洪澤泵站主機組變頻裝置改造方案與實施要點分析

周 楊，宋 佳，紀 恒

(1．南水北調東線江蘇水源有限責任公司淮安分公司，江蘇 淮安 223001；2．江蘇省灌溉總渠管理處高良澗閘管理所，江蘇 洪澤 223100)

0 引 言

近年來，我國清潔能源持續擴容，清潔低碳、安全高效的能源體系正在加快構建起來。習近平總書記曾指出：“發展清潔能源，是改善能源結構、保障能源安全、推進生態文明建設的重要任務。”2018年，著力解決清潔能源消納問題成為當年的重點工作任務之一，從而可以更好地解決棄水棄風棄光電量和限電比例逐年下降的問題。基于此背景下，依據國家發展清潔能源的政策，為進一步充分利用南水北調洪澤湖的棄水資源，洪澤泵站實施主機組直接反轉發電項目，可提高機組發電效益，改善機組發電運行條件，優化機組發電特性。

1 概 述

洪澤泵站工程隸屬于南水北調東線第一期工程中的第三梯級泵站，位于江蘇省淮安市洪澤縣蔣壩鎮，與洪澤湖毗鄰，介于洪金洞與三河船閘之間。就洪澤湖自身而言，擁有淮河、睢河、安河、池河、徐洪河等多重入湖河道，與此同時也擁有江水道、灌溉總渠、分淮入沂河入海水道，使得洪澤湖承泄了淮河中上游15.8萬km2的水量，擁有豐富的水利資源，具有天然的棄水發電利用條件。基于洪澤湖優質的環境，洪澤湖除了具有基本的調水功能之外，還具有防洪、排澇、發電等功能。

洪澤湖主機變頻改造項目當中，其泵站規模方面，抽水設計規模為150 m3/s，設計凈揚程為6.0 m，裝有5臺套立式液壓全調節混流泵，配備水泵葉輪(直徑為3 150 mm，單機流量為37.5 m3/s)，以及立式同步電機(額定功率3 550 kW，額定電壓10 kV，額定電流241 A，轉速125 r/min，總裝機容量17 750 kW)。水泵采用立式混流泵豎井筒體式結構，配肘形進水流道、虹吸式出水流道，真空破壞閥斷流；其泵站機組反轉發電方面，考慮發電功能需求，泵站安裝抽真空系統、正反轉同步電機，進一步夯實泵站主機組反轉發電基礎。

自洪澤泵站主機組泵機工頻反轉發電以來，工頻反轉發電存在一定的缺陷，如機組振動、噪聲較大，發電效率低，對機組軸瓦等機械部位損傷較為嚴重。因此，現通過安裝變頻發電機組，對洪澤泵站多臺混流泵機組反轉發電時降低轉速，由此進行主機組變頻裝置改造，改善運行工況，確保安全穩定運行。

2 改造基本原則和方案

為了更好地提升洪澤泵站主機組發電效益，改善發電運行條件，則對洪澤泵站機組發電特性進行認證分析，確定在原有直接反轉發電的基礎上，增加1臺套機械式變頻發電機組(額定電壓10 kV，運行頻率50 Hz/30 Hz，功率6 000 kW)以及相關配套設備，以增加發電效益，提高機組運行環境和效率。

2.1 基本原則

針對洪澤泵站主機組變頻裝置改造，應遵循以下幾項基本原則：一是嚴格遵循《泵站設備安裝及驗收規范》(SL 317—2015)、《南水北調泵站工程運行管理規程(試行)》(NSBD 16—2012)、《水利工程施工質量檢驗與評定規范》(DB 32/T 2334.3—2013)、《水輪機發電機組安裝技術規范》(GB/T 8564—2003)、《泵站現場測試規程》(SL 140—85)、《電氣裝置安裝工程電氣設備交接驗收標準》(GB 50150—2006)、《電氣裝置安裝工程旋轉電機施工及驗收規范》(GB 50170—2006)、《機械設備安裝工程施工及驗收通用規范》(GB 50231—2009)。二是充分結合洪澤泵站水力分析，確定水位組合，對機組水輪機試驗原型數據進行計算分析，確定降速發電情況。同時，結合水文水情分析，確定洪澤湖泄洪情況，從而為主機組變頻裝置改造提供現實依據。

2.2 改造方案

洪澤泵站主機組變頻裝置的改造要求通過安裝1臺套變頻發電機組設備(含1臺臥式同步電動機，1臺臥式同步發電機)，進一步提高機組發電效益，改善機組發電運行條件，優化機組發電特性；即在原直接反轉發電的基礎上，通過增加1臺套額定電壓10 kV，運行頻率50 Hz/30 Hz，功率6 000 kW的機械式變頻發電機組，以及相關配套設備，增加發電效益，改善機組運行條件。

(1)確定主機組變頻裝置發電出力最大工況，即機組30 Hz運行，在3.5～4.0 m水頭下，葉片角度為-4°；在4.0～4.5 m水頭下，葉片角度為-2°；在4.5～4.8 m水頭下，葉片角度為+2°。

(2)首先確定變頻發動機電動運行，用110 kV大電網啟動I段母線上的變頻發電機，變頻電動機與變頻發動機同軸運行。此時變頻電動機發電運行，變頻電動機進入同步轉速，在II段母線建立6.3 kV電壓、30 Hz頻率的小電網。其次，虹吸管道抽真空，水倒流使得水泵機組轉動，當轉速達到一定程度時合主機斷路器，主機異步啟動，投勵后進入同步轉速運行。再次，在水流量不斷增大的過程中，虹吸管真空度進一步提升，主機逐步進入發電運行狀態。當主機確認進入發電運行狀態后，變頻電動機自動轉入電動運行，變頻發電機自動轉入發電運行，變頻發電機發出的電能通過變壓器升壓達到110 kV，而后完成并網。

(3)充分考慮主機組反轉發電原理，對電氣系統和設備布置進行適當的預留設計。其中，1臺套變頻發電機組設備的安裝，采用外墻拆除、設備基礎改造等土建工程完成，并預留位置；高壓開關室內安置10 kV開關柜，并接入泵站10 kV系統，保護裝置、自動化系統則接入泵站自動化系統。開關柜內裝設真空斷路器，配彈簧操作機構。繼電保護采用微機綜合保護裝置，裝置安裝在高壓柜儀表室。

(4)勵磁采用微機型可控硅勵磁裝置，勵磁裝置主回路為三相全控橋式整流電路。調節器具有恒功率因數和恒勵磁電流運行功能，通過自動調整勵磁電流給定值維持機端電壓或無功功率恒定，不受電網或負載波動影響。在發電運行過程中，同步發電機勵磁裝置按恒無功調節、恒勵磁電流雙閉環方式運行，同步電動機勵磁裝置按恒機端電壓、恒勵磁電流雙閉環方式運行，5臺主電機勵磁裝置按恒無功調節、恒勵磁電流雙閉環方式自動調節勵磁電流。

(5)變頻機組測溫信號及冷卻水示流信號、10 kV開關柜狀態信號、微機保護及勵磁裝置信息采用控制信號電纜引至變電所側二樓控制保護屏室LCU柜進行采集；泵站計算機監控系統上位機及現地PLC、觸摸屏進行變頻機組監測功能相關應用軟件開發。

3 改造實施要點分析

洪澤泵站主機組變頻裝置改造是一項相對復雜的工程，絕大多數的工作是在原有大部分設備不停電的情況下進行的，這在一定程度上增加了主機組變頻裝置改造實施的難度以及危險性。因此，在主機組變頻裝置改造實施過程中，應做好充分的準備，科學合理地改造實施設計流程。

3.1 制定詳細的技術施工方案

在正式進行洪澤泵站主機變頻裝置改造實施之前，應制定詳細的技術施工方案，包括技術設計措施、技術措施、組織措施、安全措施等。其中，在技術設計方面，安裝變頻發電機組設備，提高機組發電效益，優化機組發電特性。在技術措施方面，確定所增加的變頻發電機組的型號與運行特性，并增設相關配套設備。在組織措施方面，成立主機組變頻改造項目部，確定項目從設備采購過程到施工過程的合理流程，對勘測設計、咨詢、招標代理、安裝等工程投資減少或者是專業性較強的工作則可以采用委托方式進行實施。在安全措施方面，對施工出現的質量隱患及時排查和解決，認真落實施工安全管理各項規章制度，從而保證避免施工安全質量事故的發生。

3.2 對主機組布置重新規劃設計

在進行主機組變頻裝置改造的過程中，需要更換或增加的設備有部分是無法在間斷運行的條件下進行的，新上設備的數量與原設備也會有不一致的情況出現。為了保證主機組布置合理，應針對主機組布置進行重新規劃設計。根據洪澤泵站主機組變頻裝置的史記情況，變頻機組布置于變電所側1樓預留房間，2臺高壓開關柜(含翻線柜)、2塊勵磁屏和2臺勵磁變柜布置于2樓預留房間。變頻機組室設有電纜溝，與2樓開關室之間設置豎井橋架和水平橋架形成電纜通道；變頻機組機坑長7.4 m、寬4.22 m、深3.6 m，根據變頻機組尺寸對混凝土基礎進行改造。

3.3 優化設備運行配合安排

新的設備系統投入使用，并不意味原有系統的退出，而是與原有系統共同完成新的設備運行任務。基于這種情況下，部分設備需要在主機組變頻裝置改造過程中同時運行。因此，針對設備運行的配合應科學安排。一方面，需要對增設的電氣系統和設備布置的位置予以適當的預留，做好設備安裝相關的設備基礎改造等土建工程施工工作。變頻機組的4個軸承的冷卻應從洪澤泵站的冷水組進行引接，以保證設備快速進行運行調試環節；同時也能夠讓更換及增設的設備直接接入新的系統，減少重復工作和停電時間。另一方面，在增設設備系統后，原有系統不應立即退出運行，應將更換的二次設備接入新系統；原有系統逐步退出運行，減少改造的工作量。

3.4 加強施工質量管理

洪澤泵站主機組變頻裝置改造從大方向上來說隸屬于南水北調工程，項目改造過程中需要建設嚴謹的工程質量管理體系，才能更好地保證施工質量。在具體的施工過程中應堅持“三控制、三管理、一協調”原則，在項目正式施工之前就針對施工單位、主要分包單位資質、人員等予以檢查，確定各設備是否符合要求。針對現場施工當中出現的與設計相關問題，應進行技術交底。在項目正式施工過程中則需要保證變頻機組改造工程符合預期要求，對隱蔽工程以及關鍵部位應加大管理控制。

4 改造效益與運行建議

4.1 效益分析

本次洪澤泵站主機組變頻裝置改造預期投資650萬元。項目完成后獲得的發電收益要比原來有所增加，所增加的發電效益主要集中在兩個方面：一方面是4.5 m以上水頭功率同比增加。按照單機功率700 kW計算，增加發電時間16 d，增加發電量36.8萬kW·h，增加收益約10.4萬元。另一方面則是3.5～4.5 m水頭功率同比增加。按照單機功率增加200 kW計算，增加發電時間60 d，增加發電量28.8萬kW·h，增加收益約11.2萬元。其經濟效益產出顯著，按照5臺機組的發電量來計算，增加發電量共計278萬kW·h，增加收益108萬元，凈利潤86.4萬元，直接投資收益率達到13.3%。

4.2 運行建議

總的來說，洪澤泵站主機組變頻改造工程在原有直接反轉發電的基礎上實現，整體工程量并不大，投資量適中，經濟以及社會效益較好。然而，在運行過程中可能會出現部分問題，如差動保護跳閘問題、噪音問題等，下一步應繼續完善差動保護功能運行，并改進裝置項目的設備運行振動性能，減少噪音影響。