李成光

(鹽井口水庫管理處，重慶 梁平 405200)

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增效擴(kuò)容改造對農(nóng)村小水電的重要作用

李成光

(鹽井口水庫管理處，重慶 梁平 405200)

增效擴(kuò)容改造對農(nóng)村小水電有兩大主要好處：一是通過改造，可擴(kuò)大裝機(jī)容量，提高電力生產(chǎn)效率，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)揮小水電站在國民經(jīng)濟(jì)中所占的重要作用；二是通過改造，可消除安全隱患，提高設(shè)備的保護(hù)性能，保障安全運行，實現(xiàn)水電站機(jī)組的微機(jī)自動化控制，改善工作環(huán)境，達(dá)到無人值班(少人值守)的目的。表3個。

農(nóng)村小水電；增容改造；效益；安全

0 引 言

農(nóng)村小水電增效擴(kuò)容改造是一件利國利民的大事，改造前后發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)和設(shè)備有著相當(dāng)大的變化；從經(jīng)濟(jì)收入上面來說，大幅度地提高了發(fā)電效益，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益；從設(shè)備上面來看，新、舊對比有著巨大的變化，從設(shè)備簡單、設(shè)計落后的電站改造成為由計算機(jī)自動化系統(tǒng)控制的現(xiàn)代化發(fā)電站，消除了存在多年的安全隱患。

2011年，鹽井口水庫發(fā)電站列入水利部、財政部全國農(nóng)村小水電增效擴(kuò)容改造第一批試點項目，7月土建工程完成，10月完成設(shè)備的安裝調(diào)試，2012年11月6日機(jī)組啟動驗收，通過72 h試運行后，投入正常的電力生產(chǎn)運行。對于一個不具備擴(kuò)大裝機(jī)容量條件的水電站來說，努力提高發(fā)電效率，實現(xiàn)計算機(jī)自動化控制，保證機(jī)組的安全運行，是一種很好的選擇。

1 在提高經(jīng)濟(jì)效益上的作用

1.1 電站改造前后發(fā)電量的對比

在發(fā)電站改造前的4 a中(見表1)，水庫的最低水位都控制在25 m左右，全年降水量都在1 200 mm左右，其中2010年降水量大約為800 mm。所以在正常條件下舊設(shè)備的全年發(fā)電量為115萬kW·h。

表1 發(fā)電站改造前4 a的發(fā)電量

2014年的發(fā)電量是水電站歷史上從未達(dá)到過的(見表2)，機(jī)組改造之后在同樣的條件下發(fā)電量大幅度地提高，與機(jī)組設(shè)備的效率全面提高是分不開的，也是水電增效擴(kuò)容改造后取得的重大成果。

表2 發(fā)電站改造后的發(fā)電量

1.2 提高經(jīng)濟(jì)效益的主要因素

減小水能損失，提高電力生產(chǎn)的效率，必須對電力生產(chǎn)的設(shè)備進(jìn)行全面的改造換代，徹底淘汰效率低、能耗高的設(shè)備；主要包括水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、電纜線等。

(1)更換水輪機(jī)是提高發(fā)電站效率的基礎(chǔ)

首先是對水電站的動力設(shè)備進(jìn)行改造，采用新型號的水輪機(jī)。水電站在建站時，受到當(dāng)時技術(shù)落后的特殊環(huán)境時期和計劃經(jīng)濟(jì)的影響，水輪機(jī)生產(chǎn)廠家很少，品種單一，廠家不能根據(jù)用戶的設(shè)計需要進(jìn)行生產(chǎn)，而是用戶根據(jù)廠家定型號的產(chǎn)品來建設(shè)水電站；鹽井口水庫發(fā)電站就是在這種情況下建成的(見表3)。

表3 新、舊水輪機(jī)的型號及參數(shù)

從型號的對比上可以看出，改造后的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速降低了，在實際的電力生產(chǎn)中，水位在28 m時，機(jī)組出力就能達(dá)到400 kW，而舊的水輪機(jī)在這種情況下機(jī)組出力只能達(dá)到350 kW，甚至更低。在水頭和出力相同的條件下，新型號的水輪機(jī)所需的流量減少了7.3%，考慮在其他有利因素的作用下，效率將提高10%以上。

水輪機(jī)的重要部件轉(zhuǎn)輪設(shè)計品質(zhì)、制造工藝以及選用的材料對提高效率有非常重要的作用?，F(xiàn)在普遍采用計算機(jī)設(shè)計，選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼制作，使得水輪機(jī)工作轉(zhuǎn)輪具有完美的線性和良好的抗氣蝕性能。改造后的水機(jī)工作轉(zhuǎn)輪就是使用了不銹鋼材料制作的葉片，經(jīng)過幾年的運行后檢查，轉(zhuǎn)輪沒有產(chǎn)生較大的氣蝕現(xiàn)象，而舊機(jī)組早已發(fā)生轉(zhuǎn)輪葉片穿孔現(xiàn)象，此時工作效率大幅度降低，出力迅速減小。所以，新型號轉(zhuǎn)輪可靠地保證了水機(jī)效率的提高。

(2)變壓器的改造是提高效率、降低損耗的重要環(huán)節(jié)

發(fā)電站改造前使用的是20世紀(jì)80年代生產(chǎn)的S5型普通配電變壓器，能耗高，運行時發(fā)熱量特別高。由于是Y—Y0接線組別，三次諧波電流大，空載損耗及空載電流大，加劇了電能的損耗。

改造后使用的是新型號的S11型變壓器，是油浸自冷新型節(jié)能型產(chǎn)品，聯(lián)接組別為DYN—11，有利于降低三次諧波電流，為卷鐵芯全密封型變壓器，是近幾年研制的新一代低噪聲、低損耗型變壓器；其鐵芯無接縫，較大地減少了空載損耗及空載電流，使空載電流降低60%～80%，高低壓線圈在芯柱上連續(xù)繞制，繞組緊實，同心度好，而且使噪聲下降10 dB以上，溫升低16～20 K。由于鐵芯(橫截面為純圓形)連續(xù)卷繞，充分利用了硅鋼片的取向性，使空載損耗降低了20%～30%。

發(fā)電站現(xiàn)在采用的是擴(kuò)大單元接線方式，一般正常水位時，單機(jī)發(fā)電運行，變壓器負(fù)荷在50%時，輸送電能的效率最高，全年在這種工況下運行時段最長。合理的運行調(diào)度對提高效率起到了充分的作用。

(3)更換新型發(fā)電機(jī)降低損耗對提高效率有一定的作用

改造前使用的是1982年生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)，由同軸直流勵磁機(jī)勵磁，效率低下，維護(hù)工作量大，運行工作發(fā)熱量很大。

現(xiàn)在更換的發(fā)電機(jī)為可控硅靜止勵磁方式，由微機(jī)勵磁裝置控制輸入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵磁電流，勵磁轉(zhuǎn)換效率高，勵磁變壓器同樣采用S11型的節(jié)能型產(chǎn)品。

發(fā)電機(jī)定子由優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片制作，大大降低了磁滯損耗和渦流損耗，根據(jù)廠家的產(chǎn)品技術(shù)說明書，發(fā)電機(jī)的效率可達(dá)到96%。

(4)更換電力電纜線是增效降耗的首要因素

在水電站建造的時候，國家經(jīng)濟(jì)困難，物資短缺，作為電纜線的銅材料十分稀少，所用的電力電纜線全部采用鋁芯電纜代替。

增效擴(kuò)容改造后的水電站全部電力電纜線和各種連接導(dǎo)線都是銅材料的，我們知道線損的計算式為：△P=I×I×R， 輸送電能的損耗(△P)是輸送電流(I)的平方與電纜線的電阻(R)成正比的；當(dāng)電阻一定時，輸送的電流越大，電能損耗就是平方數(shù)量級地增加。所以降低傳輸導(dǎo)線的電阻是提高效率的最基本、最有效的途徑。

銅的電阻率(ΩM)1.75 ×10-8

鋁的電阻率(ΩM)2.83 ×10-8

可以看出銅的電阻率比鋁的電阻率要小61.7%，在輸送電流不變的情況下，使用銅芯電纜線比鋁芯電纜線的輸送損耗降低61.7%，極大地降低了導(dǎo)線的發(fā)熱量，提高了生產(chǎn)效率。

2 在設(shè)備運行安全上的作用

2.1 解決了水電站設(shè)備老化的問題

農(nóng)村小水電站多數(shù)是七八十年代建設(shè)的，所有機(jī)電設(shè)備都全部嚴(yán)重老化，存在著非常大的安全隱患，電站效益不高，自身無法完成設(shè)備的更換改造，基本上是冒著極大的安全風(fēng)險繼續(xù)運行著。鹽井口水庫發(fā)電站就是其中的一例。

電站大壩1966年開工，1972年完工，1975年5月1日發(fā)電站建成投產(chǎn)。由于受到當(dāng)時經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件的限制，電站整體設(shè)計方案較落后，設(shè)備簡單、性能較差，且全部采用手動操作，可靠性極低，發(fā)電效率低。經(jīng)過39 a的運行，設(shè)備已處于極其嚴(yán)重的老化狀態(tài)，存在極大的安全隱患。

2012年11月完成增效擴(kuò)容改造，徹底淘汰了原來的老式落后、完全老化的機(jī)電設(shè)備，徹底消除了安全隱患，成為了能夠遠(yuǎn)程微機(jī)控制的現(xiàn)代化小水電站，改善了運行人員的工作環(huán)境和勞動強(qiáng)度，提高了機(jī)組運行的可靠性、安全性，減化了并網(wǎng)操作，杜絕了操作技能業(yè)務(wù)差的人員發(fā)生非同期合閘誤操作的情況，同時也提高了發(fā)電運行的效率，達(dá)到了無人值班(少人值守)的目的。

2.2 提高了水電站的保護(hù)性能

2.2.1 繼電保護(hù)方面

原小型機(jī)組普遍采用反時限過電流繼電器作為發(fā)電機(jī)的主要保護(hù)，擔(dān)負(fù)著當(dāng)線路、發(fā)電機(jī)繞組、輸出電纜線等出現(xiàn)過電流以及短路故障時，迅速動作跳開空氣斷路器的任務(wù)，以確保電機(jī)安全運行。如果短路故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)繞組、出口空氣斷路器以內(nèi)的線路時，因為發(fā)電機(jī)沒有勵磁系統(tǒng)，開關(guān)跳閘時，發(fā)電機(jī)將繼續(xù)輸出強(qiáng)大的短路電流，燒壞更多的電氣設(shè)備，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

變壓器的惟一保護(hù)設(shè)備就是10 kV跌落式熔斷器，另無其他任何保護(hù)設(shè)施，保護(hù)性能差，運行中也經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良而跳火的現(xiàn)象。

改造后的水電站2臺發(fā)電機(jī)保護(hù)采用DMP321F微機(jī)發(fā)電機(jī)保護(hù)測控裝置，根據(jù)小型水輪發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)設(shè)置規(guī)程，開通了兩段式過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、失磁保護(hù)、轉(zhuǎn)子一點接地等保護(hù)選項。

主變壓器采用DMP321微機(jī)保護(hù)裝置，開通設(shè)置兩段式過電流保護(hù)、溫度保護(hù)、瓦斯保護(hù)。

10 kV線路采用DMP311C1微機(jī)保護(hù)裝置，開通設(shè)置三段過電流保護(hù)為主保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)。

現(xiàn)在機(jī)組出現(xiàn)故障時，微機(jī)保護(hù)器能非常可靠地動作，在跳開斷路器的同時，跳開滅磁開關(guān)，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓迅速消失，縮小故障范圍，不會帶來設(shè)備的再次損壞。新的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)完全滿足了發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)所要求的選擇性、靈敏性、速動性、可靠性，全面保證了發(fā)電設(shè)備運行的安全性。

2.2.2 水輪機(jī)調(diào)速方面

小型水輪機(jī)普遍采用機(jī)械手動的調(diào)速機(jī)構(gòu)，完全手動調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可靠性相當(dāng)差，特別是小網(wǎng)或者單機(jī)運行時，隨時會有跳閘停機(jī)的事件發(fā)生，同時極大增加了運行人員的工作強(qiáng)度。較大一點的機(jī)組采用的液壓機(jī)械調(diào)速器，其調(diào)速性能也很差，不能很好地滿足系統(tǒng)負(fù)荷快速變化的需要。

鹽井口水庫發(fā)電站就屬于機(jī)械手動調(diào)速，當(dāng)故障發(fā)生跳開斷路器時，轉(zhuǎn)速和電壓會大幅度升高，危急發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備的安全，使用跳閘后接通水阻的方法可消除這一現(xiàn)象。但是也存在很大的安全風(fēng)險，70年代曾經(jīng)發(fā)生過發(fā)電機(jī)因故障跳閘后，連接水阻的交流接觸器的觸頭未能斷開，就并網(wǎng)發(fā)電運行，連接水阻的導(dǎo)線因過熱而燒壞絕緣層發(fā)生短路，燒毀發(fā)電機(jī)控制屏的重大事故。

改造后的水電站水機(jī)調(diào)速機(jī)構(gòu)選用微機(jī)控制的高壓調(diào)速器，完成機(jī)組的自動開機(jī)、自動并網(wǎng)、自動調(diào)整負(fù)荷、關(guān)機(jī)的操作，其可靠性高,穩(wěn)定性好,操作方便，極大地減輕了運行人員的勞動強(qiáng)度，同時保證了機(jī)組的安全運行。

2.2.3 系統(tǒng)自動化控制

改造前的水電站沒有自動化的控制系統(tǒng)，改造之后，選用由PLC為中心的微機(jī)控制系統(tǒng)，完成發(fā)電機(jī)的自動控制、發(fā)電機(jī)的保護(hù)、發(fā)電機(jī)的二次測量以及水輪機(jī)的自動控制，并實現(xiàn)與后臺計算機(jī)通訊，具有完善自動控制系統(tǒng)和手動控制系統(tǒng)，保證二次設(shè)備部分元器件有損壞時，能正常發(fā)電，達(dá)到無人值班(少人值守)的目的。

3 結(jié) 語

總之，農(nóng)村小水電站的增效擴(kuò)容改造，實現(xiàn)了奮斗在這一戰(zhàn)線上的工作人員盼望已久的愿望，為提高電力生產(chǎn)效率、改善工作環(huán)境、保證安全生產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2015-06-01

李成光(1955-)，男，工程師，主要從事水電站運行管理工作。E_mail：945729718@qq.com