沙集泵站增效擴(kuò)容改造技術(shù)方案探討

王 麗，莫兆祥

(1.江蘇省淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，223001，淮安；2.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，223800，宿遷)

一、工程概況

沙集泵站位于江蘇省睢寧縣沙集鎮(zhèn)南約2km處的徐洪河上，其下游和相距72km的洪澤湖相通，主要承擔(dān)灌溉、航運(yùn)、環(huán)保及調(diào)節(jié)駱馬湖水位等作用，當(dāng)駱馬湖地區(qū)排泄?jié)乘畷r(shí)，可以通過徐洪河經(jīng)沙集閘排泄，此時(shí)泵站可利用上游來水通過泵站同步電動(dòng)機(jī)組倒轉(zhuǎn)發(fā)電并網(wǎng)。

沙集站發(fā)電裝機(jī)容量2 000 kW，共裝設(shè)5臺(tái)立式機(jī)組，單機(jī)流量10 m3/s，設(shè)計(jì)水頭9.5 m，電站兩側(cè)布置設(shè)計(jì)流量為200 m3/s的節(jié)制閘，全部工程按Ⅰ級(jí)水工建筑物設(shè)計(jì)，抗震標(biāo)準(zhǔn)按9度地震烈度設(shè)防。沙集站站身為堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，出水流道采用肘形管道，進(jìn)出水流道采用平直管，快速門斷流，進(jìn)水流道進(jìn)口設(shè)置檢修閘門。該站設(shè)計(jì)水位組合：上游21.5 m，下游12.0 m。

二、機(jī)組發(fā)電效率測試及改造緣由

2007年9月20日，選擇相對理想的運(yùn)行條件下對泵站發(fā)電效率進(jìn)行了測試，發(fā)電水頭為6.24 m，以沙集站#4和#5機(jī)組發(fā)電數(shù)據(jù)測試為例，機(jī)組效率計(jì)算公式為：

經(jīng)測算，#4和#5機(jī)組效率分別為33.5%和 33.8%（表1）。

從實(shí)際測試數(shù)據(jù)來看，相對于水輪機(jī)工況而言，沙集泵站直接倒轉(zhuǎn)發(fā)電效率較低。

由于沙集泵站上下游水位差較大，正常在6.30 m左右，機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速較高，所以該泵站是利用同步電動(dòng)機(jī)組直接倒轉(zhuǎn)并網(wǎng)發(fā)電，繼電保護(hù)上設(shè)有過頻、過壓保護(hù)，以防止飛車損害設(shè)備。對于沙集站這種肘形出進(jìn)水流道、直管進(jìn)出水流道、導(dǎo)葉式混流泵機(jī)組裝置而言，這種直接倒轉(zhuǎn)方式投入小、見效快，但發(fā)電效率較低，實(shí)際測算僅33%左右，遠(yuǎn)低于一般小水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，而且發(fā)電功率受上下游水位變化影響和限制較大，河道廢棄水資源沒有得到很好地開發(fā)利用，需要進(jìn)行增效擴(kuò)容改造。

三、改造技術(shù)方案分析比選

影響沙集站發(fā)電效率的主要原因是相對水輪機(jī)工況發(fā)電時(shí)的水頭較低，要提高發(fā)電效率必須降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。技術(shù)上主要有以下幾種方案:

①更換成變極電動(dòng)機(jī)降速。但因變極電機(jī)尺寸較現(xiàn)在的2150機(jī)座號(hào)偏大，而且沙集站的土建工程已經(jīng)建成，機(jī)坑尺寸已固定，因此電機(jī)變極方案難以實(shí)現(xiàn)。

②利用機(jī)械變頻機(jī)組進(jìn)行變頻。購置極數(shù)、頻率不同的兩臺(tái)臥式電機(jī)，同軸連接。其中一臺(tái)電動(dòng)機(jī)接電網(wǎng)側(cè)，工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，在50Hz工頻下運(yùn)行；另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)在低于工頻的某一頻率，產(chǎn)生一個(gè)低頻小電網(wǎng)，帶動(dòng)同步機(jī)組倒轉(zhuǎn)發(fā)電，從而將水泵機(jī)組由額定轉(zhuǎn)速降低至相應(yīng)的發(fā)電轉(zhuǎn)速，從而提高發(fā)電效率。這種方式在劉老澗站、泗陽站都有成功的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。

③利用電子變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。目前國產(chǎn)變頻器大都是兩相象或三相象變頻器，沒有能量回饋功能，功率方向只正向輸出功率。美國AB700PowerFlex700交流變頻器采用電流型變頻器，是真正的高—高四相象變頻器，主要用于控制三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，從最簡單的速度控制到最苛刻的轉(zhuǎn)矩控制，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求。

三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析見表2。

表1 #4、#5機(jī)組發(fā)電效率測試成果表

通過上述幾種方案比選，結(jié)合沙集站實(shí)際情況，擬優(yōu)先選用機(jī)械變頻法，即利用變頻機(jī)組進(jìn)行發(fā)電技術(shù)改造，雖一次性投入較大，但只要變頻機(jī)組選型合理，即可獲得較高的發(fā)電效率和發(fā)電收益。

四、改造的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

1.頻率選擇

該泵站機(jī)組的抽水額定轉(zhuǎn)速是300 rpm，在水輪機(jī)不更換的情況下，按相似定律，轉(zhuǎn)速平方與發(fā)電水頭成正比，要使發(fā)電在高效區(qū)運(yùn)行，須降低水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。為正確選擇發(fā)電時(shí)最佳轉(zhuǎn)速，2008年11月27日對沙集站進(jìn)行了降速測試，結(jié)果見表3。采用變頻機(jī)組發(fā)電時(shí)，#3機(jī)組效率為76%。

從試驗(yàn)中可以看出,在毛水頭6.2m時(shí),發(fā)電功率最大時(shí)的轉(zhuǎn)速為234～252 rpm/min之間，相應(yīng)電機(jī)極數(shù)為26極 （230 rpm/min）至 24極 （250 rpm/min）之間。經(jīng)查有關(guān)水輪機(jī)資料，水頭在6.2 m左右的水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速也在250 rpm/min以下，試驗(yàn)的結(jié)論和水輪發(fā)電機(jī)是吻合的。

2.接線方式調(diào)整

原泵站主接線設(shè)計(jì)為抽水工況，因增加變頻發(fā)電機(jī)組，原有接線已無法實(shí)現(xiàn)抽水、發(fā)電兩種工況切換，須調(diào)整，虛線框內(nèi)為本次增加部分設(shè)備。

沙集站原廠房高壓開關(guān)室設(shè)備布置共安裝有6 kV進(jìn)線柜、站變開關(guān)柜、電壓互感器柜、電容器避雷器柜以及含5臺(tái)主機(jī)高壓開關(guān)柜在內(nèi)的9只高壓開關(guān)柜，柜頂采用母排硬連接。本次增設(shè)變頻發(fā)電機(jī)組后，因原6 kV開關(guān)室預(yù)留的安全距離不能滿足開關(guān)柜擴(kuò)展需要，且柜頂采用母排硬連接，需要進(jìn)行接線調(diào)整，詳細(xì)方案如下：①原6 kV進(jìn)線開關(guān)改為兩段母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)；②原站變高壓開關(guān)改為變頻電動(dòng)機(jī)開關(guān)；③在變頻機(jī)房布置6 kV進(jìn)線柜、站變高壓開關(guān)柜、電壓互感器柜、變頻發(fā)電機(jī)開關(guān)柜、6kV出線柜。

表3 #3機(jī)組發(fā)電轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速關(guān)系表（水位差6.2m）

五、效益預(yù)期

自2003年8月正式投入發(fā)電運(yùn)行以來，沙集泵站積極利用徐洪河行洪棄水開發(fā)水力發(fā)電，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，對2003—2011年發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，年平均發(fā)電340.4萬kWh，機(jī)組年平均運(yùn)行14 183.3臺(tái)時(shí)（按照單臺(tái)機(jī)組平均出力240 kW）。經(jīng)測試進(jìn)行降低轉(zhuǎn)速后，每臺(tái)機(jī)發(fā)電功率增加約100 kW，全站共增加發(fā)電功率500 kW。考慮變頻機(jī)組等相關(guān)設(shè)備消耗電量約40 kW，改造后泵站年均發(fā)電量可增至470.9萬kWh，相當(dāng)于火電廠燃燒578.7 t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的電量，無論是經(jīng)濟(jì)效益還是社會(huì)效益均比較顯著。

六、結(jié) 語

小水電是可再生的清潔能源，既可以充分開發(fā)利用廢棄的洪水資源，又可以在一定程度上緩解當(dāng)前國家電力能源緊張，還具有低碳環(huán)保社會(huì)化效益，值得推廣。當(dāng)前，國家正在積極開展農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造，從政策和資金上扶持小水電產(chǎn)業(yè)，發(fā)展前景廣闊。沙集泵站積極開展發(fā)電技術(shù)研究，充分挖掘水力資源開發(fā)利用率，通過改造不但可以提高發(fā)電效率，更為同類泵站進(jìn)行水力發(fā)電開發(fā)提供了借鑒，值得推廣。

[1]張承慧.交流電機(jī)變頻調(diào)速及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]儲(chǔ)訓(xùn).大型泵站建設(shè)和更新改造對策[M].南京：河海大學(xué)出版社,2000.

[3]陳振斌.小水電[M].南京：河海大學(xué)出版社,2000.

[4]泵站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB/T 50265—2010）[S].2010.