水利水電工程泄洪閘門柴油發電機組容量選擇

毛 敏

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

水利水電工程中具有泄洪功能的大壩樞紐閘門屬于一級負荷中特別重要的負荷，它們一旦中斷供電將造成人員傷亡和重大的經濟損失。為確保其正常工作，這些負荷除由雙重電源供電外，還應增設應急電源。

柴油發電機具有功率范圍廣、結構簡單、體積小、價格便宜、易起動、運行平穩、操作維護簡單、方便等特點，是作為水利工程一級負荷應急電源最好的選擇。在配置柴油發電機組時，最重要的是機組額定功率的確定，即容量的選擇。由于水利工程的應急電源需要較高的可靠性，但其利用率很低，因此容量過大會造成初期投資大、運行經濟效益差，也造成運輸、安裝的困難和不必要的浪費，增加維護量；過小的功率又會使發電機負荷過重，在電動機起動時，使壓降過大，電動機不能起動，降低機組可靠性和壽命，甚至在關鍵時刻超載停機，造成事故。因此，需要根據柴油發電機組的勵磁及調壓方式、調速性能、供電負荷大小及起動時柴油發電機已帶負荷的多少和功率的大小等合理選擇機組的容量。

本文以引漢濟渭工程三河口水利樞紐大壩泄洪閘門配置的柴油發電機容量選擇為例進行相關計算和說明。

1 工程概述

三河口水利樞紐大壩泄洪閘門由設于壩底的兩孔泄洪放空底孔和壩表面的三孔泄洪表孔組成，三孔開敞式泄流表孔與兩個泄洪放空底孔交錯相間并排布置。壩底的泄洪放空底孔設兩面弧形工作閘門，每個底孔閘門安裝兩臺工作門液壓啟閉機，每臺工作液壓啟閉機電動機容量為2×55kW，電動機運行方式為一用一備。泄洪表孔設工作閘門三扇，運行方式為動水啟閉、任意開度運行，安裝三臺雙吊點液壓啟閉機，每臺啟閉機電動機容量3×55kW，電機運行方式為兩用一備。

根據拱壩特點，柴油發電機房與配電室緊鄰布置，一并放于大壩右岸景觀平臺處。

2 水利樞紐泄洪閘門負載特性及柴油發電機組容量選擇要求

2.1 水利樞紐泄洪閘門負載特性

（1）水利水電工程中閘門運行時間較短，屬于短時不連續負荷；

（2）起泄洪作用的閘門一般不同時運行，根據泄流要求順序開啟；

（3）閘門容量負荷較大，不易啟動；

（4）需保證較高的可靠性。

2.2 柴油發電機容量選擇一般要求

（1）滿足連續輸出容量需要；

（2）滿足電動機啟動時電壓降的要求：

①認為發電機帶自動調整勵磁裝置；

②電動機啟動容量達最大值是瞬間的，不考慮兩臺及以上電動機的同時啟動造成沖擊的問題；

③不考慮電動機按容量大小順次啟動以減小發電機容量的工況，與泄洪要求存在矛盾；

④按空載啟動單臺最大容量電動機及發電機母線已接負荷兩種情況，對電動機啟動時壓降分別檢驗；

⑤柴油發電機至電動機之間配電線路電壓降的影響。

3 柴油發電機容量的選配

針對水利工程閘門特點，在實際工程中，柴油發電機容量選擇著手下面三個方面進行，并按其最大者確定機組的選擇容量。

引漢濟渭工程泄洪工作閘門均選用液壓啟閉機，其配套油泵電機采用Y型節能電機。本工程55kW的Y型電動機采用目前較為普遍的軟起動器方式，Y型異步電動機軟啟動器啟動時起動電流為額定電流的2倍～4倍。因不同廠家產品的差異，取電動機輸出的起動電流倍數為3倍。

3.1 按最大計算負荷選擇發電機容量

依據《水利水電工程廠（站）用電系統設計規范》（SL485-2010），柴油發電機組的計算負荷應考慮應急負荷的投運規律，對于時間上能錯開運行的應急負荷不應全部計算，可以分階段統計同時運行的應急負荷，取其最大者作為計算負荷。本工程柴油發電機組的計算負荷應選取兩孔泄洪表孔雙吊點閘門同時運行的狀況，即每孔雙吊點閘門額定功率為55kW×2，并考慮一定的照明負荷進行計算。經過計算，柴油發電機的計算負荷Sjs=338.2kVA。

3.2 按帶負荷后仍滿足最大單臺電動機或成組電動機的啟動需要校驗發電機容量

（1）發電機連續輸出容量（即發電機的額定容量）應大于最大計算負荷；

（2）柴油發電機組的容量大小，除滿足連續輸出容量外，還必須進行電動機啟動時的電壓校驗，即按帶負荷后仍滿足最大單臺電動機或成組電動機的起動需要校驗發電機容量。

本工程最大單臺電動機容量為泄洪表孔雙吊點閘門55kW×2=110kW，電動機的起動功率因數取0.4，電動機啟動倍數取7，電動機起動方式系數取0.42。經校驗，柴油發電機帶負荷后仍滿足最大單臺電動機的容量，SG2=379kVA。

3.3 按空載起動最大的單臺電動機時母線允許電壓降校驗發電機容量

發電機在其母線尚未接入其它負荷而首先起動單臺最大容量電機時，在起動電流的突然沖擊下，發電機內阻抗上產生電壓降，而勵磁系統來不及快速調壓，使其母線的電壓降最大。

發電機次暫態電抗取0.25，母線允許的瞬時電壓降取0.25，按母線上的電壓降不宜低于額定電壓的75%計算，空載起動最大的單臺電動機時母線允許電壓降范圍內的發電機容量為SG3=303kVA。

3.4 柴油發電機組容量的確定

根據以上三種工況計算的數據，應選取最大者作為柴油發電機組的容量。考慮cosφ=0.8時，本工程需選用300kW的柴油發電機組，可滿足各種工況要求，與使用全阻抗計算法校驗柴油發電機容量的結果一致，而且所選容量與柴油發電機組的計算負荷（正常運轉負荷）接近，證明此柴油發電機組的容量選擇較經濟、且電動機的起動方式較合理。

4 合理選擇電動機起動方式

根據上述三種工況計算柴油發電機容量時，若SG2和SG3值比SG1大的較多，主要是由于電動機采用直接起動方式引起的。因此，選擇柴油發電機組的容量時，還必須考慮電動機的起動方式，以盡可能使變壓器運行容量較經濟節能。而選擇電動機起動方式時，還應考慮起動轉矩的大小，由于電動機的起動轉矩與電壓平方成正比，為了保證生產機械的正常起動，電動機的電磁轉矩必須大于生產機械的轉矩。

在選擇發電機容量時，要具體分析，是電動機降壓起動選擇小容量發電機組，還是電動機直接起動選擇較大容量發電機組，要進行綜合技術經濟比較確定。我們工程希望所選的發電機容量應盡量與發電機正常連續運轉容量近似較為有利。

5 柴油發電機的簡化選擇

5.1 電動機直接起動時的柴油發電機容量

對直接起動時發電機容量，起動倍數K取7，可按同時滿足以下三種簡化條件選取柴油發電機組的容量：

（1）SG1≥1.5 P∑

（2）SG2=1.5 P∑+2.9 Pm

（3）SG3=6.6 Pn

5.2 電動機軟起動方式時的柴油發電機容量

對較大功率的電動機采用軟啟方式時，起動倍數K取3，可按同時滿足以下三種簡化條件選取柴油發電機組的容量：

（1）SG1≥1.5 P∑

（2）SG2=1.5 P∑+0.4 Pm

（3）SG3=2.8 Pn

5.3 柴油發電機的型式要求

（1）選用的柴油發電機組應采用快速自啟動的應急型，當系統電源失去后，柴油發電機組應能自動啟動。首次啟動恢復供電的時間不宜大于15 s，并應裝設手動啟動、快速自動啟動及電源自動切換裝置。

（2）柴油發電機組具有時刻準備自啟動投入工作并能保證連續3次自啟動成功投入的功能。當連續3次自啟動失敗，能發出報警信號，并閉鎖自啟動回路。

（3）發電機采用快速反應的無刷型自動勵磁裝置，裝設過電流保護和單相接地保護。

6 結語

柴油發電機是保證泄洪閘門正常運行非常重要的電源，在外電源全部消失時，備用柴油發電機是整個樞紐的唯一供電電源，是排除險情的重要保證。因此，合理選擇發電機的容量，應充分考慮計算負荷、電動機啟動方式及啟動倍數、電纜長度及截面等與之相關的各種條件。另外，工程中還應考慮不同種類、型號發電機和電動機參數的差異以及設備老化對性能的影響來最終確定發電機組容量。

[1]《水利水電工程廠（站）用電系統設計規范》（SL485-2010）[S].

[2]《供配電系統設計規范》（GB50052-2009）[S].

[3]《水力發電廠機電設計規范》（DL/T5186-2004）[S].

[4]鋼鐵企業電力設計手冊編委會.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，1996年1月第1版.

[5]《水利水電工程啟閉機設計規范》（SL41-2011）[S].