陳棟才

(福建閩東電力股份有限公司，福建 寧德 352100)

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水電站技改增容工程方案分析

陳棟才

(福建閩東電力股份有限公司，福建 寧德 352100)

當(dāng)前我國很多早期修建的水電站出現(xiàn)了嚴(yán)重的設(shè)備老化問題，機(jī)組的出水率和水輪機(jī)的效率明顯降低，需要在已有資源的基礎(chǔ)上使用新設(shè)備和新技術(shù)進(jìn)行增容，提升水電站的自動(dòng)化水平和安全生產(chǎn)能力。文章就某水電站技改增容方案實(shí)例進(jìn)行分析，并對改造后的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)一步說明了技改增容的實(shí)際應(yīng)用效果，可為類似水電站技改增容提供借鑒。

水電站技改；增容工程方案；分析

1　工程概況

某水電站工程修建于20世紀(jì)90年代初，系某流域干流梯級開發(fā)的第一級壩后式電站，水庫總庫容2680萬m3，全溪流域面積985 km2，壩址以上集雨面積114.9 km2，大壩正常蓄水位為870 m，該電站壩高65 m，廠房正常尾水位813 m，電站設(shè)計(jì)流量9.27 m3/s。電站裝機(jī)容量3200 kW(2×1600 kW)，安裝2臺(tái)的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號為HLD41-WJ-84，發(fā)電機(jī)型號為SFW1600-10/1730；設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量1005萬kw·h，年利用小時(shí)數(shù)3287 h。

2　水電站出現(xiàn)的問題

2.1設(shè)備老化嚴(yán)重以及維修花費(fèi)趨高

該水電站興建于20世紀(jì)90年代初，已經(jīng)正常運(yùn)行了20 a以上，接近機(jī)組使用壽命，機(jī)組性能老化、故障多、效率低。根據(jù)近年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)2臺(tái)機(jī)組的實(shí)際出力只達(dá)1500 kW和1450 kW，電站近3 a的運(yùn)行情況見表1。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，該水電站的機(jī)電設(shè)備已經(jīng)成為社會(huì)淘汰的器件，設(shè)備所需配件維修困難，而且維修成本相當(dāng)高[1-3]。通過對該水電站設(shè)備多年運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)計(jì)顯示，所需費(fèi)用中工程維修費(fèi)一年比一年高，該水電站的經(jīng)濟(jì)效益卻在逐漸降低。

表1　近3 a機(jī)組運(yùn)行情況

2.2整個(gè)機(jī)電設(shè)備工作效率低，導(dǎo)致水能資源不能完全利用

從水文資料分析整理可知，壩址可利用多年平均流量為4.50 m3/s,而現(xiàn)有電站2臺(tái)機(jī)組裝機(jī)合計(jì)3200 kW，設(shè)計(jì)流量9.27 m3/s，水量利用率77.2%，水量利用還存在一定空間。

原水輪機(jī)型號HLD41-WJ-84，水輪機(jī)軸瓦的冷卻透平油漏油，端蓋密封不嚴(yán)，導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴(yán)，漏水比較嚴(yán)重，根據(jù)業(yè)主提供的出力數(shù)據(jù)反映，達(dá)不到額定出力；發(fā)電機(jī)型號為SFW1600-10/1730，存在發(fā)電機(jī)溫度偏高、噪聲大、定轉(zhuǎn)子線圈污染嚴(yán)重、事故率高等問題，整體機(jī)電設(shè)備工作效率較低。

從近年的實(shí)際運(yùn)行情況看，根據(jù)2005—2015年的11 a水情資料統(tǒng)計(jì)分析，僅有3 a水庫未出現(xiàn)棄水，其余8 a來均出現(xiàn)不同程度棄水，年均棄水量2858萬m3。因此，可通過增加設(shè)計(jì)引用流量和提高機(jī)組效率來提高水能利用率，增加發(fā)電量，同時(shí)，提高電站運(yùn)行調(diào)度的靈活性，提高梯級電站年發(fā)電量。

2.3水電站設(shè)備操作技術(shù)落后，大部分靠手動(dòng)控制

該水電站機(jī)電設(shè)備年限久遠(yuǎn)，設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)落后，全靠手動(dòng)操作，自動(dòng)化能力弱，機(jī)電反應(yīng)速率和設(shè)備調(diào)節(jié)速度都很慢，無法達(dá)到安全發(fā)電和電網(wǎng)調(diào)度的需求。同時(shí)，該水電站沒有配備以計(jì)算機(jī)控制為主的監(jiān)控保護(hù)裝置。

3　技改增容方案的選擇

3.1技改增容的要求

(1) 在原有電站基礎(chǔ)上進(jìn)行的增效擴(kuò)容改造，利用原有攔河壩、引水隧洞、壓力鋼管、廠區(qū)建筑物等，在不變水庫正常高程、不改變廠址位置的情況下對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行更新改造。

(2) 增容后，水電站設(shè)備數(shù)量不變，水輪機(jī)的裝載高度不變，轉(zhuǎn)輪汽蝕性能需符合安裝高程的需求。

(3)在充分滿足設(shè)備布局、運(yùn)行便利的條件下，盡可能減少工程施工工作量[4]。

(4)本次增效擴(kuò)容改造將按“無人值班、少人值守”，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2針對主機(jī)組的有效改造方案選擇

根據(jù)水能計(jì)算成果，本電站擴(kuò)機(jī)容量有2×2000 kW、2×2500 kW兩種方案。經(jīng)綜合分析，無論是單位電能投資還是投資回收年限，方案1均優(yōu)于方案2，且方案2由于擴(kuò)容幅度較大，須改造原有引水系統(tǒng)及廠房，所以投資量較大。因此，本次增效擴(kuò)容改造采用4000 kW裝機(jī)方案，擴(kuò)機(jī)后年發(fā)電量1266萬kW·h，下游梯級電站可增加年發(fā)電量135萬kW·h。

3.3水輪機(jī)機(jī)組的最佳配比

裝機(jī)容量2×2000 kW，海拔高程813 m，設(shè)計(jì)水頭46 m。根據(jù)本電站水頭范圍，適合于本電站的混流式臥軸水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪有HLA551、HLA616、HLD74三種轉(zhuǎn)輪型號，根據(jù)上述機(jī)型在相同出力、相同轉(zhuǎn)速的情況下，進(jìn)行比選。經(jīng)比選，HLA616轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度最好，最大使用水頭為75 m，是目前國內(nèi)性能該水頭段最優(yōu)秀的轉(zhuǎn)輪；允許吸出高度最高，抗汽蝕能力最優(yōu)，電站的開挖量相對最小，經(jīng)濟(jì)性好。本次改造推薦選用HLA616-WJ-89水輪機(jī)，轉(zhuǎn)速n=600 r/min。

3.4改造機(jī)電設(shè)備，建立自動(dòng)化系統(tǒng)水電站

本次改造按“無人值班，少人值守”方式設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)期可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)行。配備以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主，僅保留簡易常規(guī)控制開關(guān)的綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，對整個(gè)水電站進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控管理，對整個(gè)輸電線路安全運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)控制，促進(jìn)水電站設(shè)備正常安全的運(yùn)行[5]。

(1)發(fā)電機(jī)改造。原發(fā)電機(jī)為江西電機(jī)廠生產(chǎn)，型號為SFW1600-10/1730，經(jīng)過20 a以上的運(yùn)行，已出現(xiàn)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子線圈污染嚴(yán)重、線圈事故率高、定轉(zhuǎn)子絕緣老化、引出線絕緣老化等缺陷，根據(jù)相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合電站的實(shí)際情況，對發(fā)電機(jī)整機(jī)更新改造。選用發(fā)電機(jī)型號為SFW2000-10/1730，改造后發(fā)電機(jī)額定容量為2000 kW，額定效率不低于95%，絕緣等級為 F級。

(2)主變壓器改造。原有主變壓器1臺(tái)，型號為S9-4000/38.5～6.3 kV，屬國家淘汰產(chǎn)品，產(chǎn)品性能差、能耗高，經(jīng)多年運(yùn)行，已存在安全隱患。根據(jù)相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合電站的實(shí)際情況和本次增容后要求，選用一臺(tái)節(jié)能型主變壓器，型號為S11-5000/38.5～6.3 kV。

(3)其他輔助設(shè)備改造。①調(diào)速器：原調(diào)速器為YDT-1000電控液壓調(diào)速器，自動(dòng)化程度低、調(diào)節(jié)性能差、設(shè)備老化，已無法滿足運(yùn)行要求，本次改造后采用YWT-1000微機(jī)型液壓調(diào)速器，自動(dòng)化程度較高，能滿足增效擴(kuò)容相關(guān)規(guī)定要求；②勵(lì)磁裝置改造。本站原勵(lì)磁裝置為模擬型可控硅靜止勵(lì)磁裝置，由于投產(chǎn)時(shí)間長，設(shè)備老化、自動(dòng)性能降低、故障率高，部分元器件已無法購置，屬淘汰產(chǎn)品，無法滿足機(jī)組正常運(yùn)行要求，擬更新為SWL系列雙微機(jī)可控硅靜止勵(lì)磁裝置。③進(jìn)水閥門：對原有蝶閥控制部分進(jìn)行自動(dòng)化改造。④因原油系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)，及消防、排水系統(tǒng)已老化嚴(yán)重，密封性差，且不滿足更新后機(jī)組要求，本次擬對主要設(shè)備和部分管路進(jìn)行更新改造，并增加自動(dòng)化測量和控制設(shè)備，以適應(yīng)自動(dòng)化系統(tǒng)需要。

(4)高壓配電設(shè)備。電站原35 kV升壓設(shè)備采用戶外式，配置的DW12-35系列多油斷路器等老型號設(shè)備，存在運(yùn)行時(shí)間久、設(shè)備老化嚴(yán)重、漏油嚴(yán)重、開關(guān)設(shè)備性能差、故障率高等因素，嚴(yán)重危及電站的安全運(yùn)行，同時(shí)，升壓站遠(yuǎn)離廠房，運(yùn)行維護(hù)不便且不安全。基于電站地形實(shí)際，本次在廠房原勵(lì)磁變室新建35 kV升壓站，采用35 kV戶內(nèi)式布置，并對升壓站的設(shè)備進(jìn)行更換，選用KYN61-40.5戶內(nèi)成套柜，配ZN85-40.5/1250-31.5 kA型真空斷路器(手車式)；6 kV電壓等級配電柜選用具有完善的“五防”功能的KYN28-12系列抽屜式配電柜等。實(shí)現(xiàn)無油化改造和節(jié)能降耗目的。

(5)控制系統(tǒng)改造。電站原有的控制、測量、信息管理采用常規(guī)控制系統(tǒng)和微機(jī)控制混合，設(shè)備老化、自動(dòng)化程度較低，主要以手動(dòng)控制模式運(yùn)行。本次改造按“無人值班，少人值守”方式設(shè)計(jì)，全部實(shí)行計(jì)算機(jī)監(jiān)控。電站油壓裝置、技術(shù)供水、壓縮空氣系統(tǒng)、滲漏排水等，實(shí)現(xiàn)就地控制和后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)集中監(jiān)控相結(jié)合。

4　整體效果評價(jià)以及效益分析

(1) 社會(huì)效益：通過技術(shù)改造和增容改造，該水電站的運(yùn)行安全大大提升，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的噪音顯著降低，水電站員工的工作量明顯減少，整個(gè)水電站的發(fā)電設(shè)施得到提升，生產(chǎn)環(huán)境大大改善，使得員工的生命和財(cái)產(chǎn)得到了安全保障。

(2) 經(jīng)濟(jì)效益：改造后電站總裝機(jī)容量增至4000 kW(2×200 kW)，多年平均發(fā)電量為1266萬 kW·h，比現(xiàn)狀多年平均發(fā)電量1052萬kW·h增加發(fā)電量214萬kW·h，發(fā)電量提高20.3%。而且可為下游梯級電站增加年發(fā)電量135萬kW·h，經(jīng)濟(jì)收益明顯增大。

(3) 生態(tài)效益：此次水電站技改增容改造完成后，有效改善了生產(chǎn)環(huán)境，改變了當(dāng)?shù)厝嗣裆顥l件，增加了資源的利用率、清潔能源的使用，更好地改善了生態(tài)環(huán)境，大大降低了有害氣體的產(chǎn)生。同時(shí)，資源的充分利用有效地解決了當(dāng)?shù)厝嗣裆钌a(chǎn)用電短缺的情況，很大程度上提升了人民的生活質(zhì)量，加快了受益區(qū)域向社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)邁進(jìn)的步伐。

(4) 節(jié)能效益：項(xiàng)目通過采用新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備、新材料以達(dá)到最少的能量消耗，在不影響生態(tài)放水流量及城區(qū)用水的前提下，使水量利用率達(dá)到87.2%以上，水輪機(jī)效率達(dá)91.78%，發(fā)電機(jī)效率達(dá)95%，獲得較大的節(jié)能效益。

通過電站增效擴(kuò)容，可充分合理利用水能資源，對供電區(qū)內(nèi)實(shí)施以電代柴、以電節(jié)煤，改善農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，增加地方財(cái)政收入，繁榮地方經(jīng)濟(jì)，提高當(dāng)?shù)厣a(chǎn)和生活水平。

5　結(jié)　語

隨著該水電站增容更新改造的完成，改革了原有的技術(shù)水平，新技術(shù)的應(yīng)用對于水電站的發(fā)展是一個(gè)重要的變革，屬于再創(chuàng)造的過程。結(jié)合水電站實(shí)際的發(fā)展?fàn)顩r，采取一定的增改措施，對原有的機(jī)電設(shè)備開展技術(shù)改造、增擴(kuò)容量、維護(hù)更新等改造工作，可以創(chuàng)造出更多效益。在保證農(nóng)村水電站的高效、高性能以及高質(zhì)量的安全運(yùn)行下，采取多種改造技術(shù)手段，結(jié)合實(shí)際情況對水電站設(shè)備進(jìn)行更新改造，大大地促進(jìn)了水電事業(yè)的繁榮發(fā)展，創(chuàng)造更多效益，為人民帶來更多的福音。

[1]郭江，王曉晨.我國農(nóng)村水電廠基礎(chǔ)自動(dòng)化的現(xiàn)狀和展望[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2008(3):78-79.

[2]謝云敏.水輪發(fā)電機(jī)組輔助設(shè)備及自動(dòng)化運(yùn)行與維修[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[3]王進(jìn)東,楊登俊,周永剛.三河閘水電站改造的必要性和可行性[J]. 中國農(nóng)村水利水電,2011(2):45-47.

[4]許宏棉.騰蛟水電站增容改造的探討[J].小水電,2010(3):78-80.

[5]歐清樹.廣東省部分小水電站運(yùn)行和改造現(xiàn)狀[J].小水電,2010(3):65-67.

陳棟才(1976-)，男，工程師，主要從事安全生產(chǎn)管理方面的工作。

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