淺析一起中小水電站首部大壩應(yīng)急柴油發(fā)電機及其輔助設(shè)備的配置方案

張飛

摘 要：中小水電站很多由民營企業(yè)投資建設(shè)，在工程建設(shè)初期均為配置大壩應(yīng)急柴油發(fā)電機，這對大壩汛期安全度汛帶來了安全隱患，也不符合相關(guān)安全管理要求。為此，本文從機房位置選擇、柴發(fā)容量的計算及校驗等方面，把我本人為我公司所屬的云南文山州黃家坪電站大壩應(yīng)急柴油發(fā)電機的配置方案分享與大家，以對有類似水電站尚未配置應(yīng)急柴油發(fā)電機的予以參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：大壩；柴發(fā)；啟動方式；負(fù)荷計算；容量選擇；電壓校驗；配套設(shè)備

中圖分類號：TV7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0152-01

1 引言

目前很多中小水電站的開發(fā)為民營投資建設(shè)，對電站首部大壩的閘門電源供電可靠性未得到足夠的重視，很多均未配置大壩應(yīng)急電源，這對大壩及電站的安全運行帶來一定隱患，現(xiàn)以我公司下屬的云南文山州黃家坪電站首部大壩應(yīng)急電源配置方案為例，以幫助尚未配置大壩應(yīng)急電源的予以參考。

2 項目概況

我公司下屬的文山州黃家坪電站是從民營企業(yè)手中收購的，電站裝機2×10MW混流式機組，水庫庫容801萬，興利庫容302萬，大壩設(shè)有1道表孔閘和3道底孔閘，表孔閘和底孔閘均為固定式雙吊點平面閘門，啟閉方式為固定卷揚式，電源由電站站用電直供（無備用電源）。2009年6月投產(chǎn)至今，大壩尚未配置應(yīng)急柴油發(fā)電機，我公司收購后為確保電站大壩在汛期安全度汛，從應(yīng)急柴油發(fā)機的機房位置選擇、容量計算和配套設(shè)備選擇等方面進(jìn)行了設(shè)計。

3 房位置選擇

機房位置選擇應(yīng)盡可能離配電室最近，以便于接線、操作和管理，減少材料、電壓和電能的損耗。機房應(yīng)通風(fēng)良好、便于散熱和排煙，應(yīng)方便機組的吊裝、搬運和檢修，應(yīng)避開潮濕環(huán)境。根據(jù)以上要求，提出如下方案：

方案1：設(shè)置在啟閉機房的配電屏附近，投資最省，接線最短，但現(xiàn)場已無安裝位置，且柴發(fā)運行時的震動會對啟閉機房帶來一定安全影響。

方案2：設(shè)置在大壩閑置房內(nèi)，該房面積約15平方米，緊鄰值班室，該方案投資較少，但占用大壩檢修期間人員辦公和住宿地點。

方案3：在大壩值班室擴(kuò)建端新修一間柴發(fā)配電房，并將雙頭切換刀閘安裝于此，該方案距離配電變壓器最近，但投資相對較大。

綜上所述，在征求電站意見后，最終采用了方案2。

4 機組容量選擇

（1）負(fù)荷統(tǒng)計。根據(jù)汛期泄洪操作步驟：先開啟大壩表孔閘門，此時如無法滿足泄洪要求，再根據(jù)洪水情況逐一開啟底孔閘門。因此，在汛期可能出現(xiàn)最大負(fù)荷為：開啟表孔閘、應(yīng)急照明（預(yù)估1kW）和柴發(fā)室軸流風(fēng)機（預(yù)估1kW），即：2×18.5kW+2kW=39kW。

（2）柴發(fā)容量計算。根據(jù)《火電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》和《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行柴油發(fā)電機組容量選擇：

①按汛期出現(xiàn)最大負(fù)荷需要進(jìn)行計算，保證系數(shù)K取1.1，η為柴油發(fā)電機效率，一般取0.9。

側(cè)：P=KP/η=1.1×39/0.9≈47.7kW

②根據(jù)實際啟動表孔閘觀察到的電流計算。由于電站大壩各閘門電機均為繞線式電機，其啟動方式為轉(zhuǎn)子回路串電阻器啟動，因此啟動電流較小，現(xiàn)場觀察到實際啟動表孔閘門時的啟動電流約95A，而繞線式電機功率因素一般約0.7左右。

側(cè)：P=UIcosθ=1.732×0.38×95×0.7=43.8kW

③按照《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》6.1.2條，配置柴發(fā)容量可按電源變壓器容量的10%～20%進(jìn)行估算，電站大壩配置的變壓器容量為315kVA，取20%即為：63kVA，約50kW。

綜上所計算，結(jié)合柴發(fā)市場實際規(guī)格等級，擬配置50kW（即：視在功率62.5kVA，功率因0.8）柴發(fā)即可滿足要求。

5 過負(fù)荷能力和電壓等校驗

（1）根據(jù)《火電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，柴發(fā)帶負(fù)荷啟動一臺最大容量的電動機短時過負(fù)荷能力要求進(jìn)行校驗。

由：≥〔n+（1.25-K）〕/1.5

：計算負(fù)荷，K=0.8×38=30.4

：最大電機額定功率

：最大電機啟動電流倍數(shù)（繞線式電機一般為2～3倍），

則：≥〔30.4+（1.25×2-0.8）×37〕/1.5=62.2kV而擬配置的柴油發(fā)電機容量為62.5kVA，故62.5≥62.2。

因此，擬配置的50kW（62.5kVA）柴油發(fā)電機可滿足啟動最大電機時的過載能力要求。

（2）根據(jù)《火電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，按最大電機啟動時對母線電壓水平校驗。

由公式：=/（+1.25）

：為擬選定柴發(fā)容量

：最大電機啟動電流倍數(shù)（繞線式電機一般為2～3倍）

：最大電機額定功率

：柴發(fā)機暫態(tài)電抗，一般為0.2～0.25。

則：=/（+1.25）

=62.5/（62.5+1.25×2×37×0.20～0.25）

=62.5/（81～85.625）≈0.77～0.73

因此，根據(jù)《火電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》啟動最大一臺電機時母線電壓以不低于額定電壓的75%為宜，由此可見校驗可滿足要求。

（3）母線電壓達(dá)到75%時啟動最大電機時，對現(xiàn)場配置的空開是否過流跳閘進(jìn)行校驗。

由上一步進(jìn)行的母線電壓校驗知，最低電壓將達(dá)到73%～77%之間，因此，選擇電壓達(dá)到75%（285V）進(jìn)行反算電機啟動瞬間現(xiàn)場PLC配置的空開是否過流跳閘進(jìn)行校驗。

由：P=UIcosθ，得I=37/（1.732×0.285×0.7）≈107A

此時計算電流107A大于現(xiàn)場PLC配置的空開額定電流（100A），但該空開設(shè)有兩種過流保護(hù)：一是帶長延時反時限過流脫的反時限過流保護(hù)（對于22kW以下電機帶重載啟動時間約0～15秒），二是瞬時過電流脫扣器瞬時過流保護(hù)（對繞線式電機按啟動電流的1.7倍整定）。因此，現(xiàn)場PLC柜配置額定電流100A的空開可滿足啟動瞬間電壓達(dá)到75%時不跳閘的要求。

因此，通過以上的計算和校驗，電站大壩應(yīng)急柴油發(fā)電機擬配置容量為50kW柴油發(fā)電機，可滿足要求。雖然擬選擇的50kW柴發(fā)，考慮了1.1保證系數(shù)，并通過校驗亦可滿足要求，但為了更可靠、更安全，并考慮到多年運行后和國內(nèi)柴油發(fā)電機組的效率等因素，最終考慮選擇大一等級的柴油發(fā)電機，即：選擇60kW級的柴油發(fā)電機，而且價格相差不大。

6 配套設(shè)備的選擇

（1）柴發(fā)機房面積。根據(jù)最終選擇的60kW柴油發(fā)電機規(guī)格為1800×750×1200，以及設(shè)計規(guī)范要求，柴發(fā)的維護(hù)通道需大于1m，操作通道需大于2.5m。因此，柴油發(fā)電房面積需約12平方米（長4.5米、寬2.5米、高3米）。

（2）柴油機房通風(fēng)設(shè)備。為確保柴油發(fā)電機運行中充分散熱和可靠運行，根據(jù)擬選擇的60kW柴發(fā)排氣量約4L，以及柴發(fā)配電室面積約12平方米。因此，柴油機房擬對稱開啟兩扇窗戶進(jìn)行自然通風(fēng)散熱或者設(shè)一臺邊墻式DWXE-300D4型的軸流風(fēng)機進(jìn)行換氣。

（3）戶內(nèi)雙頭切換刀開關(guān)。根據(jù)表孔閘門啟動時觀察的電流約95A左右，以及現(xiàn)場PLC控制柜配置的空氣斷路器額定電流為100A，以及以上計算最大電機啟動瞬間電壓降低到75%時啟動電流達(dá)107A，再加上應(yīng)急照明和柴發(fā)室軸流風(fēng)機負(fù)荷。考慮短路時短路電流，并結(jié)合通用刀開關(guān)規(guī)格型號，擬選擇帶防護(hù)罩的三相四線防誤HS11-200/160/4F型雙頭切換刀開關(guān)。

（4）電纜選擇。仍選擇原大壩變至啟閉機房配電柜同規(guī)格電纜，即：（YJVV22---3×70+1×35）。長度為30米，一是首部樞紐水泥雙桿變至應(yīng)急電源柴發(fā)機房雙頭切換刀閘約需20米，二是應(yīng)急電源柴發(fā)出口至雙頭切換刀閘約需10米。

（5）熱鍍鋅接地扁鐵。預(yù)計70米，本次應(yīng)急電源柴發(fā)用20米；完善首部樞紐其它設(shè)備接地，預(yù)計50米。

（6）槽鋼。根據(jù)擬60kW的柴油發(fā)電機組，其重量約1頓，因此擬選擇10型的槽鋼，約需6米，用于柴發(fā)基礎(chǔ)。如選擇成套柴油發(fā)電機組，大部分廠家出廠時已經(jīng)配置了基礎(chǔ)和緩沖墊，只需提供平整地面即可。

（7）茶油發(fā)電機組出口斷路器及保護(hù)配置。由于多數(shù)柴油發(fā)電機組均為成套設(shè)備，其出口均已配置出口斷路器和相應(yīng)保護(hù)。

7 方案實施情況

該方案于2016年11月實施完畢，經(jīng)啟動試運行和帶負(fù)荷試運行，完全滿足要求，帶表孔閘啟動瞬間電壓最低達(dá)額定電壓的82%。