張 紅，麻山紅

（廣西賀州市龜石水利工程管理處，廣西 賀州 542600）

龜石水庫電站增效擴容改造若干技術(shù)分析

張 紅，麻山紅

（廣西賀州市龜石水利工程管理處，廣西 賀州 542600）

龜石水庫電站1964年建成發(fā)電，機電設(shè)備運行50多年，存在設(shè)備陳舊老化，安全性能差，主要性能參數(shù)較低，運行維護困難等問題。論述了該電站增效擴容技改設(shè)計及機電設(shè)備選型。通過改造后，消除了安全隱患，多年平均發(fā)電量比現(xiàn)狀實際發(fā)電量增加589.4萬kW·h，同比提高了17％。

水電站；增效擴容；機電設(shè)備；技術(shù)分析；龜石水庫

1 水庫概況[1]

龜石水庫位于鐘山縣龜石村以北的富江中游，富江為賀江上游，發(fā)源于湘桂交界的都疣山，是西江的一級支流，水庫系多年調(diào)節(jié)，集雨面積1 254km2，多年平均經(jīng)流9.59億m3，總庫容5.95億m3，有效庫容3.48億m3，正常蓄水位為182m，是一座以灌溉為主集防洪、發(fā)電、城鎮(zhèn)供水于一體的綜合利用工程，屬大（2）型水庫。電站始建于1959年10月，1964年4月正式投入運行，電站為壩后式，裝機容量4×3 000 kW，年設(shè)計發(fā)電量6 600萬kW·h，年利用小時數(shù)4 562h。

2 電站存在的主要問題

電站的機電設(shè)備經(jīng)過50多年的運行，已顯得陳舊，加上當(dāng)時設(shè)備制造水平及設(shè)計要求標準較低，相對現(xiàn)時標準已顯得安全性能差，設(shè)備主要性能參數(shù)較低，有些設(shè)備已為淘汰產(chǎn)品，運行維護困難，主要體現(xiàn)在：

（1）發(fā)電機。發(fā)電機定子線圈雖然在1986年改造過，但至今已有30年，目前表現(xiàn)為定子線圈老化，絕緣開裂，測溫元件失效。水輪機頂蓋和控制環(huán)由于當(dāng)時制造的工藝和材料的制約，經(jīng)過50年的運行，設(shè)備出現(xiàn)了裂紋和疲勞，2#機組2006年在大修時，緊固螺栓產(chǎn)生較大的崩裂，使得整個頂蓋報廢，且1998年對水輪機轉(zhuǎn)輪技改后，出力可達到45 10 kW，但由于資金問題，發(fā)電機沒有同步改造，致使整套機組效益沒有得充分利用。

（2）3＃號發(fā)電機勵磁裝置。本機裝置1995年改造過，但由于控制部分無功調(diào)節(jié)波動較大，無法進行控制，經(jīng)常將機組轉(zhuǎn)為徑向運行，一定程度影響了運行安全，且與1＃、2＃、4＃號勵磁系統(tǒng)生產(chǎn)廠家及型號不同，維修不便。

（3）開關(guān)柜部分。開關(guān)柜為GG1A-10型，柜體形式陳舊屬淘汰產(chǎn)品，柜內(nèi)斷路器為油式且開斷電流容量小，維護困難。

（4）升壓站部分。設(shè)備為20世紀60～70年代生產(chǎn)的DW1_35等多油斷路器，隔離開關(guān)為GW2-35和GW1-10型，且龍門架等開關(guān)設(shè)備支架水泥脫落，部分鋼構(gòu)暴露，并產(chǎn)生嚴重的銹蝕。1＃主變是1995年產(chǎn)品的S7系列，是國家要求更換的系列，且主要分接頭已不能調(diào)節(jié)，滲漏油嚴重，運行溫度高，損耗大。

（5）直流系統(tǒng)。鉛酸蓄電池為1994年的產(chǎn)品，占地多維護工程量大，且電池出線頭已經(jīng)嚴重老化，經(jīng)常出現(xiàn)由于出線頭斷裂直流電源消失，導(dǎo)致全廠停運，嚴重威脅機組安全。

（6）監(jiān)控保護系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)為控制臺加返回屏模式，保護為許繼電氣1989年產(chǎn)品，裝置維護工作量大，調(diào)試時間長，元件特性不穩(wěn)定，由于使用年限長，部分零配件很難買到，且保護誤動率大，不利于安全運行。

水電站經(jīng)多年運行，機電設(shè)備技術(shù)陳舊、老化嚴重，嚴重影響了發(fā)供電安全生產(chǎn)，為消除安全隱患，提高生產(chǎn)效率，增加發(fā)電效益，亟需對水電站進行增效擴容改造。

3 水電站增效擴容技改設(shè)計及機電設(shè)備選型

3.1 水電站增效擴容技改思路

根據(jù)本電站機電設(shè)備陳舊落后的實際情況，在不改變電站引水、壓力管道的情況下，通過更換發(fā)電機定子以達到增效擴容的目的。同時全面更換機電設(shè)備老化產(chǎn)品，以提高電站的運行水平，保證發(fā)供電安全。

3.2 水電站增效擴容技改的確定和選擇

根據(jù)水利部《關(guān)于印發(fā)農(nóng)村水電增效擴容改造項目機電設(shè)備選用指導(dǎo)意見》，結(jié)合電站實際情況進行設(shè)備選擇。

（1）發(fā)電機定子。針對發(fā)電機定子磁性變差及線圈老化問題，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子不改變的情況下，將定子鐵芯和線圈全部更換，定子鐵芯采用高導(dǎo)磁率、低損耗、無時數(shù)機械性能優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)冷軋薄硅鋼片疊成，且鐵芯單位損耗不應(yīng)大于1.2 W/kg。并且增大定子線圈線徑截面，提高線圈絕緣等級，使其達到F級絕緣等級，發(fā)電機定子線圈改造后，可充分發(fā)揮水輪機轉(zhuǎn)輪的最大出力，提高機組效率及水能利用系數(shù)。

（2）10（6）kV配電裝置。設(shè)備全部為鎧裝移開式金屬封閉開關(guān)柜，戶內(nèi)布置，選用KYN28A-12（2）型，柜內(nèi)裝置極柱固封手車式真空斷路器，開關(guān)柜額定電壓12（7.2）kV，額定電流1 600 A和630 A，額定動穩(wěn)定電流100 kA，開關(guān)柜配彈簧操作機構(gòu)，外殼保護等級為IP4X，運行更安全。

（3）35 V配電裝置。采用戶內(nèi)鎧裝型移開式金屬封閉開關(guān)柜，型號為KYN61-40.5型，柜內(nèi)裝置真空斷路器為極柱固封手車式真空斷路器，開關(guān)柜額定電壓40.5 kV，額定電流1 250 A，額定動穩(wěn)定電流63 kA，整柜電氣性能比原戶外敞開式設(shè)備有明顯提高，且操作維護簡單方便，運行更安全。

（4）主變壓器。1＃號主變壓器是1995年產(chǎn)品，型號為SFS7-8000／35／10／6容量8000kVA，而2＃號主變壓器型號為SFS-12500kVA／35／10／6容量為12 500 kVA，由于1＃號主變壓器與原2＃號主變壓器容量不匹配，在2～3臺機組運行且供電負荷不平衡情況下，會出現(xiàn)一臺主變壓器上網(wǎng)，一臺主變壓器倒供（計量在兩臺主變出口）以及原主變運行溫度損耗高等問題，將1＃號主變更換為與2＃號主變相近的變壓器，型號為SFS11-12500/35/10/6型節(jié)能三圈變壓器，更換后變損可降低20％以上，且可以解決因容量不匹配造成的一臺上網(wǎng)一臺倒供的問題。

（5）監(jiān)控保護系統(tǒng)。按照“無人值班，少人值守”的模式，采用技術(shù)成熟運行穩(wěn)定可靠的測控保護一體化式微機綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)，微機綜合自動化系統(tǒng)為分層分布式結(jié)構(gòu)，全面監(jiān)控全站設(shè)備運行，實時反映設(shè)備工況，運行數(shù)據(jù)記錄、事件記錄報警、數(shù)據(jù)上傳等，從而保證機組高效運行，降低工人勞動強度，改善工作環(huán)境。

4 調(diào)速器選型計算

4.1 發(fā)電機組的參數(shù)

發(fā)電機組和原有調(diào)速器及設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 電機組參數(shù)表

4.2 水輪機所需調(diào)速功計算

根據(jù)經(jīng)驗公式：水輪機調(diào)速功Wg＝（20-25）×Qr×（Hmax×Dr）0.5

計算結(jié)論：根據(jù)估算結(jié)果和水輪機調(diào)速器系列型譜規(guī)定，考慮調(diào)速功變量，選取調(diào)速功率為3000kg·m。

4.3 接力器容積計算

根據(jù)國標《水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件》4.5.1項規(guī)定，最低操作壓力PR（MPa）根據(jù)要求的接力器調(diào)速功率和所用的接力器容積V（m3），求得：

4.4 油壓裝置選型計算

4.4.1 油壓裝置壓力罐選型計算

油壓裝置的壓力罐容量選型實際上是確定壓力容器的容積，壓力容器的容量計算方法是根據(jù)《水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件》4.5.2項規(guī)定，壓力油罐可用油體積，在正常工作油壓下限和油泵不打油時，壓力罐容積至少應(yīng)能在壓力下降不超過正常工作油壓下限和最低操作油壓之差的條件下提供規(guī)定的各接力器行程數(shù)，對混流式水輪機為3個接力器行程，也就是說壓力罐的可用油容積Vu應(yīng)滿足下列要求Vu≥3V（V――接力器總?cè)莘e），則可用油容積應(yīng)為

最終取Vu＝10 L

4.4.2 計算壓力罐容量

（1）根據(jù)絕熱過程方程PVK＝C（常數(shù)），調(diào)速器在運行過程中，壓力罐內(nèi)的壓縮空氣既不是按等溫規(guī)律變化，也不是按絕熱規(guī)律變化，而是介于二者之間的中間狀態(tài)變化。

根據(jù)經(jīng)驗一般取指數(shù)K＝1.25～1.4之間，故取1.3

根據(jù)工作油壓的上限Pmax＝16MPa

工作油壓的下限Pomin＝14MPa

最低操作油壓PR＝10.5MPa

由公式：PominVair＝PR（Vair+Vu）K

其中：Vair為工作油壓下限Pomin時的氣體容積

Vu為可用油體積

計算得Vair＝45.45 L

最低工作油壓時氣體容積VRair＝Vair+Vu

＝45.45+10

＝55.45 L

（2）壓力罐容積計算。根據(jù)《水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件》4.5.3項規(guī)定，在正常工作油壓上限，非隔離式壓力罐內(nèi)油和空氣體積比通常為1/3～1/2，高壓隔離式壓力罐內(nèi)預(yù)充壓力為0.9PR，罐內(nèi)氣體容積即所需蓄能罐容積VH為：

按《水輪機調(diào)速器及油壓裝置系列型譜》選擇系列標準，蓄能罐樣本及預(yù)留一定余量可選2×40 L。

4.4.3 油壓裝置油泵電機選型

（1）根據(jù)《水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件》4.5.4項規(guī)定，每臺泵每分鐘的輸油量不大于接力器容積的0.65倍。

（2）正常工作油壓上限時的蓄能器氮氣體積Vair-max為：

油泵將油壓從正常工作油壓下限打致正常油壓上限的時間為30s～60s，即油泵輸油量Q

根據(jù)機械油泵樣本的選型標準,選取8.5 L/min的油泵,按電機選型選取3 kW的電機。

4.5 內(nèi)置式和外置式接力器的選擇

（1）內(nèi)置式接力器。接力器的少量漏油直接進入回油箱中，避免環(huán)境污染和操作油損失，解決水輪機組旁安裝空間較少，調(diào)節(jié)通過調(diào)速軸傳遞，接力器在回油箱內(nèi)，受橫向力作用，必須增加回油箱的強度。

（2）外置式接力器。由于接力器不在回油箱內(nèi)，回油箱內(nèi)不受橫向力作用，回油箱尺寸和強度相比內(nèi)置式減少，安裝固定簡單，油壓裝置可根據(jù)廠房布置安裝在較合理、美觀的位置，調(diào)速直接由外接力器傳遞，減少調(diào)速軸，且外置接力器直接觀察檢修接力器。缺點是外置接力器需增加固定支架，且接力器必須通過高壓油管與回油箱連接。

（3）根據(jù)內(nèi)置和外置接力器的優(yōu)、缺點，結(jié)合水輪機組處的位置，采用外置式調(diào)速器，增加一套支架將原水輪機組的控制環(huán)推拉桿與高壓接力器固定連接即可，調(diào)速器控制柜安裝在油壓裝置回油箱上，整體安裝在原調(diào)速器位置上，接力器通過高壓油管與回油箱聯(lián)接。

（4）龜石水庫電站采用調(diào)速功為3 000kg·m，蓄能器容積為2×40 L，油泵為8.5 L/min，電機為3 kW，工作油壓為16MPa，外置式調(diào)速器。技改后調(diào)速器經(jīng)過半年的使用試行，各項技術(shù)指標都達到設(shè)計要求，調(diào)速器改造達到預(yù)期的目標。

5 電站增效擴容改造效益

電站通過改造后，淘汰落后技術(shù)和設(shè)備，解決了電站在生產(chǎn)過程中的安全隱患，實現(xiàn)了電站的自動化管理，改造后，多年平均發(fā)電量比現(xiàn)狀實際發(fā)電量增加589.4萬kW·h,同比提高了17％，顯著增加了電站的經(jīng)濟效益。目前電站增效擴容改造已完成,各改造設(shè)備運行良好,每臺機組發(fā)電功率都達3 750 kW以上,且自動化程度大大提高，實現(xiàn)少人值班，同時減輕生產(chǎn)人員的勞動強度，大大的提高了勞動效率。電站增效擴容改造達到了預(yù)期的目的。

通過水電站增效擴容改造，電站由原來的12 000 kW增容至14 400 kW，增容量為2 400 kW。并進行設(shè)備技術(shù)改造和自動化控制改造，水電站改造前后主要特性見表2。

表2 水電站技改前后主要特性表

6 結(jié)語

廣西賀州龜石水庫電站增效擴容改造方案和機電設(shè)備的選型，依據(jù)水利部《農(nóng)村水電增效擴容改造項目機電設(shè)備選用指導(dǎo)意見》，結(jié)合電站現(xiàn)場實際情況，確保了農(nóng)村水電增效擴容改造項目設(shè)備選用的質(zhì)量和效果，淘汰落后的技術(shù)和設(shè)備，提高了綜合能效，促進安全生產(chǎn)，實現(xiàn)了電站增效擴容改造目標。

[1] 廣西梧州水利水電設(shè)計院.廣西賀州龜石水庫電站增效擴容改造初步設(shè)計[R].梧州：廣西梧州水利水電設(shè)計院，2012.

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Efficiency and capacity upgrade of hydropower station at Guishi Reservoir

ZHANG Hong,MA Shan-hong
（Guishi Water Engineering Administration Department,Hezhou 542600,China）

The hydropower station at Guishi Reservoir was put into operation in 1964.After operating for more than 50 years,it’s mech-electrical equipment were aged with poor safety performance,low-level parameters,rendering much difficulties for operation and maintenance.A discussion was made on the design of efficiency and capacity upgrade as well as the selection of mech-electrical equipment.After the upgrade,hidden safety trouble was eliminated,the mean annual power output increases by 5.894×106kW·h,corresponding to a rise of 17％.

Hydropower station;efficiency and capacity upgrade;mech-electrical equipment;technical analysis;Guishi Reservoir

TV734

B

1003-1510（2016）04-0080-04

2016-06-12

張 紅（1969-）男，云南昆明人，廣西賀州市龜石水利工程管理處工程師，主要從事水電站發(fā)電設(shè)備維護管理工作。