水電站現(xiàn)存問題與增效擴(kuò)容設(shè)計(jì)方案

徐景金

龍門縣水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)室 廣東龍門 516800

摘要：對(duì)老化的水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造后，能提高水電站的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。本文分析了某電站的情況，該電站設(shè)備嚴(yán)重老化，自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)效率低下，安全性低，通過制定和實(shí)施有效的增效擴(kuò)容改造方案之后，有效地利用水資源，提高安全性能，提高發(fā)電效率。

關(guān)鍵詞：水電站；存在問題；增效擴(kuò)容；改造方案

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各地的水電站興建項(xiàng)目越來越多，為城市的人們提供著每日必需的能源，成為了城市運(yùn)作的重要組成部分。但是，由于一些水電站年久失修，出現(xiàn)了例如設(shè)備老化、生產(chǎn)效率低下、安全隱患大等的缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了水電站的正常運(yùn)行。如何解決這些問題成為了人們處理的工作。下面以某水電站為例進(jìn)行討論。

1電站概況

某水庫電站為壩后式電站，是該地水庫主體工程的重要組成部分，于1976年正式建成發(fā)電，現(xiàn)有機(jī)組3臺(tái)，總裝機(jī)容量7030kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1450萬kW·h；其中2臺(tái)立式機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量3200kW，發(fā)電設(shè)計(jì)水頭30.5m，最大水頭43m，最小水頭24.4m，發(fā)電設(shè)計(jì)流量12.6m3/s，水輪機(jī)型號(hào)為HL240-LJ-140，發(fā)電機(jī)型號(hào)為TS325-36-20。另一臺(tái)機(jī)組為裝機(jī)容量630kW的臥式機(jī)組，發(fā)電設(shè)計(jì)水頭26.3m，最大水頭36m，最小水頭16m，設(shè)計(jì)流量3.21m3/s，水輪機(jī)型號(hào)為HL240-WJ-71，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFW630-12-1430。3臺(tái)機(jī)組經(jīng)由1條3.8km的66kV線路并入電網(wǎng)。

由于當(dāng)時(shí)的建設(shè)條件及其他諸多原因，建成后所實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)值相比尚有一定差距，平均年發(fā)電量僅占設(shè)計(jì)值的63%，因此該電站增效改造的潛力很大。

2電站現(xiàn)狀及存在的問題

2.1機(jī)組老化，發(fā)電量低

（1）電站實(shí)際裝機(jī)容量比根據(jù)水文、水能參數(shù)確定的裝機(jī)容量小10%，主要是因?yàn)?0世紀(jì)80年代以前，水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品定型生產(chǎn)，規(guī)格品種較少，設(shè)計(jì)選型是套用現(xiàn)成機(jī)型，所以很難滿足電站實(shí)際需要。電站由于徑流資料參數(shù)的改變，原設(shè)計(jì)選用的水輪發(fā)電機(jī)組已不適應(yīng)改變了的水力參數(shù)，機(jī)組技術(shù)指標(biāo)低、效率低。

（2）機(jī)型老化，轉(zhuǎn)輪效率低。該水庫電站的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是參照美國和蘇聯(lián)早期的技術(shù)參數(shù)，其能量和空蝕指標(biāo)低，一般制造廠提供的設(shè)計(jì)點(diǎn)的真機(jī)效率最高只有84%～85%，比現(xiàn)在生產(chǎn)的機(jī)組效率至少低10個(gè)百分點(diǎn)，應(yīng)該抓緊更新改造。

（3）機(jī)組運(yùn)行區(qū)嚴(yán)重偏離轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況，空蝕嚴(yán)重、效率低。主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)定型產(chǎn)品規(guī)格少，不能滿足一些電站需要，造成機(jī)組選型不當(dāng)；機(jī)組轉(zhuǎn)速檔次大，又沒有合適的增速裝置，勉強(qiáng)使用，致使機(jī)組空蝕嚴(yán)重、效率低、振動(dòng)噪音大。機(jī)組只能發(fā)到額定出力的60%～70%。

（4）制造工藝落后、質(zhì)量差。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪大多采用鑄造工藝，其結(jié)構(gòu)簡單，葉片線型誤差大，加工粗糙，光潔度差，造成水流脫流，引起機(jī)組振動(dòng)、空蝕、效率降低，轉(zhuǎn)輪效率僅在70%左右。

2.2自動(dòng)化程度低

（1）快速檢修閥門存在的問題。2臺(tái)機(jī)組蝴蝶閥開啟及關(guān)閉速度慢，對(duì)機(jī)組保護(hù)不足，設(shè)備多，占用空間大。運(yùn)行過程中，出現(xiàn)過因旁通閥無法打開而造成蝴蝶閥無法開啟的故障，影響了機(jī)組發(fā)電及農(nóng)灌時(shí)間。1號(hào)蝴蝶閥環(huán)形接力器還存在漏油的現(xiàn)象。3號(hào)蝴蝶閥為電動(dòng)閥，當(dāng)遇廠內(nèi)失去電力時(shí)，無法關(guān)閉，是重大安全隱患。

（2）勵(lì)磁系統(tǒng)存在的問題。目前1、2號(hào)機(jī)組采用直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置為電磁式相復(fù)勵(lì)裝置，勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)設(shè)備，故障幾率高，整流子磨損嚴(yán)重，電刷火花等級(jí)高，加大了檢修工作。

（3）調(diào)速器存在的問題。3臺(tái)調(diào)速器均為機(jī)械式調(diào)速器，調(diào)速功能簡單，無法與自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)匹配。

（4）保護(hù)裝置存在的問題。現(xiàn)保護(hù)裝置均為老式的電磁式繼電器，且多為1974年的產(chǎn)品，使用時(shí)間久，同型號(hào)產(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)上淘汰，繼電器本身已經(jīng)達(dá)不到對(duì)繼電保護(hù)的可靠性及靈敏性要求。

2.3其他問題

（1）現(xiàn)電站電纜使用年限已近40a，電纜布局不合理，老化嚴(yán)重，無必要的阻燃措施，安全隱患極大，需更換。

（2）現(xiàn)電站起重機(jī)大小車滑道均為裸露滑道，限位開關(guān)及剎車制動(dòng)不靈敏，已經(jīng)被技術(shù)監(jiān)督部門檢測(cè)為不合格產(chǎn)品，現(xiàn)已停用，應(yīng)進(jìn)行更新改造。

（3）電站送出線路為66kV電壓等級(jí)，于1972年架設(shè)，目前所用的陶瓷橫擔(dān)已經(jīng)淘汰，部分電桿有裂紋、混凝土脫落等現(xiàn)象；且原線路有部分區(qū)域無避雷線，線路雷擊故障經(jīng)常造成機(jī)組事故停機(jī)，需改造為全程避雷線的線路。

3改造內(nèi)容

更換3臺(tái)機(jī)組壓力鋼管，更換3臺(tái)機(jī)組進(jìn)水主閥，更換2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪，更換3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪，更換3臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)，更換3臺(tái)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)；增設(shè)微機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)系統(tǒng)改造，廠內(nèi)直流系統(tǒng)改造，廠內(nèi)高、低壓開關(guān)改造，主廠房橋式起重機(jī)改造，配套電網(wǎng)改造。

4改造方案

4.1水輪機(jī)改造

本次增效改造采用適合該電站流道和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的新型高效不銹鋼轉(zhuǎn)輪，2號(hào)水輪機(jī)效率由84%提高至93%，機(jī)組綜合效率由82.8%提高至88.8%。3號(hào)水輪機(jī)效率由76%提高至89%。

4.2調(diào)速器改造

1、2、3號(hào)機(jī)組配備的調(diào)速器更換為高油壓微機(jī)調(diào)速器，新調(diào)速器能夠保證機(jī)組在空載、孤網(wǎng)及并網(wǎng)運(yùn)行工況下穩(wěn)定運(yùn)行，具有手動(dòng)及自動(dòng)開停機(jī)、增減負(fù)荷及帶負(fù)荷運(yùn)行等功能；并網(wǎng)后能根據(jù)永態(tài)轉(zhuǎn)差率與頻差自動(dòng)調(diào)整出力，可無條件、無擾動(dòng)地進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)的相互切換，能采集并顯示機(jī)頻、網(wǎng)頻、接力器開度、手動(dòng)、自動(dòng)等主要參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)，并能根據(jù)需要現(xiàn)地在線整定調(diào)速器的運(yùn)行參數(shù)。電氣故障時(shí)，能自動(dòng)地切換為手動(dòng)工況，并發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，同時(shí)保持當(dāng)前負(fù)荷。

4.3蝴蝶閥改造

1、2、3號(hào)水輪機(jī)組進(jìn)口蝴蝶閥直徑不變，改為液壓控制緩閉止回蝶閥。在原有蝶閥的基礎(chǔ)上，配置可靠的液壓重錘，且機(jī)、電、液系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，減少占地面積及基建投資。它的電液控制功能齊全，無需再配置控制柜，即可以作為1個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)單機(jī)就地調(diào)試、控制；與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)接，可以作為集散性控制系統(tǒng)的1個(gè)設(shè)備單元，通過I/O通道由上位機(jī)集中管理，與水輪機(jī)、旁通閥及其他管道設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)操作。為了在失電時(shí)緊急關(guān)閉，配有手動(dòng)功能，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)開、關(guān)閥，滿足特殊工況下的閥門調(diào)試、控制要求。<1750蝶閥，全開工況下，阻力系數(shù)小于0.15；<1000蝶閥，全開工況下，阻力系數(shù)小于0.20。

4.4起重機(jī)改造

為了便于機(jī)組及輔助設(shè)備的安裝檢修吊裝，在1、2號(hào)主廠房內(nèi)設(shè)有雙鉤慢速橋式起重機(jī)1臺(tái)，起重量主鉤為30t，副鉤為5t。在3號(hào)機(jī)廠房內(nèi)設(shè)有電動(dòng)葫蘆1臺(tái)。由專業(yè)起重設(shè)備廠家對(duì)電站橋式起重機(jī)進(jìn)行更換、保養(yǎng)、維修、校正、加固等大修項(xiàng)目工作。

4.5直流系統(tǒng)改造

全廠操作電源采用直流220V/300Ah系統(tǒng)，直流系統(tǒng)更換為免維護(hù)電池組，包括充電屏、電池屏和饋電屏，供全廠操作、保護(hù)、信號(hào)及自動(dòng)裝置，事故照明等直流供電。電站蓄電池（容量300Ah）為免維護(hù)鋁酸蓄電池，充電裝置采用智能高頻開關(guān)電源，采用/N+10充電模式。

4.6綜合自動(dòng)化改造

4.6.1微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

該電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用全分布開放式的全廠集中監(jiān)控方案，設(shè)有負(fù)責(zé)完成全廠集中監(jiān)控任務(wù)的電站控制系統(tǒng)及負(fù)責(zé)完成機(jī)組、開關(guān)站公用設(shè)備監(jiān)控任務(wù)的現(xiàn)地控制系統(tǒng)?，F(xiàn)地控制系統(tǒng)以可編程控制器為核心構(gòu)成，現(xiàn)地控制系統(tǒng)的設(shè)備靠近被控對(duì)象布置。主控級(jí)和現(xiàn)地控制單元級(jí)經(jīng)100Mbps總線相連（見圖1）。

圖1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.6.2機(jī)電控制保護(hù)系統(tǒng)

（1）發(fā)電機(jī)保護(hù)。發(fā)電機(jī)保護(hù)配置DMP320C1F（發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)單元）、DMP321C1F（發(fā)電機(jī)后備保護(hù)單元）構(gòu)成發(fā)電機(jī)的全部保護(hù)。實(shí)施縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、失磁保護(hù)、復(fù)合電壓啟動(dòng)過流保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)、過電壓保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、定子接地保護(hù)、轉(zhuǎn)子回路一點(diǎn)接地保護(hù)、電壓互感器二次回路斷線保護(hù)、差動(dòng)回路斷線保護(hù)、故障錄波等保護(hù)功能。

（2）主變壓器保護(hù)。變壓器保護(hù)配置DMP320C1B（主變差動(dòng)保護(hù)單元）、DMP321C1B（主變后備保護(hù)單元）構(gòu)成變壓器的全部保護(hù)。實(shí)施縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、差動(dòng)速斷保護(hù)、瓦斯保護(hù)、中性點(diǎn)零序電流保護(hù)、間隙零序電流電壓保護(hù)、主變壓器過負(fù)荷保護(hù)、主變壓器溫度保護(hù)、主變油壓力釋放保護(hù)、故障錄波等保護(hù)功能。

（3）66kV線路保護(hù)。線路保護(hù)主要實(shí)施反時(shí)限過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、過電壓保護(hù)、小電流接地告警、低頻減載等保護(hù)功能。

4.6.3電纜及高壓開關(guān)柜改造

現(xiàn)電站內(nèi)所用高壓開關(guān)均為少油斷路器，此種型號(hào)斷路器所需檢修工作量大，事故跳閘4次之后就需要更換開關(guān)油，動(dòng)靜觸指容易有電弧燒損，密封部件老化之后容易出現(xiàn)滲漏油情況，且操動(dòng)機(jī)構(gòu)也容易出現(xiàn)故障。為更好與自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)匹配，本次改造為儲(chǔ)能型空氣開關(guān)并重新制作電纜橋架，更換電纜，做好阻燃設(shè)施。

4.7勵(lì)磁系統(tǒng)改造

電站微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用雙微機(jī)、雙功率通道自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，該裝置采用工業(yè)用微機(jī)構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)，可方便地實(shí)現(xiàn)單微機(jī)、雙微機(jī)、多微機(jī)框架結(jié)構(gòu)。

5結(jié)語

總的來說，對(duì)老化的水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造是對(duì)現(xiàn)有水能資源進(jìn)行更合理有效地利用，可達(dá)到消除安全隱患，提高水電站的發(fā)電效率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。我們對(duì)電站增效擴(kuò)容改造，不是簡單更換原有設(shè)備，而是對(duì)水電站進(jìn)行再創(chuàng)造的過程，改造方案要進(jìn)行綜合分析，要針對(duì)電站的實(shí)際情況，合理確定合適的改造方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃源芳.水電機(jī)組修復(fù)與現(xiàn)代化改造[M].武漢：長江出版社，2008.

[2]陳錫芳.水輪發(fā)電機(jī)組改造增容與優(yōu)化運(yùn)行[M].北京：中國水利水電出版社，2010.