范建軍（博樂農(nóng)五師全新勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，新疆 博樂 833400）

水電站增容改造方案及自動(dòng)化技術(shù)研究

范建軍
（博樂農(nóng)五師全新勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，新疆 博樂 833400）

隨著水力發(fā)電生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，水電站內(nèi)部運(yùn)行層次實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化升級(jí)，這對(duì)水電站發(fā)電生產(chǎn)效率提出了更高要求。為了改變?cè)缙谛∫?guī)模生產(chǎn)帶來的不足，水電站開始對(duì)發(fā)電機(jī)組實(shí)施增容改造，以進(jìn)一步擴(kuò)大站內(nèi)發(fā)電生產(chǎn)的運(yùn)行能力。本文以具體工程為例，分析了水電站機(jī)組設(shè)備運(yùn)行存在的問題，以水電站自動(dòng)化為技術(shù)改革方向，提出水電站實(shí)現(xiàn)“少人值班、無人值守”工作模式的綜合對(duì)策。

水電站；增容改造；自動(dòng)化；研究

發(fā)電機(jī)組是決定水電站生產(chǎn)能力的關(guān)鍵設(shè)備，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)影響著整個(gè)水電站的生產(chǎn)效率?，F(xiàn)狀電站均位于水能資源都是較為豐富位置，但由于早期機(jī)組發(fā)電效率較低、機(jī)組老化等問題，發(fā)電效益較低，因此，我國水電站必須提出可行的增容改造方案，在現(xiàn)有機(jī)組基礎(chǔ)上增容改造實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)收益。在增容改造方案實(shí)施期間，可采用自動(dòng)化技術(shù)輔助項(xiàng)目運(yùn)行，以確保獲得最佳的機(jī)組改造成效。

1 工程概述

溫泉火炬電站隸屬于博州水力發(fā)電廠，位于溫泉大橋水文站下游4.18km的博河南岸，博格達(dá)水電站下游2.7km處，地理坐標(biāo)東經(jīng)81°04′56.76″，北緯44°58′59.16″，火炬電站于1987年11月投產(chǎn)使用，電站裝機(jī)容量2500kW（現(xiàn)狀廠房共計(jì)3臺(tái)機(jī)組，其中1#機(jī)組為預(yù)留機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭24.14m，設(shè)計(jì)流量15.0m3/s，年發(fā)電量1000萬kW.h，年利用小時(shí)數(shù)4000h。

2 水電站機(jī)電設(shè)備存在問題

博州地區(qū)缺煤少電，資源匱乏，故必須大力發(fā)展可再生能源。同時(shí)由于水電增效擴(kuò)容不需移民，不增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，開發(fā)成本和電能質(zhì)量均優(yōu)于風(fēng)電、太陽能等同類清潔能源。水電站水輪機(jī)設(shè)備存在的問題:發(fā)電機(jī)絕緣老化，溫升增加、滑環(huán)嚴(yán)重冒火，水輪機(jī)經(jīng)過多年運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪等過流部件磨損、變形現(xiàn)象嚴(yán)重，雖經(jīng)補(bǔ)焊但葉片變厚、變粗糙與原設(shè)計(jì)誤差較大，機(jī)組效率嚴(yán)重下降，自動(dòng)化程度較低。水輪機(jī)等水力機(jī)械設(shè)備由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)等方面的制約，水輪發(fā)電機(jī)組綜合效率較低，加上多年運(yùn)行，效率逐年下降。目前機(jī)組綜合效率多在65%以下，其附屬電氣設(shè)備自動(dòng)化程度較低，能耗高，故障多，部分設(shè)備屬國家明令淘汰產(chǎn)品，備件已無從購買。

3 水電站增容改造自動(dòng)化技術(shù)及方案

科學(xué)技術(shù)是推動(dòng)水電站自動(dòng)化建設(shè)的根本保障，機(jī)組增容改造必須結(jié)合信息科技，才能擬定更加完整的生產(chǎn)調(diào)度方案。自動(dòng)化技術(shù)主要是實(shí)現(xiàn)“少人值班、無人值守”的目的，主要改造方法:

3.1 調(diào)度系統(tǒng)

根據(jù)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)處理所得結(jié)果，發(fā)電控制室傳遞相關(guān)的指令信號(hào)，為發(fā)電配送與控制提供明確的指令?，F(xiàn)代化發(fā)電調(diào)度操控中心要設(shè)定多種傳輸路徑，避免信號(hào)傳輸過于集中而影響到控制效率。比如，選擇智能化傳輸路徑為主控模式，由服務(wù)器自動(dòng)選擇路徑完成信號(hào)傳輸命令，減小了人工操作作業(yè)的難度。

3.2 控制系統(tǒng)

電力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備運(yùn)行的優(yōu)化配置，為發(fā)電設(shè)備調(diào)度提供了多元化作業(yè)平臺(tái)。電力信號(hào)是傳輸用電指令的主要載體，借助電力信號(hào)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)控的自動(dòng)化模式，幫助企業(yè)解決發(fā)電設(shè)備調(diào)度運(yùn)行的不足?；谧詣?dòng)化科技改良趨勢(shì)下，電力企業(yè)開始把用電信號(hào)與智能系統(tǒng)聯(lián)用，擴(kuò)大了電信號(hào)工作范圍及調(diào)控領(lǐng)域。對(duì)發(fā)電數(shù)據(jù)實(shí)施跟蹤采集，及時(shí)收錄于發(fā)電相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，為控制室調(diào)度提供真實(shí)的參考。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)機(jī)組數(shù)據(jù)及時(shí)存儲(chǔ)是信息系統(tǒng)的主控功能，機(jī)組控制室人員有選擇地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，為發(fā)電站發(fā)電使用與分配提供參考。水電站采用事故報(bào)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)化報(bào)警與處理，這也是增容改造中不可缺少的一部分。例如，為了適應(yīng)水電站自動(dòng)化平臺(tái)的傳輸要求，需做好水電站內(nèi)部用電、用水、用氣的安全監(jiān)控，科學(xué)地利用智能化口令完成事故報(bào)警操作。

4 水輪機(jī)增容綜合改造方案

更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及附屬設(shè)備改造。將現(xiàn)有水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換為H L J F 3017-L J-120，更換原發(fā)電機(jī)原線圈，采用云母復(fù)合薄膜材料纏裹導(dǎo)線，復(fù)合絕緣紙作襯墊，占用空間較小。絕緣材料的更新不僅使絕緣等級(jí)提高到F級(jí)，增設(shè)機(jī)前蝶閥，型號(hào)為D 941X -0.6，DN 1800，對(duì)電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)改造。

4.1 水輪機(jī)參數(shù)

水電站先用水輪機(jī)型號(hào)為 H L 240-L J-120，依據(jù)H L 240-L J-120機(jī)組型譜圖可知，發(fā)電機(jī)效率η電=95%，則水輪機(jī)單機(jī)出力為:

N=N裝/η電=1250/0.95=1316k W根據(jù)電站的設(shè)計(jì)水頭及水頭變化范圍，查H L 240-46模型綜合特性曲線見圖1。

圖1 H L 240-46模型綜合特性曲線

（1）確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑

根據(jù)H L 240系列轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上查得模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速η11m=72.0γ/m i n，模型最高效率η m a X=91.5%，自η11m點(diǎn)作水平線與5%出力限制線相交，交點(diǎn)相應(yīng)的單位流量Q11=1240L/s。此工況對(duì)模型機(jī)效率為η m=90.4%，假設(shè)效率修正系數(shù)取2.0%，則水機(jī)效率

η水=η m-2.5%=90.4%-5.0%=87.9%，則水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為:

根據(jù)轉(zhuǎn)輪直徑尺寸確定D1=1.2m（與原機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑一致）。

（2）計(jì)算效率修正值

對(duì)混流式水輪機(jī)，當(dāng)H＜150m時(shí)，用下式計(jì)算，其中 D1M=0.46m，ηM·maX=91.5%，D1= 1.20m，故:

采用工藝修正值Δ η3=2.5%，則效率修正值為:由此時(shí)的水輪機(jī)在限制工況的效率為:

ηmaX=ηM·maX+Δ η=91.5%-1.02%=90.48%

（3）計(jì)算單位轉(zhuǎn)速

故單位轉(zhuǎn)速不予修正。

（4）計(jì)算水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n

選擇現(xiàn)狀水輪發(fā)電機(jī)同期轉(zhuǎn)速，300γ/m i n，與現(xiàn)狀一致。

（5）計(jì)算允許吸出高度Hs

在設(shè)計(jì)水頭時(shí)，水輪機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)為轉(zhuǎn)速73.3γ/m i n，流量990L/s，在綜合特性曲線上查得氣蝕系數(shù)σ=0.19，同時(shí)Δ σ=0.042，則吸出高度

4.2 替代水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)

根據(jù)電站的設(shè)計(jì)水頭及水頭變化范圍，查《反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪暫行系列型譜》，選用 H L J F 3017系列。依據(jù)H L J F 3017-35機(jī)組模型綜合特性曲線可知，見圖2，發(fā)電機(jī)效率η電=95%，則水輪機(jī)單機(jī)出力為:

圖2 H L J F 3017-35機(jī)組模型綜合特性曲線

（1）計(jì)算轉(zhuǎn)輪直徑D1

根據(jù)H L J F 3017系列轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上查得模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速 n1′0=72.0γ/m i n，最高效率ηM=94.06%，單位流量采用與n1′0相應(yīng)出力限制線上（5%）的單位流量Q1′=1400L/s，此工況對(duì)模型機(jī)效率ηm=87.8%，假設(shè)效率修正系數(shù)Δ η=2.5%，則水機(jī)效率初步計(jì)算可采用η=ηm+Δ η=90.3%，故水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為:

取直徑D1=1.2m。

（2）計(jì)算效率修正值

對(duì)混流式水輪機(jī)，當(dāng)H＜150m時(shí)，用下式計(jì)算，其中D1M=0.35m，ηM·maX=94.06%，D1= 1.2m，故:

采用工藝修正值 Δ η3=2.5%，則效率修正值為:

Δ η值與原假設(shè)值基本相符，故D1轉(zhuǎn)輪直徑選擇正確，

（3）計(jì)算單位轉(zhuǎn)速

故單位轉(zhuǎn)速不予修正。

（4）計(jì)算水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)同期轉(zhuǎn)速，選用n=300γ/m i n。（5）計(jì)算允許吸出高度H s

在設(shè)計(jì)水頭時(shí)，水輪機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)為轉(zhuǎn)速74.6γ/m i n，流量1190L/s，在H L J F 3017-35機(jī)組模型綜合特性曲線上查得σ=0.103，則吸出高度1.2*0.103*23.27=5.79m現(xiàn)狀吸出高度為 1.85m，滿足最小吸出高度的要求。

4.3 更換新型轉(zhuǎn)輪的型式增容比較

根據(jù)電站現(xiàn)狀及存在的主要問題，為充分利用水能和提高設(shè)備利用率，保證機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，必須對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組改造方案進(jìn)行認(rèn)真分析、論證。更換新型高效水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的型式增容根據(jù)電站的具體條件與技改目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用新型的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪替代現(xiàn)狀水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，理論上可是電站增容20%左右。施工工期短，投資較低，對(duì)電站正常運(yùn)行影響不大。

（1）H L 240與H L J F 3017轉(zhuǎn)輪的性能比較

溫泉縣火炬電站 H L 240機(jī)組，在限制工況點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速為 72r/m i n，額定出力時(shí)的單位流量912.0L/s，而改造后的轉(zhuǎn)輪，限制單位流量期望值為1400L/s。經(jīng)分析，在已有幾何參數(shù)相近、性能較優(yōu)的轉(zhuǎn)輪篩選后，初選H L J F 3017轉(zhuǎn)輪，二者參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 兩種轉(zhuǎn)輪參數(shù)對(duì)比表

（2）機(jī)組預(yù)期最大出力

根據(jù)HLJF3017綜合特性曲線，在設(shè)計(jì)工況單位轉(zhuǎn)速74.6r/min時(shí)，單位流量Q1′=1190L/s，效率η為89.35%，根據(jù)計(jì)算可知，機(jī)組出力可達(dá)到1600kW，增幅在3%左右，可使水輪發(fā)電機(jī)組得到比較充分的利用。

（3）空化系數(shù)的比較

一般來說，空化系數(shù)隨著比轉(zhuǎn)速的增加而增加，由表1可見，HLJF3017轉(zhuǎn)輪與H L240轉(zhuǎn)輪相比，HLJF3017的過流能力大于HL240，而空化系數(shù)σ卻小于HL240，說明HLJ F3017轉(zhuǎn)輪的優(yōu)越性。

HL240機(jī)組的單位轉(zhuǎn)速為73.3r/min，限制單位流量為1240L/s，空化系數(shù)為0.19；而HLJF3017的限制單位流量為1400L/s，空化系數(shù)為0.103。由此可見，HLJF3017轉(zhuǎn)輪比HL240轉(zhuǎn)輪，過流能力大為提高，空化系數(shù)不但沒有增加反而有大幅度的下降。

（4）效率特性比較

根據(jù)H LJF3017轉(zhuǎn)輪和HL240轉(zhuǎn)輪模型特性曲線，得出兩轉(zhuǎn)輪在轉(zhuǎn)速為74.3r/min時(shí)，模型效率對(duì)比表見表2。

表2 兩種轉(zhuǎn)輪模型效率對(duì)應(yīng)的單位流量值

由表2可知，當(dāng)1.095m3/s＜Q＜1.4m3/s的運(yùn)行區(qū)域，H L J F 3017的效率要比H L 240的高出4%左右，在小流量運(yùn)行時(shí)，H L J F 3017能保證在枯水期的運(yùn)行，也就是說，更換轉(zhuǎn)輪后，除增加單位流量帶來的發(fā)電量外，還能額外獲得水力效率提高增加的發(fā)電量。單機(jī)流量由原設(shè)計(jì)7.5m3/s增加至8.0m3/s（上述計(jì)算含第三章水能計(jì)算均按單機(jī)流量8.0m3/s計(jì)算）。根據(jù)上述比較，可以看出采用H L J F 3017轉(zhuǎn)輪替代現(xiàn)有H L 240轉(zhuǎn)輪，可使機(jī)組出力從1250kW增加至1600kW。

因此，根據(jù)電站現(xiàn)狀及存在的主要問題，為充分利用水能和提高設(shè)備利用率，保證機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，必須對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組改造方案進(jìn)行認(rèn)真分析、論證。更換新型高效水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的型式增容根據(jù)電站的具體條件與技改目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用新型的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪替代現(xiàn)狀水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，理論上可使電站增容20%左右。施工工期短，投資較低，對(duì)電站正常運(yùn)行影響不大。

5 結(jié)論

對(duì)水電站機(jī)組實(shí)施增容改造，不僅擴(kuò)大了電站內(nèi)部作業(yè)的生產(chǎn)效率，也實(shí)現(xiàn)了機(jī)組運(yùn)行模式的優(yōu)化轉(zhuǎn)變，創(chuàng)建“少人值班、無人值守”的工作模式?？上龎误w漂浮雜物進(jìn)水輪機(jī)組造成工程安全隱患，保證電站正常引水發(fā)電，減少因雜物進(jìn)入機(jī)組，致使水翻過壩頂水淹毀廠房，導(dǎo)致運(yùn)行人員安全運(yùn)行的隱患，同時(shí)也是保障下游農(nóng)田灌溉及水利設(shè)施安全的前提條件。

［1］黃益生.獅子灘電站改造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的研制［J］.四川電力技術(shù)，1992（04）.

［2］晏峻峰.新疆疏附縣吾庫薩克水電站機(jī)組增容改造［J］.黑龍江水利科技，2010（03）.

［3］陸大為，林環(huán)興.小型水電站增容改造的體會(huì)［J］.中國農(nóng)村水利水電，2007（03）.

TV 73

：B

：1672-2469（2015）03-0052-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.020

范建軍（1981年—），男，工程師。