岸堤水庫(kù)電站機(jī)組增容增效改造分析

魏起波 ，陳 亮 ，段淑才

（1.臨沂市岸堤水庫(kù)管理處，山東 蒙陰 276200；2.蒙陰縣水利局，山東 蒙陰 276200）

1 水電站改造前概況

岸堤水庫(kù)電站原2、3、4號(hào)機(jī)組是重慶水輪機(jī)廠設(shè)計(jì)制造的立式混流式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)速為250 r/min，額定功率為1 250 kW，設(shè)計(jì)水頭為21 m，最高水頭為22 m，設(shè)計(jì)流量為8.05 m3/s，水輪機(jī)出力為1 360 kW，設(shè)計(jì)效率為0.82。機(jī)組運(yùn)行30多年，磨損銹蝕嚴(yán)重，水輪機(jī)效率嚴(yán)重下降，出力明顯不足，據(jù)測(cè)算水輪機(jī)的整體效率已不足0.7。

原機(jī)組的勵(lì)磁方式是勵(lì)磁機(jī)直勵(lì)，技術(shù)落后，年久老化，故障率高，配件難買，維修難度大，自動(dòng)化程度低。

調(diào)速器型號(hào)是GT-1500機(jī)械液壓式調(diào)速器，設(shè)備運(yùn)行30多年來(lái)，各零部件運(yùn)行間隙磨損加大，漏油嚴(yán)重，反應(yīng)滯后，調(diào)節(jié)性能變差，機(jī)組并網(wǎng)困難，事故動(dòng)作不可靠。

2 機(jī)組改造內(nèi)容

水電站改造,按照以最少的投資獲得最大經(jīng)濟(jì)效益的原則，多方案比較優(yōu)選，采取增容、增效、新技術(shù)、節(jié)約四方面相結(jié)合的改造方案。

2.1 水輪機(jī)的改造

把原轉(zhuǎn)輪更換為型號(hào)HL240D-LJ-123的不銹鋼轉(zhuǎn)輪，設(shè)計(jì)流量8.9 m3/s，設(shè)計(jì)水頭21 m，效率為91%，水輪機(jī)出力為1 668 kW，比原轉(zhuǎn)輪增加出力308 kW。與原轉(zhuǎn)輪相比，此轉(zhuǎn)輪有三方面的優(yōu)點(diǎn)：一是效率由原來(lái)的0.82增加到0.91；二是標(biāo)稱直徑增大3 cm,但外徑?jīng)]有變，其他部件不更換，只需對(duì)原底環(huán)進(jìn)行擴(kuò)徑加工，內(nèi)徑增加3 cm，以適應(yīng)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑的增大，提高水輪機(jī)的過(guò)流能力；三是用不銹鋼材料制作轉(zhuǎn)輪，抗氣蝕性能增強(qiáng)。

2.2 發(fā)電機(jī)的改造

水輪的出力增加，原發(fā)電機(jī)的額定容量不能與新轉(zhuǎn)輪出力相匹配，因此需對(duì)原發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造。經(jīng)對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，只更換發(fā)電機(jī)的定子線圈，加大定子線圈過(guò)流截面積，使發(fā)電機(jī)額定功率由原來(lái)的1 250 kW增至1 500 kW，加大發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇葉片面積，以實(shí)現(xiàn)增大通風(fēng)量提高散熱能力的目的。轉(zhuǎn)子、定子鐵芯等保留，此改造方法投資最少、且能滿足技術(shù)要求，性價(jià)比高，改造后的發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF1500-24/2600，額定功率為1 500 kW，額定容量為1 875 kVA，額定電流343 A，額定勵(lì)磁電流為290 A，額定容量比原發(fā)電機(jī)增加250 kW。

2.3 勵(lì)磁系統(tǒng)的改造

淘汰原勵(lì)磁機(jī)直勵(lì)系統(tǒng)。引用先進(jìn)的基于32位DSP的新型勵(lì)磁控制系統(tǒng)帶有觸摸屏的靜止微機(jī)可控硅勵(lì)磁裝置。該系統(tǒng)是繼PCC控制系統(tǒng)之后的新一代微機(jī)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，TI公司為控制應(yīng)用量身定做的32位DSP,其特點(diǎn)是具有多種通訊接口，運(yùn)算速度快。

其中，可控硅勵(lì)磁裝置的特點(diǎn)有：

1）本勵(lì)磁控制系統(tǒng)針對(duì)控制要求，充分發(fā)揮F28X的特點(diǎn)，以同步交流采樣取代直流采樣，大大提高了系統(tǒng)控制品質(zhì)；本勵(lì)磁系統(tǒng)還創(chuàng)造性地將設(shè)備在線故障診斷功能和控制功能融為一體，實(shí)現(xiàn)了基于信號(hào)處理和基于知識(shí)診斷相融合的在線故障診斷和故障自動(dòng)處理，大大簡(jiǎn)化了設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)維修，提高了設(shè)備的可維護(hù)性，

2）勵(lì)磁變壓器與可控硅接線時(shí)無(wú)需核相，可控硅采用真空管片散熱，優(yōu)點(diǎn)是：高效的導(dǎo)熱性，熱流密度變換能力強(qiáng)；無(wú)噪音，散熱效果顯著。空氣中自然冷卻就能滿足要求，為確保散熱的可靠性，本設(shè)備還附設(shè)風(fēng)機(jī)輔助散熱，只有在嚴(yán)酷的工作條件下，可控硅溫度升高到設(shè)定限值后，風(fēng)機(jī)才啟動(dòng)，極大地減少了風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)能耗和故障率。

3）勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)有恒壓、恒功率因數(shù)兩種運(yùn)行模式，恒壓運(yùn)行模式下，根據(jù)電網(wǎng)電壓升、降幅度，勵(lì)磁系統(tǒng)能自動(dòng)按預(yù)先設(shè)定的比例，減少或增加發(fā)電機(jī)的無(wú)功負(fù)荷。

4）發(fā)電機(jī)滅磁采用可控硅逆變續(xù)流滅磁方式，滅磁開關(guān)斷開之前，通過(guò)切除操作，可控硅的逆變續(xù)流使轉(zhuǎn)子電流緩緩降為零，然后再跳開滅磁開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了零電流斷滅磁開關(guān)，極大地延長(zhǎng)了滅磁開關(guān)的使用壽命。

2.4 調(diào)速器的改造

把DSP32位操作控制系統(tǒng)及步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用到現(xiàn)有的GT1500機(jī)械液壓調(diào)速器中，拆除原飛擺電機(jī)、飛擺、引導(dǎo)閥等，保留原調(diào)速中主配壓閥、輔助配壓閥、接力器及油壓裝置，實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械液壓調(diào)速器向微機(jī)調(diào)速器的轉(zhuǎn)變，具有信號(hào)測(cè)量、頻率調(diào)節(jié)、開機(jī)控制、停機(jī)控制、網(wǎng)頻跟蹤等功能的微機(jī)自動(dòng)控制。改造后的調(diào)速器具有如下特點(diǎn)：

1）調(diào)節(jié)器采用DSP微機(jī)控制器作為調(diào)節(jié)控制核心，運(yùn)算速度快，測(cè)頻精度高。調(diào)節(jié)器采用并聯(lián)補(bǔ)償自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)規(guī)律。調(diào)速器電氣部分設(shè)有自檢保護(hù)，能動(dòng)態(tài)指示調(diào)速器的故障原因和運(yùn)行工況。具有完備計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)接口的硬件和軟件，提供被動(dòng)接受式通訊協(xié)議，接口分計(jì)算機(jī)串行口(物理接口為CAN口)和模擬量接口兩種接口，能由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷分配、成組調(diào)節(jié)。

2）采用“積木”式單元組合結(jié)構(gòu)，功能擴(kuò)展方便。調(diào)速器反饋采用電氣反饋，線性度好，死區(qū)小。保證機(jī)組安全運(yùn)行，即在各種事故情況下，機(jī)組甩掉全負(fù)荷后，能保證機(jī)組自動(dòng)迅速穩(wěn)定至空載轉(zhuǎn)速，或根據(jù)指令信號(hào)，可靠地實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。

3）有跟網(wǎng)模式和給定模式兩種運(yùn)行方式，有并網(wǎng)前可以設(shè)定跟網(wǎng)運(yùn)行，調(diào)速器自動(dòng)檢測(cè)電網(wǎng)頻率并調(diào)整機(jī)頻與網(wǎng)頻相同，達(dá)到快速并網(wǎng)的目的。當(dāng)單機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行方式時(shí)，可以設(shè)定給定頻率運(yùn)行模式，調(diào)速器會(huì)自動(dòng)調(diào)整機(jī)頻穩(wěn)定運(yùn)行在給定的頻率上。

4）調(diào)速器具有如下自動(dòng)容錯(cuò)功能。當(dāng)機(jī)組負(fù)載運(yùn)行，機(jī)頻故障時(shí)，則自動(dòng)取網(wǎng)頻作為機(jī)頻，穩(wěn)定運(yùn)行。如網(wǎng)頻同時(shí)故障時(shí)，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并保持故障前開度不變。

當(dāng)機(jī)組空載運(yùn)行，機(jī)頻故障時(shí)，機(jī)組關(guān)至最小空載開度，保證機(jī)組空載不過(guò)速。當(dāng)機(jī)組負(fù)載運(yùn)行、導(dǎo)葉位置反饋信號(hào)故障時(shí)，調(diào)速器自動(dòng)報(bào)警并保持故障前的開度運(yùn)行。調(diào)速器電源丟失和恢復(fù)，系統(tǒng)保持原開度運(yùn)行。

3 機(jī)組改造效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

3臺(tái)機(jī)組改造完成后，進(jìn)行了72 h的試運(yùn)行，設(shè)計(jì)水頭下，機(jī)組開度開至78%時(shí)，3臺(tái)發(fā)電機(jī)有功率都達(dá)到1 500 kW。其他各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器進(jìn)行了各項(xiàng)性能測(cè)試，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

經(jīng)效率測(cè)算，水輪機(jī)的平均效率高達(dá)89%，與改造前70%相比，增加19%，大大提高了水能利率。改造后，水庫(kù)70%的水量將通過(guò)此3臺(tái)機(jī)組調(diào)節(jié)，按水電站平均每年發(fā)電量1 500萬(wàn)kWh的70%計(jì)算，平均每年增加發(fā)電168萬(wàn)kWh，增加收入63萬(wàn)元。另外每臺(tái)水輪機(jī)的過(guò)流能力增加0.85 m3/s，3臺(tái)機(jī)組共增大了電站的調(diào)洪能力2.55 m3/s，減少了汛期開閘泄洪機(jī)率，節(jié)約水能資源。

因機(jī)組運(yùn)行可靠性的提高，每班減少運(yùn)行人員2名，每年為電站節(jié)約近30萬(wàn)元的工資支出。以上3項(xiàng)總計(jì)為電站增收節(jié)支共99萬(wàn)元。本項(xiàng)目總投資230萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收期近似2.23年，投資價(jià)值高，效果好。

4 結(jié)語(yǔ)

本次機(jī)組改造，核心是增效、增容，在考慮增加水輪機(jī)效率的同時(shí)，充分利用本水電站盈余過(guò)流能力，與增加容量同時(shí)進(jìn)行，同時(shí)考慮對(duì)原舊設(shè)備進(jìn)行合理的取舍，融入新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了新舊設(shè)備的完美結(jié)合。