袁文娟，吳 韜，倪玉飛

(水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

1 概 述

某水廠位于浙江省湖州市，是從老石坎水庫和賦石水庫引水，水廠近期規(guī)模40萬m3/d，遠(yuǎn)期規(guī)模60萬m3/d。近期原水流量40萬m3/d，水流進(jìn)入水廠時還有33.5～58.8 m的富余水頭，隱含大量的剩余能量；如果不進(jìn)行回收，這部分剩余能量將通過調(diào)流調(diào)壓閥白白浪費掉。因此，水廠利用原水輸水管道出口處剩余水頭發(fā)電，在內(nèi)部新建1座能源回收電站進(jìn)行消能處理，主要建筑物只有發(fā)電廠房，總裝機(jī)容量為2 230 kW，最大出力為1 728 kW，年發(fā)電量為1 639～1 102萬kW·h；其電力電量均可全部被水廠消化，不用倒送入電網(wǎng)。

電站水輪機(jī)運行水頭變化范圍為34.25～59.24 m，流量變化范圍為2.66～4.63 m3/s，機(jī)組出力變化范圍為1 109～1 728 kW。由于流量變化較大，且考慮到設(shè)備的檢修和故障備用，本電站裝設(shè)1臺630 kW機(jī)組和2臺800 kW機(jī)組，平時2臺機(jī)組運行，1臺機(jī)組備用。電站按少人值班控制方式設(shè)計，采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制。

2 水輪發(fā)電機(jī)組選型

從水庫到水廠配水預(yù)臭氧池水面的毛落差有56.75～66.67 m。從不同流量時引水系統(tǒng)的全程水頭損失，計算不同流量時水電站的運行水頭，從而可計算出不同流量時調(diào)流調(diào)壓電站的出力，計算結(jié)果如表1所示。

表1 調(diào)流調(diào)壓電站出力計算成果表

從計算結(jié)果可見，電站最大出力出現(xiàn)在近期40萬m3/d、水庫水位到達(dá)正常蓄水位79.12 m時，最大出力為1 728 kW，所以近期調(diào)流調(diào)壓電站出力為1 109～1 728 kW。

由于流量變化較大，并考慮到設(shè)備的檢修和故障備用，因此本電站裝設(shè)3臺機(jī)組，大部分時間2臺機(jī)組運行，1臺機(jī)組備用；必要時在短時間3臺機(jī)組可同時運行。有2個裝機(jī)容量方案可供選擇：2×630 kW+1×800 kW=2 060 kW和1×630 kW+2×800 kW=2 230 kW，其中630 kW機(jī)組的額定流量為1.67 m3/s，800 kW機(jī)組的額定流量為2.47 m3/s。

如果采用2 060 kW方案，需要3臺機(jī)同時運行才能滿足40萬m3/d(4.63m3/s)的要求，備用能力弱。如果采用2 230 kW方案，2臺大機(jī)組運行的流量可達(dá)到4.94 m3/s，可滿足40萬m3/d的要求，備用能力強。所以推薦電站安裝1臺630 kW機(jī)組和2臺800 kW機(jī)組，平時2臺機(jī)組運行，1臺機(jī)組備用，大機(jī)組的檢修應(yīng)盡量安排在供水量較小的枯水期。

根據(jù)運行水頭和容量，擬定電站裝設(shè)3臺臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組主要參數(shù)如下：

1號和3號機(jī)組額定容量800 kW，水輪機(jī)型號HLA801—WJ—65，額定水頭40.00 m，額定流量2.47 m3/s；配套發(fā)電機(jī)型號SFW800—8/1180，額定電壓0.4 kV，額定轉(zhuǎn)速750 r/min。

2號機(jī)組額定容量630 kW，水輪機(jī)型號HLA743—WJ—52，額定水頭45.00 m，額定流量1.67 m3/s；配套發(fā)電機(jī)型號SFW630—6/990，額定電壓0.4 kV，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

3臺機(jī)組的額定頻率均為50 Hz，功率因素均為0.80，全部采用無刷勵磁方式。

3 電站接入水廠供電系統(tǒng)

水廠調(diào)流調(diào)壓電站出力為1 109～1 728 kW，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓380 V。如果以380 V電纜接入水廠供電系統(tǒng)，電纜投資過大，而且水廠220/380 V用電設(shè)備容量不大；所以最后確定通過10 kV電纜接入水廠10 kV側(cè)供電系統(tǒng)進(jìn)線柜，所發(fā)電量供水廠供電設(shè)備使用。10 kV電纜通過水廠的電纜溝接入沖洗泵房的10/0.4 kV低配中心，總長度約280 m。

4 電氣主接線及廠用電

水廠用電設(shè)備為220/380 V、10 kV電壓等級，配電電壓等級分為10 kV和220/380 V。結(jié)合本電站接入水廠配電系統(tǒng)的方式、電壓等級等因素，對本站擬定2個接入方案。

方案一：3臺發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓均為0.4 kV，配置1臺升壓變，機(jī)組與變壓器組成擴(kuò)大單元接線的接線方式，通過1回10 kV線路接入沖洗泵房低配中心的10 kV進(jìn)線柜。

方案二：3臺發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓均為0.4 kV，其中1號和2號機(jī)組與1號主變組成擴(kuò)大單元接線；另外3號機(jī)組與2號主變組成單元接線。10 kV側(cè)采用兩進(jìn)一出的接線方式通過1回10 kV出線接入沖洗泵房低配中心的10 kV進(jìn)線柜。

方案一的優(yōu)點是供電安全可靠、接線簡單清晰、維護(hù)方便、布置緊湊、投資省。缺點是僅有1臺變壓器，在主變故障、檢修時，會影響電站發(fā)電；另外3臺機(jī)組匯流時，匯流電流過大，給安裝電纜、母排帶來不便。

方案二的優(yōu)點是供電安全可靠、接線清晰、布置合理、運行方便靈活、維護(hù)方便。缺點是設(shè)備多、投資大。

從技術(shù)上看，兩個方案均能滿足安全發(fā)供電的需要。從經(jīng)濟(jì)上看，由于方案二增加的投資不多，綜合比較后還是推薦方案二的接線方案。

本電站廠用電供電范圍主要是廠房區(qū)域，廠用電采用公用電和機(jī)組自用電混合供電方式。

根據(jù)廠用電負(fù)荷統(tǒng)計結(jié)果，廠用電最大負(fù)荷容量為87.23 kW，采用綜合系數(shù)法，全廠廠用電負(fù)荷混合供電時的綜合系數(shù)取0.78，則最大計算負(fù)荷為68.04 kVA。因此，本電站廠房采用380/220 V低壓供電系統(tǒng)。

電站采用3回廠用電源，2回分別取自發(fā)電機(jī)0.4 kV母線端作為工作電源，2路電源互為備用。另一回取自水廠的0.4 kV供電系統(tǒng)作為廠用備用電源。正常情況下，只要電站發(fā)電，廠用電由工作電源供電；電站不發(fā)電或10 kV線路檢修時，切換至備用電源，可靠性高。

5 主變壓器及10 kV斷路器選型

主變壓器選用1號主變SCB13—2000/10型帶外殼戶內(nèi)干式變壓器，額定容量2 000 kVA，電壓比為10±2×2.5% kV/0.4 kV，接線組別為Dyn11，阻抗電壓百分比為5.72%；2號主變SCB13—1000/10型帶外殼戶內(nèi)干式變壓器，額定容量1 000 kVA，電壓比為10±2×2.5% kV/0.4 kV，接線組別為Dyn11，阻抗電壓百分比為5.65%；均采用自然冷卻方式。

10 kV斷路器采用VS1型真空斷路器，額定電壓10 kV，額定電流630 A，額定頻率50 Hz，額定短路開斷電流和短時耐受電流為25 kA，額定峰值耐受電流和短路關(guān)合電流為50 kA，額定短路持續(xù)時間為4 s。

斷路器與其他電氣設(shè)備一起采用成套開關(guān)柜的形式，布置在廠房內(nèi)高壓開關(guān)室內(nèi)。

6 電站設(shè)備布置

主廠房安裝3臺水輪發(fā)電機(jī)組，1、2號機(jī)組間距8.42 m，2、3號機(jī)組間距6.54 m；主閥布置于水輪機(jī)的上游側(cè)，調(diào)速器布置于水輪機(jī)的下游側(cè)；單梁橋式起重機(jī)布置于主廠房上部。

副廠房位于主廠房上游側(cè)，布置有中控室、高壓柜室、空壓機(jī)室、備品備件倉庫和辦公資料室。中控室布置有3面機(jī)組綜合一體化控制屏、1面公用LCU屏、1面直流屏和1面低壓配電屏。高壓柜室布置2臺主變、2面10 kV主變高壓側(cè)斷路器柜、1面10 kV出線PT柜、1面10出線開關(guān)柜和1面10 kV出線隔離柜。

7 過電壓保護(hù)和接地

廠房防雷保護(hù)采用在廠房屋頂敷設(shè)避雷帶的方式，整個避雷帶以多根引下線與接地網(wǎng)連接。為防止雷電侵入波及操作過電壓損壞電氣設(shè)備，在10、0.4 kV母線裝設(shè)金屬氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)，電站內(nèi)所有電力設(shè)備外殼均可靠接地。

廠房接地裝置充分利用直接埋入地中的鋼筋等金屬件，以及其他各種金屬結(jié)構(gòu)等自然接地體可靠焊接成一體，并與水廠內(nèi)人工接地裝置可靠焊接構(gòu)成站內(nèi)接地系統(tǒng)。電站內(nèi)設(shè)置人工接地裝置并與水廠內(nèi)接地系統(tǒng)可靠焊接，構(gòu)成水廠統(tǒng)一接地網(wǎng)，其接地電阻值在任何季節(jié)不得大于1 Ω。

8 照明及電纜橋架

照明設(shè)計具體按《建筑照明設(shè)計規(guī)范》(GB 50034)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。電站除正常工作照明以外，還同時增設(shè)事故照明，工作照明采用380/220 V三相四線制，電源由低壓配電屏引至照明配電箱。全廠正常工作照明時由交流220 V供電，事故照明時自動切換到直流電源，由直流電源供電。

電纜橋架全部采用高新的高分子合金塑料(PVC與ABS有機(jī)材料合成)托盤的形式，立柱和托臂采用鍍鋅鋼制作。合金塑料電纜橋架主要特點有高強度、耐腐蝕、重量輕、易安裝、不導(dǎo)電、阻燃強、外觀美和壽命長等。

9 結(jié) 語

本項目建設(shè)場地在水廠廠區(qū)內(nèi)，充分利用現(xiàn)有水工建筑物，不占用耕地，不會對環(huán)境造成影響。利用管道富余水能發(fā)電不僅能夠為水廠帶來效益，還能為更好地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境作出貢獻(xiàn)，對實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)具有積極的意義。

目前水力發(fā)電為成熟技術(shù)，機(jī)電設(shè)備也為成熟產(chǎn)品，其可靠性是較高的，一般故障排除也是簡單、快捷的。調(diào)流調(diào)壓電站建成后，調(diào)流調(diào)壓閥退居為備用設(shè)備。

本電站機(jī)組規(guī)模小，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動部件和流道內(nèi)均不需要油潤滑或冷卻，外部也沒有油或污水流入，所以不會對原水構(gòu)成污染。電站運行期間無廢水、廢氣排出，噪聲比目前的調(diào)流調(diào)壓閥產(chǎn)生的噪聲小。所以，調(diào)流調(diào)壓電站建成后，不會對水廠輸水的可靠性、水質(zhì)和環(huán)境構(gòu)成影響，而且社會效益顯著。