备老化，严重影响电厂水能利用率。通过增效扩容改造，一方面优化设备性能，提高机组效率，确保机组运行安全可靠，另一方面提高了自动化运行水平和技术管理水平，运行的安全性和稳定性大幅度提升，可增加发电效益，提高生产效率。
关键词：发电机;增效扩容;改造
1、工程概况
孟洲坝发电厂是北江干流上的第一个梯级，距韶关市区12KM。电厂最大水头8.0m，设计水头5.3m，正常水位52.5m。孟洲坝发电厂安装4台灯泡贯流转桨式水轮发电机组，机组参数如表1.
表1 孟洲坝发电厂水轮发电机组型号
机组编号水轮机发电机型号额定出力Pr（MW）型号额定出力Nr（MW）1#，2#GZTF08-WP-58013.5SFWG13-72/6430133#，4#GZTF08-WP-58011.4SFWG11-72/643011
孟洲坝电厂近15年平均年发电量1.5亿kw·h，年利用小时3800h～4100h，年弃水天数约60天。
2、目前存在的问题
2.1、上游蓄水位提高，机组出力未增加，机组导叶长期在偏离最优工况下运行
2001年之前，机组多数在原设计的额定水头5.3m下运行，当1#、2#机组导叶开度为90%时，可达到额定出力13MW;当3#、4#机组导叶开度为81%时，可达到额定出力11MW。因韶关市区景观要求，在满足防洪条件情况下，电厂运行水头多为7.5米至7.8米。在水头为7.5米，当1#、2#机组导叶开度为75%至80%时，即可达到额定出力13MW;3#、4#机组当导叶开度为65%至70%时，即可达到额定出力11MW。
2.2、电站入库流量增大，机组无法在设计流量下运行，造成弃水量增加
近年来，武江上游的乐昌峡水利枢纽工程、浈江上游的湾头水利枢纽均已建成投产，入库流量比电厂设计时的调节能力大为增强。水库入库流量为1100 m?/s 至1200 m?/s，而4台机组的额定总流量为880 m?/s。全年弃水天数约50天。入库流量超过机组引用流量，已超出了经济运行优区的范围，造成了较大的水资源浪费。
3、水轮发电机组增效扩容改造方案
3.1.改造的总体思路
3.1.1 增大3#、4#机组发电机容量，提高电站总的发电量
孟洲坝发电厂4台机组的水轮机参数完全一致，而1#、2#发电机出力比3#、4#发电机多2MW，因此拟定增加3#、4#发电机容量至12MW。
3.1.2 改进水轮机运行工况，减小气蚀和振动对机组的破坏，提高机组的年利用小时数
因电厂上游水库水位增加，机组运行水头增加，原设计水头为5.3m，现机组常在7.5m至7.8m水頭下运行。当水头为7.5米，3#、4#机组当导叶开度为65%至70%时，即可达到额定出力11MW。随我厂水轮机为灯泡贯流转桨式水轮机，导叶和桨叶具有协联特性，但当机组满负荷时，导叶开度低于70%，水轮机中水流特性与最优特性偏差较大，产生的机组振动和噪音也较大，由此带来的机组故障率也较高，势必会增加机组维修时间，降低年利用小时数。
因此通过增大导叶开度，提高水轮机效率，扩大机组容量，增加机组的年利用小时数。
3.2 改造的具体方案
3.2.1水轮机
水轮机转速不变，出力的提高利用增加运行中桨叶的开度实现。比照1#、2#机组的运行特点，为防止脱流空蚀引起的转轮室球面部分前仓气蚀比较严重的特点，在主体结构不变的情况下，将3#、4#机组转轮室打磨优化，并对伸缩节结构进行优化，克服原机组在伸缩节位置经常出现的渗、漏水缺陷。
3.2.2发电机
重新进行电磁计算，在仅更换定子绕组及转子绕组，不改变机组结构尺寸的条件下，满足容量由11MW增加到12MW。
3.2.2.1原条式波绕组的绝缘结构在目前的技术条件下，能够通过优化设计，提高槽满率，加大额定电流。
3.2.2.2原条式线圈端部采用并头套灌锡焊接的工艺，现在普遍采用并头板银铜焊结构，使定子绕组的整体耐热等级趋于一致，更容易保证机组安全运行。
3.2.2.3原定子通风结构不需要做改动，即可满足机组温升不高于65℃的要求（电磁计算方案计算成果显示温升为59℃。现在我们公司新设计制造的同类型机组计算温升一般都取70℃。
3.3变压器
3.3.1主变压器
电厂采用两机一变方案，原3#、4#机组共用一台容量为25MAV的变压器，增容后需要将变压器相应增容至31.5MAV。
3.3.2励磁变压器
原3#、4#机组发电机的励磁变压器容量为340KAV，机组增容后，励磁功率超出了其容量允许使用范围内，因此，励磁变压器容量需增加到500KAV。
3.4发电机电磁方案和实施工艺
3.4.1 改造前后发电机参数对照表
3#、4#机组发电机由SFWG11-72/6430增容改造为SFWG13-72/6430。
项目原发电机基本参数改造后发电机的基本参数型号SFWG11-72/6430SFWG13-72/6430额定容量11MW/12.22MVA12MW/14.44MVA额定电压6300V6300V额定电流977.5A1323.7A额定功率因数0.9（滞后）0.9（滞后）额定频率50Hz50Hz额定转速83.3r/min83.3r/min额定励磁电压156（174）V220V额定励磁电流744（830）A617A绝缘等级F/FF/F定子支路数11接线方式YY3.4.2 改造后发电机的电磁参数表 电负荷AS529.2A/cm热负荷ASxJa1651气隙磁密Bg7058GS定子齿磁密Bz1/315495GS定子轭部磁密Ba8025GS极身磁密BM1036GS直轴同步电抗Xd1.094直轴瞬变电抗Xd'0.431直轴超瞬变电抗Xd''0.321横轴同步电抗Xq0.79横轴瞬变电抗Xq'0.79横轴超瞬变电抗Xq`'0.336短路比OKZ1.095效率eff96.7%额定励磁电压Ue220V额定励磁电流Ie617A定子温升θcu159℃转子温升θcu259℃3.4.3 发电机结构改造方案
针对原有机组的特点和安装局限位置，增容改造遵循：不改动原有的大部件的装配关系和外形尺寸，仅对电机的磁路和电路进行设计优化，实现增容目的的原则。
3.4.3.1定子
1）定子在拆出定子绕组后，检查定子铁心的直径和圆度，并对铁心进行清污处理。
2）新制定子条式线圈，采用双涤纶玻璃丝包扁铜线编制、整体F级绝缘，对地绝缘和防晕层采用全模压一次成型工艺。
3）定子接线方式仍为单支路，Y型接线。
4）发电机主引出线和中性点引出线电缆为300平方电缆。
5）中性点电流互感器的电流变比改为1500/5A。
3.4.3.2转子
更换磁极线圈，磁极铁心清理回用。
4、型式和说明
4.1机组结构型式
1）型式：灯泡贯流式三相交流同步发电机。
2）布置方式：水平方式。
3）旋转方向：顺水流方向视为顺时针旋转。
4）冷却方式：有空气冷却器的密闭循环强迫通风冷却。
5）主轴支撑方式：两支点双悬臂结构，即在发电机转子下游侧设置一个推力和径向组合轴承，和水轮机径向轴承构成两支点主轴支撑方式。
6）所有绝缘材料应采用阻燃型绝缘材料，阻燃特性符合IEC要求。
4结构
（1）一般要求
a）发电机定子保留原机座，更换绕组和测温电阻。下游侧与座环用法兰连接方式不变，上游侧与中间环连接方式不变，定子绕组出线在泡体内与原主引线相连接。
b）发电机转子保留转子磁轭支架和磁极铁心，更换磁极线圈和引线。转子支架按要求进行圆度和探伤检查。
c）定子线棒满足可在不拆卸灯泡壳体的情况下进行更换的条件。转子磁极满足可在不吊出转子的情况下拆装和更换的条件。
（2）定子
a）定子包括定子机座、铁芯和绕组等主要部件，定子机座采用贴壁结构。定子在电厂厂房内重新嵌线。
b）定子铁心在嵌线前需进行尺寸和紧度、铁损试验检查。
c）定子绕组采用星形连接。绕组绝缘符合IEC34-1中规定的F级绝缘要求。绝缘材料为桐马环氧粉云母带。槽楔由不产生收缩的材料制成，槽楔的设计保证在运行中不产生松动。
d）主引出线和中性点引出线的绝缘均按线电压设计。
e）绕组具有良好的防电晕和耐电腐蚀能力，在槽部、端部等部位采取防晕措施。
f）定子绕组导体材料为退火铜，其导电性能符合标准，没有裂片、裂纹、粗糙的斑点或尖角。
g）定子线棒直线部分采用360?罗贝尔换位方式，以减少损耗降低线圈股间温差。定子线棒具有互换性。
h）绕组绝缘和线棒具有良好的电气性能、机械性能、抗老化性能和具有不燃或难燃特性，难燃特性符合IEC标准要求。
i）线棒在槽内与铁芯之间紧密无间隙。
j）绕组各部分牢固支持和固定，在任何情况下均不产生松动、位移和变形。
k）定子端箍采用非磁性材料制造。
m）绕组接头采用银铜焊接，接头绝缘与线棒至绝缘的搭接长度符合有关规定的要求。线圈端部有牢靠的支撑和固定，以防止最严重短路情况下所产生的应力引起的振动和变形。
（3）转子
a）转子支架按能安全承受最大飞逸转速5min而不产生任何有害变形及接頭开焊等情况（转子材料的计算应力不超过屈服应力的2/3）进行强度复核。保证支架圆度满足定、转子之间气隙均匀，保证运行的安全性稳定性和可靠性。
b）磁极绕组采用符合IEC标准的F级绝缘，由铜排绕制而成。磁极线圈、绝缘托板采用整体一次热压成型防潮性能优良的工艺制造。线圈间的极间连接应非常可靠，并便于检修拆卸。磁极线圈表面应涂上阻燃涂料。
c）磁极铁芯拆出后检查纵横阻尼绕阻安装的牢固性，排除由于振动、热位移和热应力及在最大飞逸转速下造成机械故障。阻尼绕组具有承受短路电流和不平衡电流的能力。阻尼条与阻尼环的连接采用银焊，阻尼绕组间采用新型柔性连接片，防止因振动和热位移而引起故障。
5、辅助设备
辅助设备的改造基本上是更换新型的自动化设备，如调速器更换为可编程双调节调速器;油气水等系统采用改造与更新的方法处理;电站通风系统的改造，则以更换所有的轴流风机，并根据厂房的实际情况，增加对流装置。
6、结论
通过对水轮机的改造，将原水轮机的效率由88%左右，提高到91%。通过对发动机的改造和增容，将降低发电机的功率损失，提高发电机的效率3%以上。通过对水轮发电机组、水力机械、电气设备等的改造，提高了水轮机、发电机等设备的效率，降低了损耗，扩容改造后每年可多发电量2867万kwh，达到了节能增效的效果。
参考文献：
[1]程良骏主编. 水轮机，机械工业出版社.1981-10，360页
[2]白延年主编. 水轮发电机设计与计算，机械工业出版社，1982-09，870页
[3]孟洲坝发电厂增效扩容改造工程初步设计报告，中国水利水电第八工程局有限公司 167页
[4]电力系统标么制（华工电力学院）李晓华 2005-06，页数265页
广东韶能集团股份有限公司孟洲坝发电厂 广东韶关 512029
关键词：发电机;增效扩容;改造
1、工程概况
孟洲坝发电厂是北江干流上的第一个梯级，距韶关市区12KM。电厂最大水头8.0m，设计水头5.3m，正常水位52.5m。孟洲坝发电厂安装4台灯泡贯流转桨式水轮发电机组，机组参数如表1.
表1 孟洲坝发电厂水轮发电机组型号
机组编号水轮机发电机型号额定出力Pr（MW）型号额定出力Nr（MW）1#，2#GZTF08-WP-58013.5SFWG13-72/6430133#，4#GZTF08-WP-58011.4SFWG11-72/643011
孟洲坝电厂近15年平均年发电量1.5亿kw·h，年利用小时3800h～4100h，年弃水天数约60天。
2、目前存在的问题
2.1、上游蓄水位提高，机组出力未增加，机组导叶长期在偏离最优工况下运行
2001年之前，机组多数在原设计的额定水头5.3m下运行，当1#、2#机组导叶开度为90%时，可达到额定出力13MW;当3#、4#机组导叶开度为81%时，可达到额定出力11MW。因韶关市区景观要求，在满足防洪条件情况下，电厂运行水头多为7.5米至7.8米。在水头为7.5米，当1#、2#机组导叶开度为75%至80%时，即可达到额定出力13MW;3#、4#机组当导叶开度为65%至70%时，即可达到额定出力11MW。
2.2、电站入库流量增大，机组无法在设计流量下运行，造成弃水量增加
近年来，武江上游的乐昌峡水利枢纽工程、浈江上游的湾头水利枢纽均已建成投产，入库流量比电厂设计时的调节能力大为增强。水库入库流量为1100 m?/s 至1200 m?/s，而4台机组的额定总流量为880 m?/s。全年弃水天数约50天。入库流量超过机组引用流量，已超出了经济运行优区的范围，造成了较大的水资源浪费。
3、水轮发电机组增效扩容改造方案
3.1.改造的总体思路
3.1.1 增大3#、4#机组发电机容量，提高电站总的发电量
孟洲坝发电厂4台机组的水轮机参数完全一致，而1#、2#发电机出力比3#、4#发电机多2MW，因此拟定增加3#、4#发电机容量至12MW。
3.1.2 改进水轮机运行工况，减小气蚀和振动对机组的破坏，提高机组的年利用小时数
因电厂上游水库水位增加，机组运行水头增加，原设计水头为5.3m，现机组常在7.5m至7.8m水頭下运行。当水头为7.5米，3#、4#机组当导叶开度为65%至70%时，即可达到额定出力11MW。随我厂水轮机为灯泡贯流转桨式水轮机，导叶和桨叶具有协联特性，但当机组满负荷时，导叶开度低于70%，水轮机中水流特性与最优特性偏差较大，产生的机组振动和噪音也较大，由此带来的机组故障率也较高，势必会增加机组维修时间，降低年利用小时数。
因此通过增大导叶开度，提高水轮机效率，扩大机组容量，增加机组的年利用小时数。
3.2 改造的具体方案
3.2.1水轮机
水轮机转速不变，出力的提高利用增加运行中桨叶的开度实现。比照1#、2#机组的运行特点，为防止脱流空蚀引起的转轮室球面部分前仓气蚀比较严重的特点，在主体结构不变的情况下，将3#、4#机组转轮室打磨优化，并对伸缩节结构进行优化，克服原机组在伸缩节位置经常出现的渗、漏水缺陷。
3.2.2发电机
重新进行电磁计算，在仅更换定子绕组及转子绕组，不改变机组结构尺寸的条件下，满足容量由11MW增加到12MW。
3.2.2.1原条式波绕组的绝缘结构在目前的技术条件下，能够通过优化设计，提高槽满率，加大额定电流。
3.2.2.2原条式线圈端部采用并头套灌锡焊接的工艺，现在普遍采用并头板银铜焊结构，使定子绕组的整体耐热等级趋于一致，更容易保证机组安全运行。
3.2.2.3原定子通风结构不需要做改动，即可满足机组温升不高于65℃的要求（电磁计算方案计算成果显示温升为59℃。现在我们公司新设计制造的同类型机组计算温升一般都取70℃。
3.3变压器
3.3.1主变压器
电厂采用两机一变方案，原3#、4#机组共用一台容量为25MAV的变压器，增容后需要将变压器相应增容至31.5MAV。
3.3.2励磁变压器
原3#、4#机组发电机的励磁变压器容量为340KAV，机组增容后，励磁功率超出了其容量允许使用范围内，因此，励磁变压器容量需增加到500KAV。
3.4发电机电磁方案和实施工艺
3.4.1 改造前后发电机参数对照表
3#、4#机组发电机由SFWG11-72/6430增容改造为SFWG13-72/6430。
项目原发电机基本参数改造后发电机的基本参数型号SFWG11-72/6430SFWG13-72/6430额定容量11MW/12.22MVA12MW/14.44MVA额定电压6300V6300V额定电流977.5A1323.7A额定功率因数0.9（滞后）0.9（滞后）额定频率50Hz50Hz额定转速83.3r/min83.3r/min额定励磁电压156（174）V220V额定励磁电流744（830）A617A绝缘等级F/FF/F定子支路数11接线方式YY3.4.2 改造后发电机的电磁参数表 电负荷AS529.2A/cm热负荷ASxJa1651气隙磁密Bg7058GS定子齿磁密Bz1/315495GS定子轭部磁密Ba8025GS极身磁密BM1036GS直轴同步电抗Xd1.094直轴瞬变电抗Xd'0.431直轴超瞬变电抗Xd''0.321横轴同步电抗Xq0.79横轴瞬变电抗Xq'0.79横轴超瞬变电抗Xq`'0.336短路比OKZ1.095效率eff96.7%额定励磁电压Ue220V额定励磁电流Ie617A定子温升θcu159℃转子温升θcu259℃3.4.3 发电机结构改造方案
针对原有机组的特点和安装局限位置，增容改造遵循：不改动原有的大部件的装配关系和外形尺寸，仅对电机的磁路和电路进行设计优化，实现增容目的的原则。
3.4.3.1定子
1）定子在拆出定子绕组后，检查定子铁心的直径和圆度，并对铁心进行清污处理。
2）新制定子条式线圈，采用双涤纶玻璃丝包扁铜线编制、整体F级绝缘，对地绝缘和防晕层采用全模压一次成型工艺。
3）定子接线方式仍为单支路，Y型接线。
4）发电机主引出线和中性点引出线电缆为300平方电缆。
5）中性点电流互感器的电流变比改为1500/5A。
3.4.3.2转子
更换磁极线圈，磁极铁心清理回用。
4、型式和说明
4.1机组结构型式
1）型式：灯泡贯流式三相交流同步发电机。
2）布置方式：水平方式。
3）旋转方向：顺水流方向视为顺时针旋转。
4）冷却方式：有空气冷却器的密闭循环强迫通风冷却。
5）主轴支撑方式：两支点双悬臂结构，即在发电机转子下游侧设置一个推力和径向组合轴承，和水轮机径向轴承构成两支点主轴支撑方式。
6）所有绝缘材料应采用阻燃型绝缘材料，阻燃特性符合IEC要求。
4结构
（1）一般要求
a）发电机定子保留原机座，更换绕组和测温电阻。下游侧与座环用法兰连接方式不变，上游侧与中间环连接方式不变，定子绕组出线在泡体内与原主引线相连接。
b）发电机转子保留转子磁轭支架和磁极铁心，更换磁极线圈和引线。转子支架按要求进行圆度和探伤检查。
c）定子线棒满足可在不拆卸灯泡壳体的情况下进行更换的条件。转子磁极满足可在不吊出转子的情况下拆装和更换的条件。
（2）定子
a）定子包括定子机座、铁芯和绕组等主要部件，定子机座采用贴壁结构。定子在电厂厂房内重新嵌线。
b）定子铁心在嵌线前需进行尺寸和紧度、铁损试验检查。
c）定子绕组采用星形连接。绕组绝缘符合IEC34-1中规定的F级绝缘要求。绝缘材料为桐马环氧粉云母带。槽楔由不产生收缩的材料制成，槽楔的设计保证在运行中不产生松动。
d）主引出线和中性点引出线的绝缘均按线电压设计。
e）绕组具有良好的防电晕和耐电腐蚀能力，在槽部、端部等部位采取防晕措施。
f）定子绕组导体材料为退火铜，其导电性能符合标准，没有裂片、裂纹、粗糙的斑点或尖角。
g）定子线棒直线部分采用360?罗贝尔换位方式，以减少损耗降低线圈股间温差。定子线棒具有互换性。
h）绕组绝缘和线棒具有良好的电气性能、机械性能、抗老化性能和具有不燃或难燃特性，难燃特性符合IEC标准要求。
i）线棒在槽内与铁芯之间紧密无间隙。
j）绕组各部分牢固支持和固定，在任何情况下均不产生松动、位移和变形。
k）定子端箍采用非磁性材料制造。
m）绕组接头采用银铜焊接，接头绝缘与线棒至绝缘的搭接长度符合有关规定的要求。线圈端部有牢靠的支撑和固定，以防止最严重短路情况下所产生的应力引起的振动和变形。
（3）转子
a）转子支架按能安全承受最大飞逸转速5min而不产生任何有害变形及接頭开焊等情况（转子材料的计算应力不超过屈服应力的2/3）进行强度复核。保证支架圆度满足定、转子之间气隙均匀，保证运行的安全性稳定性和可靠性。
b）磁极绕组采用符合IEC标准的F级绝缘，由铜排绕制而成。磁极线圈、绝缘托板采用整体一次热压成型防潮性能优良的工艺制造。线圈间的极间连接应非常可靠，并便于检修拆卸。磁极线圈表面应涂上阻燃涂料。
c）磁极铁芯拆出后检查纵横阻尼绕阻安装的牢固性，排除由于振动、热位移和热应力及在最大飞逸转速下造成机械故障。阻尼绕组具有承受短路电流和不平衡电流的能力。阻尼条与阻尼环的连接采用银焊，阻尼绕组间采用新型柔性连接片，防止因振动和热位移而引起故障。
5、辅助设备
辅助设备的改造基本上是更换新型的自动化设备，如调速器更换为可编程双调节调速器;油气水等系统采用改造与更新的方法处理;电站通风系统的改造，则以更换所有的轴流风机，并根据厂房的实际情况，增加对流装置。
6、结论
通过对水轮机的改造，将原水轮机的效率由88%左右，提高到91%。通过对发动机的改造和增容，将降低发电机的功率损失，提高发电机的效率3%以上。通过对水轮发电机组、水力机械、电气设备等的改造，提高了水轮机、发电机等设备的效率，降低了损耗，扩容改造后每年可多发电量2867万kwh，达到了节能增效的效果。
参考文献：
[1]程良骏主编. 水轮机，机械工业出版社.1981-10，360页
[2]白延年主编. 水轮发电机设计与计算，机械工业出版社，1982-09，870页
[3]孟洲坝发电厂增效扩容改造工程初步设计报告，中国水利水电第八工程局有限公司 167页
[4]电力系统标么制（华工电力学院）李晓华 2005-06，页数265页
广东韶能集团股份有限公司孟洲坝发电厂 广东韶关 512029