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摘要：本文根据东深供水工程对港二期电站历年运行情况，分析论证了东深供水工程对港二期电站增容改造原因及其改造的方案，提出水电站增容改造的设计要点与重点的探讨。
关键词：水电站增容方案分析要点
中图分类号：TV731文献标识码： A 文章编号：
一、电站基本概况
东深供水工程对港二期电站位于深圳市罗湖区深圳水库下游东湖公园内，利用由深圳水库向香港供水的流量和落差发电，电站为坝后式厂房，集中引水，压力钢管直径2.8m，厂房前分三叉，分别连两台水轮机进水蝶阀和一个锥形阀。。电站装机容量2×1600kW，水轮机型号：HL260-LJ-145，水轮机额定水头17.7m，额定流量：12m3/s，水轮机额定出力1700kW，额定转速：214.3rpm，发电机额定功率1600kW，额定电压：6.3kV，功率因数：0.8，水轮机额定点效率82%左右，发电机额定点效率约94.5%，机组转动惯量52t-m2。
二、增容改造的必要性
1、电站运行参数的改变
东深供水工程对港二期电站自1984年投产运行以来，现已运行29年，电站科学管理，合理调度，有固定的大小修周期。近年来机组常规运行水头范围20~23 m，与电站原设计水头范围存在偏差。对港供水的流量范围为18~32 m3/s，根据流量范围分配机组开启台数，出现最大、最小流量的时间均为2~3个月，最常出现的供水流量范围为20~30 m3/s。由以上数据可以看出，由于水库水位的变化，现机组运行水头、流量范围均有所提高，与原设计水头范围存在较大偏差，造成不小的资源浪费，改造刻不容缓。
2、机组出力下降
电站投产运行以来，机组出力均达到或者超过设计出力。随着时间的推移，近年来，机组出力逐渐下降，现机组单机运行范围实际控制在800~1500kW，过高或者过低都会引起设备振动超标。
根据电站近年来机组大修及安全鉴定报告分析，造成机组出力下降的主要原因有四：一是机组运行时，由于进水阀门关闭不严，导水机构导叶关闭不严，存在漏水，导致引用流量减少，机组出力下降；二是水轮机老化，锈蚀严重，应用流量增大而水流作用面积减少，出力下降；三是机组运行时振动严重，消耗了能量，降低了发电力；四是设备严重老化，尤其是机组带病运行，效率显著下降，且维修工作量增大，相应缩短了发电时间，出力减少。
3、设备严重老化
电站投产至今已近30年，水轮机导水叶间隙大，顶盖、底环、导叶等锈蚀磨损严重，与导叶各配合间隙超标，造成导水机构漏水严重，有时出现停机刹车后关不死机；水轮机效率下降；大修时测得1#发电机A相绝缘电阻和吸收比都较低，不满足规范要求，发电机绝缘老化严重，由于发电机绝缘老化，电站运行中不敢让机组带更大出力运行；机组单机出力运行范围实际只能控制在800kW～1500kW，机组运行稳定性较差；辅助设备已使用近30年，特别是高压气系统、供水及通风系统，设备陈旧；电站进水蝶阀及其油压装置，从1984年投运，已超过25年使用年限，从安全运行的角度，改造迫在眉睫。
三、改造方案
1、主机部分
（1）机组的选型
水轮机改造原则，除保留埋入部件外，更换其它所有部件。根据电站实际情况重新选用新的水轮机，由于蜗壳进口与尾水管的位置、尺寸不宜改变，因此新的水轮机选型受到限制。
电站现实际经常运行水头范围20～23米，与原设计水头范围存在较大偏差，最常出现的供水流量实际在20～30 m3/s之间，理论上单机可增大到近2500kW；由于受限于对港供水管道，同时考虑到改造后机组的发电机基础及厂房土建部分的承载力等因素，流量维持在原额定流量12m3/s左右，将额定水头提高到20m；经过对水轮发电机厂商的初步调研，适合选用的水轮机型号有HLD260B-LJ-145和HLTF50-LJ-145，两种机型导叶高度与原有机型一样，机组容量可增至2000kW，水轮机仅更换转轮，推荐更换活动导水叶、导叶密封件、主轴密封及轴承等。
在额定转速选择方面，若采用额定转速214.3r/min不变的方案，水轮机、发电机轴不用更换，发电机仅更换定子线圈、转子磁极、空冷器（含测温）、碳刷及集电环、转子引线、自动化元件，推力轴承采用金属塑料瓦，定子需运回厂进行处理，其他部件可直接在电站进行更换和安装，改造后水轮机额定点效率可提高到89%，发电机绝缘等级提高至F级；同样的水轮机，若额定转速提高到250r/min，水轮机、发电机轴均将更换，发电机除机座外全换，水轮机额定效率可提高至93 %以上，同时由于转速提高，发电机尺寸减少，对发电机基础及厂房土建部分的承载有利。比较两个方案，250r/min方案（发电机及主轴等全换）在设备价格上比214.3r/min方案（发电机部件部分更换）高出近100万，但若考虑拆卸、运输、部件重新试验检验鉴定等费用，214.3r/min方案优势不明显，且250r/min方案水轮机效率可相对提高约4%，因此，现阶段推荐额定转速250r/min方案。
初拟机组主要参数如下：
水轮机型号： HLD260B-LJ-145
额定水头： 20m
额定流量： 11.49m3/s
额定转速： 250r/min
额定效率 ： 93.4%
发电机型号： SF2000-24/2860
额定电压： 6.3kV
发电机效率： 94.8%
飞逸转速： 546r/min
水轮机运转特性曲线见图1、图2。
图1 （HLD260B-LJ-145 运转特性曲线214.3r/min）
图2 （HLD260B-LJ-145 运转特性曲线250r/min）
（2）调速器
调速器于2006年更换，型号YDT-1800。由于机组改造后，单机容量由1600kW增加至2000kW，初步计算调速器的调节功会有所加大，建议更换调速器。如果机组选定后经核算调速器的调节功足够，则只需要更换主配压阀，以解决调速器出现的溜负荷、漏油、锁定不了等问题。
（3）进水阀
现水轮机进水蝶阀直径1.75m，两台机共用一台油压装置，油压装置额定压力2.5MPa。按照新的压力容器运行规范，油压装置已到报废年限，通过对制造厂咨询调研，现水轮机进水蝶阀多采用一阀配一台油压装置的方式，且多采用体积较小的高压油压装置。根据电站进水蝶阀的实际布置情况，新的进水阀采用直径为1.75m双接力器（不带重锤）的液控蝶阀，每台配一套额定压力16MPa的油压装置和电气控制柜，压力油源可实现无电黑启动（手摇泵和直流电源）。
2. 辅助机械设备
（1）供水系统
电站技术供水方式不变，仍采用进水阀前取水的自流供水方案，技术供水与生活用水、消防供水合成一个系统，但由于机组容量增加到2000kW后，水轮机和发电机轴承冷却用水会相应增加，机组供水总管可能由DN125增大至DN150，管路需全部更新。机组各冷却器的排水管上加装新型流量开关，以便监视水流，并在每台机组的技術供水总管上加设一台电动阀，以满足电站计算机监控的需要。发电机层消火栓和发电机消防用水也取自技术供水总管，电站的最大毛水头只有23.4m，而发电机灭火供水水压需要3kg/cm2，因此需增加两台管道泵加压满足消防用水需要。
（2）排水系统
机组检修排水泵和渗漏排水泵运行近30年，有一定漏水，存在安全隐患，列入此次改造范围。对检修排水和渗漏排水系统中锈蚀严重和需要改变管径的管道进行更换。
（3）压缩空气系统
电站低压压缩空气系统，主要用于机组制动和检修。低压空压机已更换，因此本次改造不对低压压缩空气系统进行改造。
更新两台高压气机，冷却方式改为风冷式，容量0.33m3/min，压力30kg/cm2，一台主用，一台备用。更换1m3高压气罐1个及气罐上装设的电接点压力表等。
（4）起重设备
现有的厂房电动桥式起重机为30/5t，机组容量增到2000kW后，新机组设备最重起吊件约23吨，从起吊重量方面来说可以满足要求，但由于使用时间较久（近30年），应委托有资质的单位进行检测，根据检测情况进行改造，更新自动化元件、控制箱、电机、电缆，对其它部分进行大修和保养。
四、结束语
通过这次对东深供水工程对港二期电站的增容改造设计，让我学习到水电站增容改造所具有的必要性及其社会经济效益性。水电站的技术更新改造，首先是更新已经达到使用年限的机电设备和对年久达不到运行标准的水工建筑物进行修复，再就是根据现在变化了的水利电力环境，改造已不适应现有条件的设备和建筑物。因此，电站的技术更新改造，不仅是在原来的技术水平上以新换老，而是一个再创造的过程，实际上牵涉到水力资源配置的重新考虑以及合理利用问题，节约用水，电力市场需求，环境保护等问题，寻求适应不断发展的社会经济的需要问题。
另外，通过这次设计让我了解到小型水电站的技术改造，必须贯彻“四性”原则，即先进性、合理性、经济型和特殊性。应该针对各个电站的具体情况，因地制宜，进行优化设计。结合和妥善处理本地安装的不可变更或不宜变更的制约条件，择优选用一个性能先进、技术成熟的好转轮和配套性能先进、运行可靠的水轮发电机及其辅助设备；在有限的投资情况下，尽量增加年发电量，提高水电站的经济效益，并且特殊问题用特殊办法处理。
参考文献
[1]李吉川，水轮发电机组的增容改造[J]，广西电力技术，1999（1）。
[2]郑建兴，浅析中小型水力机组运行稳定性[J]，中国农村水利水电，2002（6）。
[3]张亚利，水轮发电机组缺陷的完善与改造[J]，中国农村水利水电，2002（6）。
[4]水电站机电设计手册编写组，水电站机电设计手册（水力机械），水利电力出版社1983（11）。
[5]2006-2010年機组大修报告及2011年东深供水工程安全鉴定报告。
关键词：水电站增容方案分析要点
中图分类号：TV731文献标识码： A 文章编号：
一、电站基本概况
东深供水工程对港二期电站位于深圳市罗湖区深圳水库下游东湖公园内，利用由深圳水库向香港供水的流量和落差发电，电站为坝后式厂房，集中引水，压力钢管直径2.8m，厂房前分三叉，分别连两台水轮机进水蝶阀和一个锥形阀。。电站装机容量2×1600kW，水轮机型号：HL260-LJ-145，水轮机额定水头17.7m，额定流量：12m3/s，水轮机额定出力1700kW，额定转速：214.3rpm，发电机额定功率1600kW，额定电压：6.3kV，功率因数：0.8，水轮机额定点效率82%左右，发电机额定点效率约94.5%，机组转动惯量52t-m2。
二、增容改造的必要性
1、电站运行参数的改变
东深供水工程对港二期电站自1984年投产运行以来，现已运行29年，电站科学管理，合理调度，有固定的大小修周期。近年来机组常规运行水头范围20~23 m，与电站原设计水头范围存在偏差。对港供水的流量范围为18~32 m3/s，根据流量范围分配机组开启台数，出现最大、最小流量的时间均为2~3个月，最常出现的供水流量范围为20~30 m3/s。由以上数据可以看出，由于水库水位的变化，现机组运行水头、流量范围均有所提高，与原设计水头范围存在较大偏差，造成不小的资源浪费，改造刻不容缓。
2、机组出力下降
电站投产运行以来，机组出力均达到或者超过设计出力。随着时间的推移，近年来，机组出力逐渐下降，现机组单机运行范围实际控制在800~1500kW，过高或者过低都会引起设备振动超标。
根据电站近年来机组大修及安全鉴定报告分析，造成机组出力下降的主要原因有四：一是机组运行时，由于进水阀门关闭不严，导水机构导叶关闭不严，存在漏水，导致引用流量减少，机组出力下降；二是水轮机老化，锈蚀严重，应用流量增大而水流作用面积减少，出力下降；三是机组运行时振动严重，消耗了能量，降低了发电力；四是设备严重老化，尤其是机组带病运行，效率显著下降，且维修工作量增大，相应缩短了发电时间，出力减少。
3、设备严重老化
电站投产至今已近30年，水轮机导水叶间隙大，顶盖、底环、导叶等锈蚀磨损严重，与导叶各配合间隙超标，造成导水机构漏水严重，有时出现停机刹车后关不死机；水轮机效率下降；大修时测得1#发电机A相绝缘电阻和吸收比都较低，不满足规范要求，发电机绝缘老化严重，由于发电机绝缘老化，电站运行中不敢让机组带更大出力运行；机组单机出力运行范围实际只能控制在800kW～1500kW，机组运行稳定性较差；辅助设备已使用近30年，特别是高压气系统、供水及通风系统，设备陈旧；电站进水蝶阀及其油压装置，从1984年投运，已超过25年使用年限，从安全运行的角度，改造迫在眉睫。
三、改造方案
1、主机部分
（1）机组的选型
水轮机改造原则，除保留埋入部件外，更换其它所有部件。根据电站实际情况重新选用新的水轮机，由于蜗壳进口与尾水管的位置、尺寸不宜改变，因此新的水轮机选型受到限制。
电站现实际经常运行水头范围20～23米，与原设计水头范围存在较大偏差，最常出现的供水流量实际在20～30 m3/s之间，理论上单机可增大到近2500kW；由于受限于对港供水管道，同时考虑到改造后机组的发电机基础及厂房土建部分的承载力等因素，流量维持在原额定流量12m3/s左右，将额定水头提高到20m；经过对水轮发电机厂商的初步调研，适合选用的水轮机型号有HLD260B-LJ-145和HLTF50-LJ-145，两种机型导叶高度与原有机型一样，机组容量可增至2000kW，水轮机仅更换转轮，推荐更换活动导水叶、导叶密封件、主轴密封及轴承等。
在额定转速选择方面，若采用额定转速214.3r/min不变的方案，水轮机、发电机轴不用更换，发电机仅更换定子线圈、转子磁极、空冷器（含测温）、碳刷及集电环、转子引线、自动化元件，推力轴承采用金属塑料瓦，定子需运回厂进行处理，其他部件可直接在电站进行更换和安装，改造后水轮机额定点效率可提高到89%，发电机绝缘等级提高至F级；同样的水轮机，若额定转速提高到250r/min，水轮机、发电机轴均将更换，发电机除机座外全换，水轮机额定效率可提高至93 %以上，同时由于转速提高，发电机尺寸减少，对发电机基础及厂房土建部分的承载有利。比较两个方案，250r/min方案（发电机及主轴等全换）在设备价格上比214.3r/min方案（发电机部件部分更换）高出近100万，但若考虑拆卸、运输、部件重新试验检验鉴定等费用，214.3r/min方案优势不明显，且250r/min方案水轮机效率可相对提高约4%，因此，现阶段推荐额定转速250r/min方案。
初拟机组主要参数如下：
水轮机型号： HLD260B-LJ-145
额定水头： 20m
额定流量： 11.49m3/s
额定转速： 250r/min
额定效率 ： 93.4%
发电机型号： SF2000-24/2860
额定电压： 6.3kV
发电机效率： 94.8%
飞逸转速： 546r/min
水轮机运转特性曲线见图1、图2。
图1 （HLD260B-LJ-145 运转特性曲线214.3r/min）
图2 （HLD260B-LJ-145 运转特性曲线250r/min）
（2）调速器
调速器于2006年更换，型号YDT-1800。由于机组改造后，单机容量由1600kW增加至2000kW，初步计算调速器的调节功会有所加大，建议更换调速器。如果机组选定后经核算调速器的调节功足够，则只需要更换主配压阀，以解决调速器出现的溜负荷、漏油、锁定不了等问题。
（3）进水阀
现水轮机进水蝶阀直径1.75m，两台机共用一台油压装置，油压装置额定压力2.5MPa。按照新的压力容器运行规范，油压装置已到报废年限，通过对制造厂咨询调研，现水轮机进水蝶阀多采用一阀配一台油压装置的方式，且多采用体积较小的高压油压装置。根据电站进水蝶阀的实际布置情况，新的进水阀采用直径为1.75m双接力器（不带重锤）的液控蝶阀，每台配一套额定压力16MPa的油压装置和电气控制柜，压力油源可实现无电黑启动（手摇泵和直流电源）。
2. 辅助机械设备
（1）供水系统
电站技术供水方式不变，仍采用进水阀前取水的自流供水方案，技术供水与生活用水、消防供水合成一个系统，但由于机组容量增加到2000kW后，水轮机和发电机轴承冷却用水会相应增加，机组供水总管可能由DN125增大至DN150，管路需全部更新。机组各冷却器的排水管上加装新型流量开关，以便监视水流，并在每台机组的技術供水总管上加设一台电动阀，以满足电站计算机监控的需要。发电机层消火栓和发电机消防用水也取自技术供水总管，电站的最大毛水头只有23.4m，而发电机灭火供水水压需要3kg/cm2，因此需增加两台管道泵加压满足消防用水需要。
（2）排水系统
机组检修排水泵和渗漏排水泵运行近30年，有一定漏水，存在安全隐患，列入此次改造范围。对检修排水和渗漏排水系统中锈蚀严重和需要改变管径的管道进行更换。
（3）压缩空气系统
电站低压压缩空气系统，主要用于机组制动和检修。低压空压机已更换，因此本次改造不对低压压缩空气系统进行改造。
更新两台高压气机，冷却方式改为风冷式，容量0.33m3/min，压力30kg/cm2，一台主用，一台备用。更换1m3高压气罐1个及气罐上装设的电接点压力表等。
（4）起重设备
现有的厂房电动桥式起重机为30/5t，机组容量增到2000kW后，新机组设备最重起吊件约23吨，从起吊重量方面来说可以满足要求，但由于使用时间较久（近30年），应委托有资质的单位进行检测，根据检测情况进行改造，更新自动化元件、控制箱、电机、电缆，对其它部分进行大修和保养。
四、结束语
通过这次对东深供水工程对港二期电站的增容改造设计，让我学习到水电站增容改造所具有的必要性及其社会经济效益性。水电站的技术更新改造，首先是更新已经达到使用年限的机电设备和对年久达不到运行标准的水工建筑物进行修复，再就是根据现在变化了的水利电力环境，改造已不适应现有条件的设备和建筑物。因此，电站的技术更新改造，不仅是在原来的技术水平上以新换老，而是一个再创造的过程，实际上牵涉到水力资源配置的重新考虑以及合理利用问题，节约用水，电力市场需求，环境保护等问题，寻求适应不断发展的社会经济的需要问题。
另外，通过这次设计让我了解到小型水电站的技术改造，必须贯彻“四性”原则，即先进性、合理性、经济型和特殊性。应该针对各个电站的具体情况，因地制宜，进行优化设计。结合和妥善处理本地安装的不可变更或不宜变更的制约条件，择优选用一个性能先进、技术成熟的好转轮和配套性能先进、运行可靠的水轮发电机及其辅助设备；在有限的投资情况下，尽量增加年发电量，提高水电站的经济效益，并且特殊问题用特殊办法处理。
参考文献
[1]李吉川，水轮发电机组的增容改造[J]，广西电力技术，1999（1）。
[2]郑建兴，浅析中小型水力机组运行稳定性[J]，中国农村水利水电，2002（6）。
[3]张亚利，水轮发电机组缺陷的完善与改造[J]，中国农村水利水电，2002（6）。
[4]水电站机电设计手册编写组，水电站机电设计手册（水力机械），水利电力出版社1983（11）。
[5]2006-2010年機组大修报告及2011年东深供水工程安全鉴定报告。