柳塘水庫壩后電站機電設備改造方案分析

蔣明星

（福建省尤溪縣柳塘水庫管理處 三明市 365100）

柳塘水庫壩后電站機電設備改造方案分析

蔣明星

（福建省尤溪縣柳塘水庫管理處 三明市 365100）

柳塘水庫壩后式電站是20世紀70年代末興建的小水電站，至現(xiàn)已運行了40余年，該電站的建筑物、機電設備和金屬結(jié)構不同程度的老化，嚴重影響機組出力和安全運行。為了提高水能利用率和經(jīng)濟發(fā)展，文章通過對電站存在問題的分析及改造必要性，提出一系列改造措施，確保電站安全運行，發(fā)揮最大經(jīng)濟效益。

小水電站 自動化增容 改造分析

1 工程概況

柳塘水庫位于尤溪縣管前鎮(zhèn)柳塘村，1977年9月動工興建，大壩為粘土心墻土石混合壩，是一座防洪、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的重要中型水庫工程。壩址以上集雨面積100 km2，最大壩高43.6 m，壩長250 m，校核洪水位584.10 m，總庫容4 400萬m3，設計洪水位582.85 m，相應庫容4 110萬m3，正常高水位582.80 m，相應庫容4 099萬m3。柳塘水庫壩后電站作為配套項目，其總裝機1 400 kW，1#機組HL220-WJ-50水輪機配發(fā)電機TSWN99/37-6，裝機容量為500 kW；2#機組HL220-WJ-50水輪機配發(fā)電機TSWN99/46-8，裝機容量為500 kW。3#機組HL240-WJ-50水輪機配發(fā)電機TSWN99/46-8，裝機容量為400 kW。為充分利用水資源，1995年對3#機組改造，HL240-WJ-60水輪機配發(fā)電機SFW630-10/1180，裝機容量為630 kW。至此電站總裝機容量為1 630 kW。建成投產(chǎn)后，機組運行正常，各項技術經(jīng)濟指標基本能達到設計水平，但隨著時間的推移，該水電站的構筑物、機電設備和金屬結(jié)構不同程度的老化失修，嚴重影響機組出力和安全運行。特別是近幾年來，運行情況每況愈下，嚴重威脅設備和人生安全。

2 改造必要性

柳塘水庫壩后電站自運行以來，其中豐水期有12年從溢洪道泄水，棄水較多，為充分利用水能資源，發(fā)揮該站的經(jīng)濟效益，可以適當增加該站的裝機容量。電站的發(fā)電廠房年久失修，墻體的內(nèi)外粉飾層脫落嚴重，部分墻體脫落，地面不平整。6 kV高壓柜與繼電保護屏和中控臺混裝在同一室內(nèi)，且屋頂為易燃的木質(zhì)天花板，一旦高壓設備爆炸發(fā)生火災，后果不可想象。水輪機為20世紀70年代產(chǎn)品,其效率遠低于目前水輪機，同時設備磨損嚴重，各部位都有不同程度的漏水。進水主閥是Z944H-10/DN1000的手、電動操作閘閥，主閥關閉狀態(tài)有漏水現(xiàn)象，三個進水閘閥操作費力、不可靠，不能達到微機監(jiān)控、操作的要求。機電設備檢測用2 500 V MΩ表檢測轉(zhuǎn)子絕緣電阻值僅0.5 MΩ，定子絕緣僅2 MΩ，且吸收比為 1.25，明顯小于《電力設備預防性試驗規(guī)程》DL/T 596-2005所規(guī)定的要求（吸收比大于1.3），很明顯設備已嚴重老化，存在安全隱患?？煽毓鑴畲叛b置，設備陳舊，調(diào)節(jié)性能差，更達不到微機監(jiān)控、操作的要求。主變是高耗能的SL鋁芯變壓器，能耗高、效率低，現(xiàn)已被國家列入淘汰產(chǎn)品目錄，原建設時沒有主變壓器儲油坑及排油管道等設施，給運行、維護和管理留下安全隱患。敞開式的GG-1A開關柜，不具備“五防”條件；斷路器為SN10-10少油開關存在斷流容量小、漏油嚴重等問題；廠變?yōu)镾J型高耗能變壓器，能耗高、效率低；電力電纜為ZLQD3鋁芯紙絕緣不滴流電纜，使用時間長絕緣老化。35 kV斷路器采用DW1-35多油開關，漏油嚴重、可靠性低；電站的防雷接地保護網(wǎng)腐爛，無法保障電站的設備運行安全和人員的人身安全；電站的上網(wǎng)計量裝置陳舊老化，計量誤差大，影響電站的效益。電站現(xiàn)有直流系統(tǒng)設備老化、可靠性差，監(jiān)控儀表精度差，控制設備和保護裝置陳舊、自動化程度低，繼電保護落后、動作不靈敏，運行的安全性和可靠性達不到要求；現(xiàn)有載波設備落后，不能適應微機通信要求。

3 改造方案

針對電站存在諸多問題，根據(jù)實地情況，對發(fā)電廠房及機電設備進行改造。對墻體進行加固和整修，廠房地面用大理石鋪設。在主廠房右側(cè)空地新建一間中控室，布置該站的控制保護設備，中控室地面高程與主廠房相同。在機電設備改造方面，主要包括以下內(nèi)容：

（1）水輪機。要解決水輪機存在的問題，首先是水輪機選型要合理，充分利用水資源，選擇過流恰當且效率高的水輪機，以改變原水輪機設計水頭單一造成效率低及老化的現(xiàn)狀，同時應考慮原引水道過流能力和廠房尺寸要求，盡量利用原機座及尾水部分。通過水力計算，水輪機參數(shù)要求：最大工作水頭39.85 m，最小工作水頭16.0 m，額定水頭30.8 m，額定流量7.23 m3/s。壩后電站是低水頭有水庫調(diào)節(jié)的電站，工作水頭范圍（20～40）m，根據(jù)國內(nèi)對該水頭段及流量機組機型分析及運行經(jīng)驗來看，采用反擊式水輪機能滿足要求。鑒于電站是增效擴容改造工程，考慮節(jié)省工程投資，機型選擇應充分利用原機型的基礎部分，減少機組基礎工程的投資。通過方案對比，推薦采用混流式 （HLA551）機型和混流式（HL240）機型。電站原安裝機組3臺，為減少不必要的廠房投資，電站增效擴容改造工程裝機3臺，根據(jù)電站水頭和流量，選擇混流式（HLA551）機型2臺和（HL240）機型1臺，單機容量630 kW和500 kW。在混流式機組安裝時，需保證進水口及尾水管出口的淹沒深度≥0.5 m的要求。

（2）輔助設備。柳塘水庫壩后電站調(diào)速設備選用YWT-300微機調(diào)速器，可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)、自動控制、監(jiān)視和修改、診斷與容錯、遠程通訊以及調(diào)試實驗功能。供水排水系統(tǒng)由于電站是低水頭電站，技術供水主要是機組軸承冷卻用水及檢修用水，用水量較小，故技術供水直接取自壓力管供水經(jīng)減壓閥減壓后就能達到技術供水壓力要求。壓縮氣系統(tǒng)的中壓氣系統(tǒng)因調(diào)速器油泵已考慮自動補氣，不需專設中壓氣系統(tǒng)，低壓氣主要是供給機組制動及檢修等用氣，低壓氣系統(tǒng)設置2臺W-2/8型低壓空壓機，互為備用。供水水頭測量電站直接取自水庫，水庫水位變化范圍大，水庫水位測量用KH807水位變送器，變送器安裝在機組技術供水總管和各軸承冷卻水進口或出口進行壓力測量，其數(shù)字由相應的壓力表或壓力變送器進行現(xiàn)地顯示或遠送，信號均傳至上位機。

（3）電氣。柳塘水庫壩后站安裝3臺臥式低壓機組，總裝機為1 760 kW，機組出口電壓為0.4 kV，3臺機組按單母線不分段并列運行，電能經(jīng)1臺主變升壓到38.5 kV，主變型號為S11—2500/38.5-0.4。0.4 kV側(cè)發(fā)電機出口及近區(qū)變采用GGD2低壓配電屏，配SEW1低壓智能型斷路器，采用電纜出線，將二次測量、控制保護與一次設備同組一屏，做到簡單緊湊一體化。在近區(qū)變低壓配電屏上安裝廠用電開關，電源取自匯流主母線，作為壩后站廠用電的工作電源。電站技改工程電氣主結(jié)線，具有接線簡單清晰，設備先進節(jié)能，運行靈活，維護方便的優(yōu)點。根據(jù)發(fā)電機存在問題，改造后：1#機型號為SFW630-8/ 990；2#機型號為SFW500-10/990。機組采用無刷勵磁系統(tǒng)，其勵磁調(diào)節(jié)裝置具有微機通信功能和配有RS485通訊口，實現(xiàn)勵磁裝置與后臺監(jiān)控系統(tǒng)的通信。更新主變壓器，采用M7.5水泥砂漿砌MU40條石復建變壓器油坑、排油溝、變壓器墩。技改后，發(fā)電機出口電壓為0.4 kV，配電裝置采用GGD低壓配電屏，配用SEW1低壓智能型斷路器，取代原GG-1A開關柜和SN10-10少油斷路器，提高裝置的可靠性和安全性。母線采用2TMY-125×10銅排，發(fā)電機出口和主變低壓側(cè)采用2YJV-1交聯(lián)聚氯乙烯銅芯電纜出線，主變低壓側(cè)采用2TMY-125×10銅排，降低設備與導體之間的接觸電阻，避免接觸面發(fā)熱，減少電能損耗。

（4）防雷接地。過電壓保護及接地按《水力發(fā)電廠過電壓保護和絕緣配合設計技術導則》（DL/T 5090-1999）、《水力發(fā)電廠接地設計技術導則》（DL/ T 5091-1999）的有關規(guī)定設計。發(fā)電機中性點和主變低壓中性點直接接地，35 kV線路側(cè)以及35 kV母線安裝氧化鋅避雷器，升壓開關站設獨立的避雷針防止電氣設備遭雷電襲擊。升壓站內(nèi)設置均壓網(wǎng)，采用高阻率材料鋪面，以降低跨步電壓。主廠房為木頭屋頂，副廠房利用其屋面板鋼筋及其引下線與全廠接地裝置連接，以保護建筑物。全廠接地設計充分利用現(xiàn)有接地體，同時再補充設置一定數(shù)量的新人工接地體，接地電阻值要求小于1 Ω，所有電氣設備均應按規(guī)程要求可靠接地。

（5）電氣二次設備。本技改工程租用電信光纜，實現(xiàn)與縣調(diào)及其他計算機系統(tǒng)之間的通訊，傳遞各種事件信息，接受下行命令對設備進行監(jiān)控，所有傳送信息的變化響應時間≤2 s，SOE分辨率≤2 ms。計算機監(jiān)控系統(tǒng)全系統(tǒng)年可用率不得低于99.96%，考核系統(tǒng)可用性的計算表達式為：

式中 A——可用性；

可使用時間=考核（試驗）時間；

h——維修停機時間（h）。

通信電源由廠用電和直流提供，正常時采用廠用交流電，當交流電源消失時，切換到直流電源。為了滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求，本著“經(jīng)濟實用、簡單可靠、技術先進、便于擴展”的原則設置計算機監(jiān)控系統(tǒng)，采用先進成熟的硬件、軟件及網(wǎng)絡技術，能夠與調(diào)速器、勵磁、同期裝置、保護和低壓智能開關等廠內(nèi)智能設備進行通信，并預留遠方調(diào)度接口，以便實現(xiàn)遠動、遙信及遙測。具有數(shù)據(jù)采集和處理，實時控制和調(diào)節(jié)，安全運行監(jiān)視及事故報警，屏幕顯示事故處理指導和恢復指導，語音報警，統(tǒng)計與制表，數(shù)據(jù)通信，鍵盤操作，電站設備運行維護管理，系統(tǒng)自診斷與冗余切換，軟件開發(fā)及培訓仿真系統(tǒng)等基本功能；實現(xiàn)對機組開、停、運轉(zhuǎn)以及增減負荷等自動控制的基本要求；對全廠的主要電量、非電量、狀態(tài)量等進行實時監(jiān)控，自動巡檢、自動打印各種報表、事故記錄和顯示各種狀態(tài)等功能。從而達到全自動化管理水平，達到少人值守的要求。

（6）送出設備。柳塘水庫壩后站主變及開關站布置在主廠房的后側(cè)，35 kV配電裝置為戶外中型布置，升壓站占地面積（32×25）m2?，F(xiàn)有35 kV斷路器采用DW1-35多油開關，漏油嚴重、可靠性低；由于運行年限較長，電站的防雷接地保護網(wǎng)腐爛，無法保障電站的設備運行安全和人員的人身安全；電站的上網(wǎng)計量裝置陳舊老化，計量誤差大，影響電站的效益。改造后，35 kV配電裝置仍為戶外中型布置，采用 ZW38-40.5/2000戶外真空斷路器，取代原DW1-35/600多油斷路器，采用GW5（A）-40.5/630隔離開關取代原GW5-35/600隔離刀閘，采用JDJJF2-35電壓互感器取代JDJJ2-35電壓互感器，提高測量與計量的精確度。同時補建變壓器儲油坑和排油管道，確保安全。主變高壓側(cè)和線路35 kV斷路器采ZW38-40.5/2000高架型瓷柱式戶外高壓真空斷路器，ZW38-40.5/2000斷路器是三相交流50 Hz的高壓開關設備，配CT19-IVB型彈簧儲能操動機構，可以遠控電動儲能、電動分、合閘操作，也可就地手動儲能、手動分、合閘操作，操作電壓選用直流220 V。該斷路器采用陶瓷外殼的真空滅弧室，滅弧室放在內(nèi)充0.02/0.2 MPa的 SF6氣體20℃的瓷套內(nèi)，可以避免受外界環(huán)境的影響，無油、抗污染、抗凝露，開斷電流大，電壽命長。在額定電壓下連續(xù)開斷31.5 kA短路電流可達20次，額定電流2 000 A，能滿足系統(tǒng)短路電流的要求。機械可靠性優(yōu)越，機械壽命達10 000次，能頻繁操作。

4 結(jié)論

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，用電負荷增長較快，供用電矛盾日益突出，電力已成為制約地方社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，為了更好地開發(fā)和利用水能資源，合理調(diào)度水資源，對柳塘水庫壩后電站自動化增效擴容改造，有利于節(jié)能利用，安全運行；有利于地方經(jīng)濟發(fā)展；有利于增強水庫經(jīng)濟實力。同時，能緩解電網(wǎng)供需矛盾，保障生產(chǎn)生活用電需求，推動水利產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進程。

[1]水利部.農(nóng)村水電增效擴容改造項目初步設計指導意見[R].

[2]水利部.農(nóng)村水電增效擴容改造項目機電設備選用指導意見[R].

[3]GB/T 50700-2011.小型水電站技術改造規(guī)范[S].

[4]SL 179-2011.小型水電站初步設計報告編制規(guī)程[R].

2016-12-23）

蔣明星（1971-）男，福建尤溪人，大學本科，工程師，研究方向方向：水利水電工程。