居龙潭水电厂发电机组增容改造可行性研究

唐 凯

(江西赣能智慧能源有限公司，330096，南昌)

0 引言

农村山区的中小型水电站在提供电力的同时，部分还承担了防洪、灌溉等功能，有效减少了森林砍伐和水土流失，是我国能源体系中的重要组成部分，历史上曾经发挥过积极的作用[1-3]。特别是20世纪80年代以来，农村水电的建设大大促进了农村电网的建设，农业农村的电气化水平大大提高，迅速改善了山区的面貌[4-5]。随着农村水电开发程度的提高，以及经济社会的快速发展，水电生态环境影响受到更多的关注，坚持生态优先、绿色发展成为水电行业发展的重要标准[6-7]。

近年来，在全球应对气候变化背景下，能源转型、绿色发展逐渐成为民众共识和政府发展的战略[8-10]。特别是2021年我国提出要在2030年前实现碳达峰、2060年实现碳中和的战略目标以来，水电作为一种零碳能源，在双碳目标中将扮演非常重要的角色[11-15]。但部分中小水电站由于运营时间久远，受当时设计标准、装备水平、施工技术等限制，迫切需要进行增效扩容改造，以提高发电效能，消除安全隐患，改善生态环境状况[16-18]。

江西赣能股份有限公司居龙潭水电厂(以下简称“居电”)位于江西省赣州市赣县区大田乡夏湖村，距县城23 km。坝址控制流域面积7 739 km2，电站总装机容量60 MW，多年平均发电量 1.97 亿kWh，属于日调节径流式水电站，是桃江干流规划的最末一级。在桃江流域上游已经开发了五羊、铁石口、信丰等电站，均是径流式水电站，流域水库属于日调节水库。由于水库群特性的原因，水库调节能力受限，每年汛期居电弃水电量高达3 750 万kWh，为了提高水能利用率，减少弃水电量，计划将机组容量从30 MW提高至32 MW。

1 增容改造电气方案

水电站增容改造电气方案设计主要遵循以下原则：1)遵循有关节能法律法规和相关政策；2)淘汰落后耗能设备，选用节能设备和产品；3)在工程设计中贯彻节能思想，优先选择节能的设计方案；4)加强节能管理，分析能耗指标，明确节能目标，落实节能措施。

三相交流同步发电机功率计算公式如下：

式中：P为功率，U为定子电压，I为定子电流，cosφ为功率因数。

从上式可以看出，要提高发电机容量(P)，就需要提高定子电压(U)或定子电流(I) 或功率因数(cosφ)。提高机组定子电压(U)或定子电流(I)的方式来进行发电机增容，则定子、机端母线设备、主变压器等也必须进行相应的技术改造，相对来说这技改工程复杂程度高、经济成本大。居电拟在机组现有的结构不作改变，定转子、机端母线设备、主变压器等不进行技术改造的基础上，将额定功率因数(cosφ)由原0.90(滞后)提高至0.95(滞后)，来实现机组容量增容至32 MW的技改目的。

2 电磁参数

改造后，额定功率因数(cosφ)由原0.90(滞后)提高至0.95(滞后)，机组容量从30 MW增至32 MW后，发电机主要参数对比如表1。

表1 增容改造前后发电机主要参数

由表1可以看出，增容改造后，发电机功率因数、视在功率、发电机额定电流均有相应的提高，从而对发电机组的电抗参数及时间常数、电热负荷、磁通密度、励磁参数等数据也生产了影响，分别复核额定功率因数cosφ=0.9和cosφ=0.95时，复核结果如表2。

表2 增容改造前后发电机额定功率因数复核结果

2.1 电抗参数

由表2可以看出，额定功率因数(cosφ)从0.9提高至0.95，对电抗参数产生的影响均在±2%以内，这对增容后的发电机短路电流的大小影响不大。

2.2 电热负荷

从表3看出，额定功率因数(cosφ)从0.9提高至0.95，对电热负荷产生的影响(除热负荷2%外)均在1%左右，这对增容后的发电机通风冷却系统不需要进行相应技术改造，也能保证机组温升在设计值以内。

表3 增容改造后发电机短路电流

2.3 励磁参数

根据上述电磁设计复核计算结果对比可以得出，发电机增容至32 MW、功率因数为0.95时，发电机的电磁负荷和电抗参数变化较小；定子和转子的温升略有提高，但都在保证值且在合适的范围内；增容后额定励磁电流无原则变化，所需的空冷器容量也无原则变化，因此可以判断，发电机可以增容至32 MW并满足长期安全稳定运行要求。另外发电机增容后原励磁系统和冷却系统也无需进行增容改造。综合评价，对于发电机的电磁设计，增容至32 MW、额定功率因数为0.95是完全可行的。

3 发电机组温升

增容改造后，通过提高功率因数(cosφ)，将机组容量从30 MW增至32 MW，虽然额定电流、电压与原设计没有改变，但是电机的电磁参数、电热负荷等变化引起机组运行时温度升高的变化，根据计算发电机组温升结果如表5。

表4 增容改造后发电机励磁参数

表5 增容改造后发电机组温升

根据上述电磁设计复核计算结果对比可以得出，发电机增容至32 MW、功率因数为0.95时，发电机的电磁负荷和电抗参数变化较小；定子和转子的温升略有提高，但都在保证值且在合适的范围内；增容后额定励磁电流无显著变化，所需的空冷器容量也无显著变化，因此可以判断，发电机可以增容至32 MW并满足长期安全稳定运行要求。另外发电机增容后原励磁系统和冷却系统也无需进行增容改造。综合评价，对于发电机的电磁设计，增容至32 MW、额定功率因数为0.95是完全可行。

4 轴承负荷

机组容量从30 MW增至32 MW，轴向水力由此相应增加。根据轴向水推力公式计算：

式中：FW为轴向水推力，K为轴向水推力系数，Di为转轮名义直径(m)，Hmax为最大水头(m)。推力轴承进行了核算，结果如表6。

表6 增容改造后推力轴承负荷

增容后，随着推力负荷由305 t提高到321 t，油膜厚度有微小降低，但依然远高于允许的最小油膜厚度；油膜温度略有提高，但仍低于允许温度。冷却所需油量增加2.6%，但相对原设计给定的流量已有充分的裕度。因此，可在不改变润滑油循环系统及推力轴承结构的条件，实现增容运行。

5 机械强度

电机组有功自30 000 kW提高到32 000 kW，将功率因数从0.90提高到0.95，对照定子机座刚度相关设计基准进行复核，结果如表7。

表7 增容改造后定子机座机械强度

由上述计算成果对比表明：发电机机座刚度有充分裕度。在机组额定工况下，齿压板、压指及拉紧螺杆所受应力无变化。在机组突然短路故障时，各部应力也无原则变化。由于机组增容后水轮机的飞逸转速不变，发电机转子最恶劣工况的应力不会变化。在发电机组飞逸转速保持不变的条件下，各部件应力水平符合相关设计规范要求。

6 结束语

水电在我国能源体系中占有重要的地位。部分建于20世纪的中小型水电站由于设计、标准、施工等原因，亟需进行扩容改造，以提高发电效率，消除安全隐患，提高生态环境效益。本文通过分析和校核，将发电机组额定功率因数(cosφ)由原0.90(滞后)提高至0.95(滞后)来实现机组容量由30 MW增至32 MW在技术上是可行的。提高额定功率因数的改造方案可以在不改变定子、机端母线设备、主变压器的基础上实施，并有效降低了改造成本。本文的改造方案对于同类水电发电机组的增容改造具有一定的借鉴意义。