低壓機組水電站現(xiàn)代化改造的優(yōu)化設(shè)計

章文裕

（福建大田縣水利局水電農(nóng)村電氣化辦公室，大田 366100）

在上世紀六十年代和七十年代，我國由縣或鄉(xiāng)、村集體開發(fā)了很多小型水電站，經(jīng)過長期運行，目前這些水電站的設(shè)施和設(shè)備已顯得比較落后，效率低，安全狀況堪憂，需要進行大范圍的更新改造。福建省大田縣近年來已對香坪水電站、大尤水電站等20余座早期建設(shè)的小型水電站進行了全面更新改造，取得了良好成效。本文根據(jù)大田縣小水電改造的實踐經(jīng)驗，論述低壓機組小容量水電站現(xiàn)代化改造的優(yōu)化設(shè)計。

1 低壓機組水電站的現(xiàn)狀特點

早期建設(shè)的低壓機組小容量水電站，其設(shè)施和機電裝備都很落后。進入本世紀初，容量較大的高壓機組在裝備上、設(shè)施上、管理上已有所提高，有些已通過更新改造基本達到小水電現(xiàn)代化的水平，但是，低壓機組小水電站的各種情況卻大不如意。當(dāng)前，不管是對老水電站的更新改造、重建或是新建，在低壓機組小容量水電站的設(shè)計上、施工上、裝備水平上，都比高壓機組水電站差，其運行維護管理也相對落后。分析其主要原因，一是設(shè)計人員對低壓機組水電站的設(shè)計，沒有很好的設(shè)計思路，沒能達到經(jīng)濟實用的要求；二是市場上缺乏適用于低壓機組的配套裝備和自動化裝置；三是現(xiàn)在小容量水電站的上網(wǎng)電價低，而發(fā)電成本高，缺乏經(jīng)濟效益支撐；四是小容量水電站運行管理水平低，跟不上社會發(fā)展的需要；五是小容量水電站按同樣的水準建設(shè)，其單位千瓦造價比大容量水電站高得多，經(jīng)濟利益上難以為繼。

2 低壓機組水電站的設(shè)備選型優(yōu)化

1）水輪機的優(yōu)選。水電站的水輪機是安全、經(jīng)濟、高效發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備之一，它關(guān)系到水能的轉(zhuǎn)換效率和運行安全?，F(xiàn)在全國大部分小水電發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)廠家已做很大改進和創(chuàng)新，裝備的制造水平及水能轉(zhuǎn)換效率有了很大提升。在小水電站改造時，應(yīng)按現(xiàn)代水輪機設(shè)備生產(chǎn)廠家的型譜性能重新進行優(yōu)化選型，而不是簡單地重復(fù)原機型（原樣換新）或僅按原機型擴大容量，否則改造就不一定能得到最佳效果。例如，香坪水電站設(shè)計水頭190m，總設(shè)計流量1.5m3/s，于1995年10月第一期投產(chǎn)2臺500kW機組，2000年12月又同樣擴裝了1臺500kW機組，都是選用某兩個廠家生產(chǎn)的CJW-70/1*9型戽斗式手動調(diào)節(jié)水輪機，單機額定過流量0.37m3/s，額定轉(zhuǎn)速750r/min，發(fā)電出力500kW（效率只有0.765），由于水輪機效率低，運行中損壞較嚴重，業(yè)主決定對整個電站進行全面更新改造，通過筆者優(yōu)化設(shè)計，選用XJE-W-55B/1*10型斜擊式手電動調(diào)節(jié)水輪機3臺，單機額定過流量0.46m3/s，額定轉(zhuǎn)速1000r/min，水輪機效率0.852，配套SFW700-6/990型無刷勵磁低壓發(fā)電機，機組額定發(fā)電出力700kW?，F(xiàn)代斜擊式水輪機相比原來的戽斗式水輪機，具有過流量大、轉(zhuǎn)速高、效率高、可靠性好、型號多等優(yōu)點，香坪水電站改造優(yōu)選了斜擊式水輪機，使機組的性能、效率、可靠性大大提高，而造價卻大大降低，3套機組比原型號設(shè)備的造價降低了約45萬元，整個水電站改造共投資約90萬元，年發(fā)電量從原來630萬kW·h提高到800萬kW·h，經(jīng)濟效益也大大提高。另外，小水電站使用的各種水輪機除特殊的控制調(diào)節(jié)要求外，一般選擇手電動調(diào)速器，即可完全配合發(fā)電機的自動調(diào)節(jié)勵磁實現(xiàn)自動開停機及負荷調(diào)節(jié)。

2）調(diào)速控制裝置的優(yōu)選。小水電站水輪機組運行調(diào)速控制裝置在設(shè)計選型上，要求簡單、可靠、適用、造價低廉，只要在開機和跳閘時能按需要自動調(diào)節(jié)，在并網(wǎng)運行中能根據(jù)水情需要，手動或自動增減出力就可以。STKW-3C型微電腦控制器，能很好地滿足小型水電站的要求。該控制器利用水輪機的手電動調(diào)節(jié)裝置，能在機組運行的各種工況下完成所需要的調(diào)節(jié)操作，還兼有同期、過頻率保護和按前池水位自動增減負荷、水情異常報警、顯示機組運行的頻率和電壓等功能，且質(zhì)量可靠、操作簡便、性價比高，適用于小型水電站。應(yīng)注意的是，該控制器要求機組在各種狀態(tài)下都要有可靠的交流電壓，因此，水輪發(fā)電機要配備可靠的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置。

3）發(fā)電機的優(yōu)選。目前小型水電站廣泛使用的大多是早期生產(chǎn)的直流勵磁機勵磁、自勵恒壓或可控硅勵磁、B級絕緣、發(fā)電效率低的低壓發(fā)電機?，F(xiàn)代農(nóng)村電網(wǎng)中的小水電站，應(yīng)該全面推廣使用無刷勵磁、F級絕緣的低壓發(fā)電機，其容量已可以做到1250kW或1600kW，轉(zhuǎn)速可以低到100r/min。例如，香坪水電站在改造前使用的是2臺直流勵磁機勵磁和1臺可控硅勵磁的500k W、990機座、B級絕緣、750r/min發(fā)電機，運行中故障多，維護工作量大、費用高，經(jīng)常影響發(fā)電，改造時選用3臺990機座、F級絕緣、1000r/min、額定出力為700kW的無刷勵磁低壓發(fā)電機，在原機座位置上改裝使用（包括水輪機，整套機組安裝改動不大）。與2010年福建省某縣的一座同樣水力條件、同規(guī)模水電站改造效果相比，香坪水電站實施的優(yōu)選方案可節(jié)省投資45萬元，水能利用率和綜合發(fā)電效率又多了約27個百分點（多發(fā)電出力600kW，年多發(fā)電170萬kW·h），顯示了優(yōu)選設(shè)計方案的重要性。

4）勵磁裝置的優(yōu)選。自動調(diào)節(jié)勵磁裝置是水輪發(fā)電機組安全并網(wǎng)優(yōu)化發(fā)電運行的關(guān)鍵設(shè)備，也是目前低壓機組小容量水電站最落后、運行人員最不方便管理的裝置。它關(guān)系到機組能否隨有功出力變化、電網(wǎng)電壓變化，根據(jù)無功發(fā)電出力（考核運行功率因數(shù)）的要求進行自動智能調(diào)節(jié)，并且在開機并網(wǎng)前自動跟蹤電網(wǎng)電壓，跳閘后在一定頻率范圍內(nèi)保持額定電壓，使自動調(diào)速器和事故照明正常發(fā)揮作用，否則機組就無法保證在各種狀態(tài)下自動安全運行?；趯畲抛詣诱{(diào)節(jié)裝置的要求，筆者研究開發(fā)了幾種適應(yīng)無刷勵磁（或直流勵磁機勵磁）低壓機組的智能多功能勵磁調(diào)節(jié)裝置，第一種是用2個單相調(diào)壓器與控制變壓器組成手動勵磁調(diào)節(jié)，該裝置價格低廉、簡單實用，基本能在并網(wǎng)狀態(tài)下自行維持一定的功率因數(shù)，在跳閘后又能自動回復(fù)到空載勵磁的位置上，主要用于小小機組；第二種是用1個較簡單的可控硅自動勵磁調(diào)節(jié)器（具有恒電壓或兼有恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能）與單相調(diào)壓器、控制變壓器組成手動、自動和手自動混合勵磁調(diào)節(jié)方式（可在運行中根據(jù)需要進行切換，可將手自動混合作為常用方式，當(dāng)用手動調(diào)節(jié)時，可在跳閘后投入自動勵磁，以保證維持機組額定電壓），適用于稍大機組；第三種是用更具智能化的可控硅自動勵磁調(diào)節(jié)裝置（具有恒電壓、恒勵磁電流、恒功率因數(shù)和恒無功功率等調(diào)節(jié)方式）與單相調(diào)壓器、控制變壓器組成手動、自動和手自動混合勵磁調(diào)節(jié)方式（特點與第二種相同），適用于較大機組；第四種是利用IGBT開關(guān)管的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置，作為最大容量無刷勵磁機（或直流勵磁機）的高低壓發(fā)電機智能勵磁調(diào)節(jié)使用；另外，還根據(jù)以前生產(chǎn)使用的可控硅勵磁有刷發(fā)電機勵磁裝置的更新?lián)Q代，設(shè)計試用逆變型直流勵磁裝置，代替原來的可控硅勵磁裝置，用于勵磁電流在500A以下、輸出電壓在150V以下的發(fā)電機勵磁，使用效果好，性能、可靠性和效率均有提高，而價格卻降低了，目前正在擴展完善其智能化調(diào)節(jié)功能。

5）同期裝置的優(yōu)選。同期并車裝置對機組開機安全并網(wǎng)也很重要，它可解決運行人員最擔(dān)心的安全操作問題?，F(xiàn)在同期裝置的產(chǎn)品很多很雜，該裝置對小機組來說，主要要求是可靠，而不要求對機組自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電壓（電壓調(diào)節(jié)可由自動勵磁完成），只要在不一定要求很苛刻的頻率差、相位差、電壓差時能可靠動作即可。為了增加可靠性，可考慮使用2個含有同期功能的綜合裝置，將2個同期裝置的同期合閘輸出回路串聯(lián)使用（應(yīng)增加1個切換為單裝置同期合閘的開關(guān)），并且不設(shè)手動合閘開關(guān)，以防止誤操作。

6）保護裝置的優(yōu)選。保護裝置是水電站安全運行的依托，沒有可靠的保護裝置，安全運行就無法實現(xiàn)。低壓機組的保護主要有過電流、過電壓、過頻率三種，其中過電流保護應(yīng)分為速斷、過電流和過負荷，整定值和延時都不同，過負荷可只用于報警；過電壓也最好分為兩種，偏高和偏低時報警，過高過低時跳閘；目前一般水電站都并入大電網(wǎng)運行，要求機組頻率在49～51Hz以外時跳閘和水機關(guān)閉即可。要實現(xiàn)這些功能，應(yīng)選用組合式微電腦綜合保護設(shè)備。在這方面，目前已開發(fā)生產(chǎn)出JY和JYL系列過電流、過電壓、過頻率保護等多種組合裝置，有的還結(jié)合同期并車用途，便于各種小水電站改造時選用。這些產(chǎn)品能在小水電站可達到的最大電壓范圍內(nèi)可靠工作。

7）顯示儀表的優(yōu)選。優(yōu)化采用指針式儀表和數(shù)字顯示儀表相結(jié)合的方法，適宜每臺機組安裝一個三相電力監(jiān)測數(shù)顯儀表，可將該儀表用作固定顯示某一主要關(guān)注的參數(shù)（如固定顯示發(fā)電功率，其他用切換顯示），其他的相關(guān)參數(shù)則用普通指針式儀表察看，這樣既經(jīng)濟又方便實用。三相電力監(jiān)測數(shù)顯儀能切換顯示電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、有功電能、無功電量等參數(shù)。這里需要說明的是，在水電站中使用的電子式儀表，與普通用電儀表有所不同，應(yīng)與廠家聯(lián)系改進提高使用電壓范圍和抗雷擊過電壓等，否則就可能產(chǎn)生不利因素，反而降低了可靠性。

8）配電屏及事故照明、機端操作測控顯示的優(yōu)選。低壓機組的配電屏與高壓機組大不相同，一般都是一機一屏綜合設(shè)置，包括一次設(shè)備和相關(guān)的控制保護裝置及測量儀表、事故照明自動投入裝置，如單機1000k W以上的低壓機組，可采用發(fā)電機出線直聯(lián)升壓變的方式，在10kV側(cè)裝戶外真空斷路器或接觸器進行控制，這種情況即可單獨裝配控制保護、測量等綜合屏。當(dāng)采用了綜合控制保護裝置后，電氣元件大幅度減少，可將這些裝置儀表安裝在柜上方儀表門和隔離開關(guān)兩側(cè)的活動門上，而柜下方空氣斷路器的兩側(cè)則安裝其他元器件、端子等，這樣方便操作和維護檢修。另外，需要強調(diào)的是，電流互感器的額定電流要在發(fā)電機最大電流的2倍左右，二次側(cè)電流減小后對儀表和保護裝置的工作會更可靠；空氣斷路器應(yīng)選擇預(yù)儲能和電磁合閘，不要使用電動合閘和接觸器合閘轉(zhuǎn)換方式；現(xiàn)代并網(wǎng)運行發(fā)電機的零線電流，一般會達到發(fā)電機額定電流的25%～40%（特別是2臺以上發(fā)電機共要變壓器并網(wǎng)，零線電流會更大），應(yīng)在配電屏的零線鋁排與發(fā)電機零線連接點串接電抗器或單相400V電力電容器，將零線電流限制在30A以下，這樣對各方面都有利；整個配電裝置一次回路接線和鋁排截面積要足夠大，要盡量縮短長度，有利于節(jié)能和提高可靠性；可在配電屏內(nèi)設(shè)事故照明自動投入功能，將事故照明燈分別設(shè)置在機房和配電室等；在機組旁邊設(shè)置現(xiàn)地操作測控顯示及并車燈等的箱柜，以方便操作使用。以上用分散的保護裝置、自動裝置來實現(xiàn)機組自動化管理，比現(xiàn)有高壓機組集中統(tǒng)一用計算機自動控制管理方案，可節(jié)省大量投資，此綜合屏的造價只比同容量機組的常規(guī)配電屏高約20%～30%，比現(xiàn)有廠家定型生產(chǎn)的低壓機組一體化自動屏節(jié)省了50%以上，又更適合農(nóng)村運行管理人員掌握使用，工作性能更可靠，維護檢修也更方便。

9）變壓器的優(yōu)選。水電站的變壓器一定要選用升壓變，在容量選擇上不要超載運行，現(xiàn)代的節(jié)能變壓器實際使用容量在額定容量的40%左右時最節(jié)能，實際使變壓器長期工作的最大容量為額定容量的80%為宜。升壓站布置要力求緊湊和方便操作巡視。

10）輸電線路及并網(wǎng)計量。輸電線路要考慮節(jié)能，線徑應(yīng)合理加大，因為現(xiàn)在導(dǎo)線的投資占線路總投資比例較少，用小截面導(dǎo)線得不償失。在防雷上，不必過分追求很低的接地電阻，關(guān)鍵是要做好均壓等電位連接，并在升壓站高壓側(cè)加裝3個11k V單相對地的100～150kVAr電力電容器，或在低壓側(cè)安裝3個0.4kV單相對地的15～25kVAr電力電容器，既可補償無功又起防雷作用，能使發(fā)電機在發(fā)電運行中提高功率因數(shù)而節(jié)能。另外，并網(wǎng)計量箱電流變比應(yīng)大些，一般額定電流要在水電站最大輸送電流的1.2倍左右，這樣，計量準確性和可靠性都比較好。

3 低壓機組水電站的水工設(shè)計優(yōu)化

1）壩、前池及進水閘門。小水電站改造時應(yīng)盡量使引水壩能達到不完全日調(diào)節(jié)以上功能（或利用上游蓄水壩調(diào)節(jié)），以便使電站在枯水期間能用小機組進行間斷開停機發(fā)電，以提高發(fā)電效率，有效增加發(fā)電量?，F(xiàn)代的小水電站前池不要求太大，但應(yīng)在前池裝設(shè)水位傳感器，結(jié)合機組微電腦控制器使用，可實現(xiàn)按來水量進行自動調(diào)節(jié)，有利于水電站的經(jīng)濟運行和多發(fā)電。前池一般可以不設(shè)進水閘門，必要時可采用鑄鐵閘門。低水頭單機單管的應(yīng)在前池分別設(shè)鑄鐵閘門，機端閘閥可省去不用，以節(jié)省投資。

2）壓力管道。管道的管徑應(yīng)適當(dāng)加大，以減少水頭損失。管道較長且適宜采用地埋的要用復(fù)合纖維管，該管材不會結(jié)水垢，水頭損失小，免維護，綜合造價比鋼管略低，相比鋼管可提高綜合經(jīng)濟效益?，F(xiàn)在復(fù)合纖維管的承受壓力可達到300m水頭左右，管徑可做成0.3～1.2m左右。

3）主機房布置及防洪排水?，F(xiàn)代低壓機組廠房的設(shè)計不能像以前那樣機房和值班室共用，應(yīng)把機房做得小些，水輪機安裝高程和廠房高度都應(yīng)適當(dāng)降低，能滿足安全操作空間、把防洪和排水做好即可，但應(yīng)把配電室兼值班室做的較大些，地面也應(yīng)適當(dāng)提高，機房、配電值班室、升壓站等應(yīng)布置緊湊，這樣可增加利用水頭多發(fā)電和減少投資。

4）配電室值班室及生活區(qū)布置。容量小的水電站配電室應(yīng)兼作為值班室使用，使用面積要大些，水電站容量較大的可另建值班室，可放監(jiān)控電腦電視等，值班室（配電室）應(yīng)有隔音通風(fēng)和抽風(fēng)降溫設(shè)備，而生活區(qū)或宿舍應(yīng)與值班室連在一起或比較靠近，以便管理?，F(xiàn)在水電站的管理已趨于少人值守，而注重于一次性將設(shè)備及自動化搞好，以長久節(jié)省人工運行費用，人員生活區(qū)就自然減少了。

5）尾水位及尾水渠。對于沖擊式水輪機組，下游尾水位不能太高，下游尾水位太高淹沒了尾水坑就不能發(fā)電，在建設(shè)時應(yīng)在水輪機座上設(shè)較大的通氣孔，對運行很有好處。對于反擊式水輪機組，尾水渠則應(yīng)適當(dāng)降低（廠房水輪機層也相應(yīng)降低），如果尾水渠是較長涵洞時，應(yīng)在廠房邊的尾水渠（涵洞）上方設(shè)通氣孔，否則也會影響發(fā)電運行。

4 低壓機組水電站的科學(xué)管理

小水電站要搞好管理，信息化設(shè)施建設(shè)必不可少。要能及時掌握上游來水情況、本電站引水壩或水庫及前池的水位、來水量等信息，就要通過安裝傳感器采集傳送到值班室，并與水電站發(fā)電運行情況的信息，綜合通過監(jiān)控電腦發(fā)送到縣監(jiān)控中心（網(wǎng)站），實行信息共享，以便縣電力調(diào)度部門、防汛部門及電站業(yè)主都能及時了解水電站的各種運行信息，尤其是業(yè)主能及時監(jiān)控電站的各種運行情況，及時排除故障和不利因素，搞好優(yōu)化運行提高效益。大田縣已在20多座水電站建立了通用共用監(jiān)控系統(tǒng)（監(jiān)控中心網(wǎng)站），取得了較好的效果。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，福建省有近200萬kW的小水電站需要更新改造，這些水電站更新改造后，可增加裝機容量約100萬kW，每年可增加發(fā)電量約30億kW·h，安全生產(chǎn)水平可大大提高，對搞好節(jié)能減排和環(huán)境保護工作都有重要意義。要全面搞好小水電站的更新改造，實現(xiàn)農(nóng)村水電現(xiàn)代化，水行政主管部門應(yīng)義不容辭承擔(dān)起這個職責(zé)，采取有效措施，給予各方面指導(dǎo)和大力支持。對于小水電站更新改造工程的審批，應(yīng)按當(dāng)前相關(guān)河段的綜合開發(fā)利用規(guī)劃進行復(fù)核，審查是否需要改變相關(guān)水電開發(fā)規(guī)劃進行改建重建，對于無需改變水電規(guī)劃的水電站改造項目的審查審批應(yīng)簡化手續(xù)，以更新改造方案的優(yōu)化論證為主。

在各水電站更新改造完成后，相關(guān)部門應(yīng)根據(jù)改造工程驗收情況，按新規(guī)定的小水電上網(wǎng)標(biāo)桿電價，重新審定水電站的上網(wǎng)價格，以提高水電站的經(jīng)濟效益，使水電站實施改造的投資得到合理回報。