蔣明星

（福建省尤溪縣柳塘水庫(kù)管理處 三明市 365100）

柳塘水庫(kù)壩后電站機(jī)電設(shè)備改造方案分析

蔣明星

（福建省尤溪縣柳塘水庫(kù)管理處 三明市 365100）

柳塘水庫(kù)壩后式電站是20世紀(jì)70年代末興建的小水電站，至現(xiàn)已運(yùn)行了40余年，該電站的建筑物、機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)不同程度的老化，嚴(yán)重影響機(jī)組出力和安全運(yùn)行。為了提高水能利用率和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，文章通過(guò)對(duì)電站存在問(wèn)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(yùn)行，發(fā)揮最大經(jīng)濟(jì)效益。

小水電站 自動(dòng)化增容 改造分析

1 工程概況

柳塘水庫(kù)位于尤溪縣管前鎮(zhèn)柳塘村，1977年9月動(dòng)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(yú)等綜合利用的重要中型水庫(kù)工程。壩址以上集雨面積100 km2，最大壩高43.6 m，壩長(zhǎng)250 m，校核洪水位584.10 m，總庫(kù)容4 400萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水位582.85 m，相應(yīng)庫(kù)容4 110萬(wàn)m3，正常高水位582.80 m，相應(yīng)庫(kù)容4 099萬(wàn)m3。柳塘水庫(kù)壩后電站作為配套項(xiàng)目，其總裝機(jī)1 400 kW，1#機(jī)組HL220-WJ-50水輪機(jī)配發(fā)電機(jī)TSWN99/37-6，裝機(jī)容量為500 kW；2#機(jī)組HL220-WJ-50水輪機(jī)配發(fā)電機(jī)TSWN99/46-8，裝機(jī)容量為500 kW。3#機(jī)組HL240-WJ-50水輪機(jī)配發(fā)電機(jī)TSWN99/46-8，裝機(jī)容量為400 kW。為充分利用水資源，1995年對(duì)3#機(jī)組改造，HL240-WJ-60水輪機(jī)配發(fā)電機(jī)SFW630-10/1180，裝機(jī)容量為630 kW。至此電站總裝機(jī)容量為1 630 kW。建成投產(chǎn)后，機(jī)組運(yùn)行正常，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)基本能達(dá)到設(shè)計(jì)水平，但隨著時(shí)間的推移，該水電站的構(gòu)筑物、機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)不同程度的老化失修，嚴(yán)重影響機(jī)組出力和安全運(yùn)行。特別是近幾年來(lái)，運(yùn)行情況每況愈下，嚴(yán)重威脅設(shè)備和人生安全。

2 改造必要性

柳塘水庫(kù)壩后電站自運(yùn)行以來(lái)，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(jì)效益，可以適當(dāng)增加該站的裝機(jī)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(yán)重，部分墻體脫落，地面不平整。6 kV高壓柜與繼電保護(hù)屏和中控臺(tái)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(shè)備爆炸發(fā)生火災(zāi)，后果不可想象。水輪機(jī)為20世紀(jì)70年代產(chǎn)品,其效率遠(yuǎn)低于目前水輪機(jī)，同時(shí)設(shè)備磨損嚴(yán)重，各部位都有不同程度的漏水。進(jìn)水主閥是Z944H-10/DN1000的手、電動(dòng)操作閘閥，主閥關(guān)閉狀態(tài)有漏水現(xiàn)象，三個(gè)進(jìn)水閘閥操作費(fèi)力、不可靠，不能達(dá)到微機(jī)監(jiān)控、操作的要求。機(jī)電設(shè)備檢測(cè)用2 500 V MΩ表檢測(cè)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(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)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(shè)備已嚴(yán)重老化，存在安全隱患?？煽毓鑴?lì)磁裝置，設(shè)備陳舊，調(diào)節(jié)性能差，更達(dá)不到微機(jī)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(guó)家列入淘汰產(chǎn)品目錄，原建設(shè)時(shí)沒(méi)有主變壓器儲(chǔ)油坑及排油管道等設(shè)施，給運(yùn)行、維護(hù)和管理留下安全隱患。敞開(kāi)式的GG-1A開(kāi)關(guān)柜，不具備“五防”條件；斷路器為SN10-10少油開(kāi)關(guān)存在斷流容量小、漏油嚴(yán)重等問(wèn)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(shí)間長(zhǎng)絕緣老化。35 kV斷路器采用DW1-35多油開(kāi)關(guān)，漏油嚴(yán)重、可靠性低；電站的防雷接地保護(hù)網(wǎng)腐爛，無(wú)法保障電站的設(shè)備運(yùn)行安全和人員的人身安全；電站的上網(wǎng)計(jì)量裝置陳舊老化，計(jì)量誤差大，影響電站的效益。電站現(xiàn)有直流系統(tǒng)設(shè)備老化、可靠性差，監(jiān)控儀表精度差，控制設(shè)備和保護(hù)裝置陳舊、自動(dòng)化程度低，繼電保護(hù)落后、動(dòng)作不靈敏，運(yùn)行的安全性和可靠性達(dá)不到要求；現(xiàn)有載波設(shè)備落后，不能適應(yīng)微機(jī)通信要求。

3 改造方案

針對(duì)電站存在諸多問(wèn)題，根據(jù)實(shí)地情況，對(duì)發(fā)電廠房及機(jī)電設(shè)備進(jìn)行改造。對(duì)墻體進(jìn)行加固和整修，廠房地面用大理石鋪設(shè)。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(hù)設(shè)備，中控室地面高程與主廠房相同。在機(jī)電設(shè)備改造方面，主要包括以下內(nèi)容：

（1）水輪機(jī)。要解決水輪機(jī)存在的問(wèn)題，首先是水輪機(jī)選型要合理，充分利用水資源，選擇過(guò)流恰當(dāng)且效率高的水輪機(jī)，以改變?cè)啓C(jī)設(shè)計(jì)水頭單一造成效率低及老化的現(xiàn)狀，同時(shí)應(yīng)考慮原引水道過(guò)流能力和廠房尺寸要求，盡量利用原機(jī)座及尾水部分。通過(guò)水力計(jì)算，水輪機(jī)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(kù)調(diào)節(jié)的電站，工作水頭范圍（20～40）m，根據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)該水頭段及流量機(jī)組機(jī)型分析及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，采用反擊式水輪機(jī)能滿(mǎn)足要求。鑒于電站是增效擴(kuò)容改造工程，考慮節(jié)省工程投資，機(jī)型選擇應(yīng)充分利用原機(jī)型的基礎(chǔ)部分，減少機(jī)組基礎(chǔ)工程的投資。通過(guò)方案對(duì)比，推薦采用混流式 （HLA551）機(jī)型和混流式（HL240）機(jī)型。電站原安裝機(jī)組3臺(tái)，為減少不必要的廠房投資，電站增效擴(kuò)容改造工程裝機(jī)3臺(tái)，根據(jù)電站水頭和流量，選擇混流式（HLA551）機(jī)型2臺(tái)和（HL240）機(jī)型1臺(tái)，單機(jī)容量630 kW和500 kW。在混流式機(jī)組安裝時(shí)，需保證進(jìn)水口及尾水管出口的淹沒(méi)深度≥0.5 m的要求。

（2）輔助設(shè)備。柳塘水庫(kù)壩后電站調(diào)速設(shè)備選用YWT-300微機(jī)調(diào)速器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)控制、監(jiān)視和修改、診斷與容錯(cuò)、遠(yuǎn)程通訊以及調(diào)試實(shí)驗(yàn)功能。供水排水系統(tǒng)由于電站是低水頭電站，技術(shù)供水主要是機(jī)組軸承冷卻用水及檢修用水，用水量較小，故技術(shù)供水直接取自壓力管供水經(jīng)減壓閥減壓后就能達(dá)到技術(shù)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(dòng)補(bǔ)氣，不需專(zhuān)設(shè)中壓氣系統(tǒng)，低壓氣主要是供給機(jī)組制動(dòng)及檢修等用氣，低壓氣系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)W-2/8型低壓空壓機(jī)，互為備用。供水水頭測(cè)量電站直接取自水庫(kù)，水庫(kù)水位變化范圍大，水庫(kù)水位測(cè)量用KH807水位變送器，變送器安裝在機(jī)組技術(shù)供水總管和各軸承冷卻水進(jìn)口或出口進(jìn)行壓力測(cè)量，其數(shù)字由相應(yīng)的壓力表或壓力變送器進(jìn)行現(xiàn)地顯示或遠(yuǎn)送，信號(hào)均傳至上位機(jī)。

（3）電氣。柳塘水庫(kù)壩后站安裝3臺(tái)臥式低壓機(jī)組，總裝機(jī)為1 760 kW，機(jī)組出口電壓為0.4 kV，3臺(tái)機(jī)組按單母線不分段并列運(yùn)行，電能經(jīng)1臺(tái)主變升壓到38.5 kV，主變型號(hào)為S11—2500/38.5-0.4。0.4 kV側(cè)發(fā)電機(jī)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(cè)量、控制保護(hù)與一次設(shè)備同組一屏，做到簡(jiǎn)單緊湊一體化。在近區(qū)變低壓配電屏上安裝廠用電開(kāi)關(guān)，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(jiǎn)單清晰，設(shè)備先進(jìn)節(jié)能，運(yùn)行靈活，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)發(fā)電機(jī)存在問(wèn)題，改造后：1#機(jī)型號(hào)為SFW630-8/ 990；2#機(jī)型號(hào)為SFW500-10/990。機(jī)組采用無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，其勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置具有微機(jī)通信功能和配有RS485通訊口，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁裝置與后臺(tái)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(fù)建變壓器油坑、排油溝、變壓器墩。技改后，發(fā)電機(jī)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(kāi)關(guān)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(jī)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(shè)備與導(dǎo)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(guò)電壓保護(hù)及接地按《水力發(fā)電廠過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 5090-1999）、《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》（DL/ T 5091-1999）的有關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和主變低壓中性點(diǎn)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(kāi)關(guān)站設(shè)獨(dú)立的避雷針?lè)乐闺姎庠O(shè)備遭雷電襲擊。升壓站內(nèi)設(shè)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(hù)建筑物。全廠接地設(shè)計(jì)充分利用現(xiàn)有接地體，同時(shí)再補(bǔ)充設(shè)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(shè)備均應(yīng)按規(guī)程要求可靠接地。

（5）電氣二次設(shè)備。本技改工程租用電信光纜，實(shí)現(xiàn)與縣調(diào)及其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通訊，傳遞各種事件信息，接受下行命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，所有傳送信息的變化響應(yīng)時(shí)間≤2 s，SOE分辨率≤2 ms。計(jì)算機(jī)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(jì)算表達(dá)式為：

式中 A——可用性；

可使用時(shí)間=考核（試驗(yàn)）時(shí)間；

h——維修停機(jī)時(shí)間（h）。

通信電源由廠用電和直流提供，正常時(shí)采用廠用交流電，當(dāng)交流電源消失時(shí)，切換到直流電源。為了滿(mǎn)足可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性的要求，本著“經(jīng)濟(jì)實(shí)用、簡(jiǎn)單可靠、技術(shù)先進(jìn)、便于擴(kuò)展”的原則設(shè)置計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采用先進(jìn)成熟的硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠與調(diào)速器、勵(lì)磁、同期裝置、保護(hù)和低壓智能開(kāi)關(guān)等廠內(nèi)智能設(shè)備進(jìn)行通信，并預(yù)留遠(yuǎn)方調(diào)度接口，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)、遙信及遙測(cè)。具有數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)，安全運(yùn)行監(jiān)視及事故報(bào)警，屏幕顯示事故處理指導(dǎo)和恢復(fù)指導(dǎo)，語(yǔ)音報(bào)警，統(tǒng)計(jì)與制表，數(shù)據(jù)通信，鍵盤(pán)操作，電站設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理，系統(tǒng)自診斷與冗余切換，軟件開(kāi)發(fā)及培訓(xùn)仿真系統(tǒng)等基本功能；實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組開(kāi)、停、運(yùn)轉(zhuǎn)以及增減負(fù)荷等自動(dòng)控制的基本要求；對(duì)全廠的主要電量、非電量、狀態(tài)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)巡檢、自動(dòng)打印各種報(bào)表、事故記錄和顯示各種狀態(tài)等功能。從而達(dá)到全自動(dòng)化管理水平，達(dá)到少人值守的要求。

（6）送出設(shè)備。柳塘水庫(kù)壩后站主變及開(kāi)關(guān)站布置在主廠房的后側(cè)，35 kV配電裝置為戶(hù)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(kāi)關(guān)，漏油嚴(yán)重、可靠性低；由于運(yùn)行年限較長(zhǎng)，電站的防雷接地保護(hù)網(wǎng)腐爛，無(wú)法保障電站的設(shè)備運(yùn)行安全和人員的人身安全；電站的上網(wǎng)計(jì)量裝置陳舊老化，計(jì)量誤差大，影響電站的效益。改造后，35 kV配電裝置仍為戶(hù)外中型布置，采用 ZW38-40.5/2000戶(hù)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(kāi)關(guān)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(cè)量與計(jì)量的精確度。同時(shí)補(bǔ)建變壓器儲(chǔ)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(hù)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(kāi)關(guān)設(shè)備，配CT19-IVB型彈簧儲(chǔ)能操動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以遠(yuǎn)控電動(dòng)儲(chǔ)能、電動(dòng)分、合閘操作，也可就地手動(dòng)儲(chǔ)能、手動(dòng)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(wú)油、抗污染、抗凝露，開(kāi)斷電流大，電壽命長(zhǎng)。在額定電壓下連續(xù)開(kāi)斷31.5 kA短路電流可達(dá)20次，額定電流2 000 A，能滿(mǎn)足系統(tǒng)短路電流的要求。機(jī)械可靠性?xún)?yōu)越，機(jī)械壽命達(dá)10 000次，能頻繁操作。

4 結(jié)論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電負(fù)荷增長(zhǎng)較快，供用電矛盾日益突出，電力已成為制約地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，為了更好地開(kāi)發(fā)和利用水能資源，合理調(diào)度水資源，對(duì)柳塘水庫(kù)壩后電站自動(dòng)化增效擴(kuò)容改造，有利于節(jié)能利用，安全運(yùn)行；有利于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展；有利于增強(qiáng)水庫(kù)經(jīng)濟(jì)實(shí)力。同時(shí)，能緩解電網(wǎng)供需矛盾，保障生產(chǎn)生活用電需求，推動(dòng)水利產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程。

[1]水利部.農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見(jiàn)[R].

[2]水利部.農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目機(jī)電設(shè)備選用指導(dǎo)意見(jiàn)[R].

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

[4]SL 179-2011.小型水電站初步設(shè)計(jì)報(bào)告編制規(guī)程[R].

2016-12-23）

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