水電站現存問題與增效擴容設計方案

徐景金

龍門縣水利水電勘測設計室 廣東龍門 516800

摘要：對老化的水電站進行增效擴容改造后，能提高水電站的自動化程度和生產效率。本文分析了某電站的情況，該電站設備嚴重老化，自動化程度低，生產效率低下，安全性低，通過制定和實施有效的增效擴容改造方案之后，有效地利用水資源，提高安全性能，提高發電效率。

關鍵詞：水電站；存在問題；增效擴容；改造方案

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，各地的水電站興建項目越來越多，為城市的人們提供著每日必需的能源，成為了城市運作的重要組成部分。但是，由于一些水電站年久失修，出現了例如設備老化、生產效率低下、安全隱患大等的缺點，嚴重影響了水電站的正常運行。如何解決這些問題成為了人們處理的工作。下面以某水電站為例進行討論。

1電站概況

某水庫電站為壩后式電站，是該地水庫主體工程的重要組成部分，于1976年正式建成發電，現有機組3臺，總裝機容量7030kW，設計年發電量1450萬kW·h；其中2臺立式機組單機裝機容量3200kW，發電設計水頭30.5m，最大水頭43m，最小水頭24.4m，發電設計流量12.6m3/s，水輪機型號為HL240-LJ-140，發電機型號為TS325-36-20。另一臺機組為裝機容量630kW的臥式機組，發電設計水頭26.3m，最大水頭36m，最小水頭16m，設計流量3.21m3/s，水輪機型號為HL240-WJ-71，發電機型號為SFW630-12-1430。3臺機組經由1條3.8km的66kV線路并入電網。

由于當時的建設條件及其他諸多原因，建成后所實現的經濟指標與設計值相比尚有一定差距，平均年發電量僅占設計值的63%，因此該電站增效改造的潛力很大。

2電站現狀及存在的問題

2.1機組老化，發電量低

（1）電站實際裝機容量比根據水文、水能參數確定的裝機容量小10%，主要是因為20世紀80年代以前，水輪發電機組產品定型生產，規格品種較少，設計選型是套用現成機型，所以很難滿足電站實際需要。電站由于徑流資料參數的改變，原設計選用的水輪發電機組已不適應改變了的水力參數，機組技術指標低、效率低。

（2）機型老化，轉輪效率低。該水庫電站的水輪機轉輪是參照美國和蘇聯早期的技術參數，其能量和空蝕指標低，一般制造廠提供的設計點的真機效率最高只有84%～85%，比現在生產的機組效率至少低10個百分點，應該抓緊更新改造。

（3）機組運行區嚴重偏離轉輪最優工況，空蝕嚴重、效率低。主要是因為當時定型產品規格少，不能滿足一些電站需要，造成機組選型不當；機組轉速檔次大，又沒有合適的增速裝置，勉強使用，致使機組空蝕嚴重、效率低、振動噪音大。機組只能發到額定出力的60%～70%。

（4）制造工藝落后、質量差。水輪機轉輪大多采用鑄造工藝，其結構簡單，葉片線型誤差大，加工粗糙，光潔度差，造成水流脫流，引起機組振動、空蝕、效率降低，轉輪效率僅在70%左右。

2.2自動化程度低

（1）快速檢修閥門存在的問題。2臺機組蝴蝶閥開啟及關閉速度慢，對機組保護不足，設備多，占用空間大。運行過程中，出現過因旁通閥無法打開而造成蝴蝶閥無法開啟的故障，影響了機組發電及農灌時間。1號蝴蝶閥環形接力器還存在漏油的現象。3號蝴蝶閥為電動閥，當遇廠內失去電力時，無法關閉，是重大安全隱患。

（2）勵磁系統存在的問題。目前1、2號機組采用直流勵磁機勵磁方式，勵磁調節裝置為電磁式相復勵裝置，勵磁機為旋轉設備，故障幾率高，整流子磨損嚴重，電刷火花等級高，加大了檢修工作。

（3）調速器存在的問題。3臺調速器均為機械式調速器，調速功能簡單，無法與自動化監控系統匹配。

（4）保護裝置存在的問題。現保護裝置均為老式的電磁式繼電器，且多為1974年的產品，使用時間久，同型號產品已經在市場上淘汰，繼電器本身已經達不到對繼電保護的可靠性及靈敏性要求。

2.3其他問題

（1）現電站電纜使用年限已近40a，電纜布局不合理，老化嚴重，無必要的阻燃措施，安全隱患極大，需更換。

（2）現電站起重機大小車滑道均為裸露滑道，限位開關及剎車制動不靈敏，已經被技術監督部門檢測為不合格產品，現已停用，應進行更新改造。

（3）電站送出線路為66kV電壓等級，于1972年架設，目前所用的陶瓷橫擔已經淘汰，部分電桿有裂紋、混凝土脫落等現象；且原線路有部分區域無避雷線，線路雷擊故障經常造成機組事故停機，需改造為全程避雷線的線路。

3改造內容

更換3臺機組壓力鋼管，更換3臺機組進水主閥，更換2號機組轉輪，更換3號機組轉輪，更換3臺機組勵磁系統，更換3臺機組調速系統；增設微機自動化控制系統，發電機、變壓器保護系統改造，廠內直流系統改造，廠內高、低壓開關改造，主廠房橋式起重機改造，配套電網改造。

4改造方案

4.1水輪機改造

本次增效改造采用適合該電站流道和發電機轉速的新型高效不銹鋼轉輪，2號水輪機效率由84%提高至93%，機組綜合效率由82.8%提高至88.8%。3號水輪機效率由76%提高至89%。

4.2調速器改造

1、2、3號機組配備的調速器更換為高油壓微機調速器，新調速器能夠保證機組在空載、孤網及并網運行工況下穩定運行，具有手動及自動開停機、增減負荷及帶負荷運行等功能；并網后能根據永態轉差率與頻差自動調整出力，可無條件、無擾動地進行自動和手動的相互切換，能采集并顯示機頻、網頻、接力器開度、手動、自動等主要參數及運行狀態，并能根據需要現地在線整定調速器的運行參數。電氣故障時，能自動地切換為手動工況，并發出故障報警信號，同時保持當前負荷。

4.3蝴蝶閥改造

1、2、3號水輪機組進口蝴蝶閥直徑不變，改為液壓控制緩閉止回蝶閥。在原有蝶閥的基礎上，配置可靠的液壓重錘，且機、電、液系統集成為一個整體，減少占地面積及基建投資。它的電液控制功能齊全，無需再配置控制柜，即可以作為1個獨立的系統單機就地調試、控制；與電站計算機監控系統聯接，可以作為集散性控制系統的1個設備單元，通過I/O通道由上位機集中管理，與水輪機、旁通閥及其他管道設備實現聯動操作。為了在失電時緊急關閉，配有手動功能，可實現手動開、關閥，滿足特殊工況下的閥門調試、控制要求。<1750蝶閥，全開工況下，阻力系數小于0.15；<1000蝶閥，全開工況下，阻力系數小于0.20。

4.4起重機改造

為了便于機組及輔助設備的安裝檢修吊裝，在1、2號主廠房內設有雙鉤慢速橋式起重機1臺，起重量主鉤為30t，副鉤為5t。在3號機廠房內設有電動葫蘆1臺。由專業起重設備廠家對電站橋式起重機進行更換、保養、維修、校正、加固等大修項目工作。

4.5直流系統改造

全廠操作電源采用直流220V/300Ah系統，直流系統更換為免維護電池組，包括充電屏、電池屏和饋電屏，供全廠操作、保護、信號及自動裝置，事故照明等直流供電。電站蓄電池（容量300Ah）為免維護鋁酸蓄電池，充電裝置采用智能高頻開關電源，采用/N+10充電模式。

4.6綜合自動化改造

4.6.1微機監控系統

該電站計算機監控系統采用全分布開放式的全廠集中監控方案，設有負責完成全廠集中監控任務的電站控制系統及負責完成機組、開關站公用設備監控任務的現地控制系統。現地控制系統以可編程控制器為核心構成，現地控制系統的設備靠近被控對象布置。主控級和現地控制單元級經100Mbps總線相連（見圖1）。

圖1 計算機監控系統結構示意圖

4.6.2機電控制保護系統

（1）發電機保護。發電機保護配置DMP320C1F（發電機差動保護單元）、DMP321C1F（發電機后備保護單元）構成發電機的全部保護。實施縱聯差動保護、失磁保護、復合電壓啟動過流保護、負序過流保護、過電壓保護、過負荷保護、定子接地保護、轉子回路一點接地保護、電壓互感器二次回路斷線保護、差動回路斷線保護、故障錄波等保護功能。

（2）主變壓器保護。變壓器保護配置DMP320C1B（主變差動保護單元）、DMP321C1B（主變后備保護單元）構成變壓器的全部保護。實施縱聯差動保護、差動速斷保護、瓦斯保護、中性點零序電流保護、間隙零序電流電壓保護、主變壓器過負荷保護、主變壓器溫度保護、主變油壓力釋放保護、故障錄波等保護功能。

（3）66kV線路保護。線路保護主要實施反時限過流保護、過負荷保護、過電壓保護、小電流接地告警、低頻減載等保護功能。

4.6.3電纜及高壓開關柜改造

現電站內所用高壓開關均為少油斷路器，此種型號斷路器所需檢修工作量大，事故跳閘4次之后就需要更換開關油，動靜觸指容易有電弧燒損，密封部件老化之后容易出現滲漏油情況，且操動機構也容易出現故障。為更好與自動監控系統匹配，本次改造為儲能型空氣開關并重新制作電纜橋架，更換電纜，做好阻燃設施。

4.7勵磁系統改造

電站微機勵磁系統采用雙微機、雙功率通道自并勵靜止勵磁系統，該裝置采用工業用微機構成嵌入式系統，可方便地實現單微機、雙微機、多微機框架結構。

5結語

總的來說，對老化的水電站進行增效擴容改造是對現有水能資源進行更合理有效地利用，可達到消除安全隱患，提高水電站的發電效率，保護生態環境的目的。我們對電站增效擴容改造，不是簡單更換原有設備，而是對水電站進行再創造的過程，改造方案要進行綜合分析，要針對電站的實際情況，合理確定合適的改造方案。

參考文獻：

[1]黃源芳.水電機組修復與現代化改造[M].武漢：長江出版社，2008.

[2]陳錫芳.水輪發電機組改造增容與優化運行[M].北京：中國水利水電出版社，2010.