岸堤水庫電站機(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

岸堤水庫電站原2、3、4號機(jī)組是重慶水輪機(jī)廠設(shè)計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)計水頭為21 m，最高水頭為22 m，設(shè)計流量為8.05 m3/s，水輪機(jī)出力為1 360 kW，設(shè)計效率為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)測算水輪機(jī)的整體效率已不足0.7。

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

調(diào)速器型號是GT-1500機(jī)械液壓式調(diào)速器，設(shè)備運(yùn)行30多年來，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HL240D-LJ-123的不銹鋼轉(zhuǎn)輪，設(shè)計流量8.9 m3/s，設(shè)計水頭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，因此需對原發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造。經(jīng)對有關(guān)數(shù)據(jù)分析計算，只更換發(fā)電機(jī)的定子線圈，加大定子線圈過流截面積，使發(fā)電機(jī)額定功率由原來的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，性價比高，改造后的發(fā)電機(jī)型號為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，額定勵磁電流為290 A，額定容量比原發(fā)電機(jī)增加250 kW。

2.3 勵磁系統(tǒng)的改造

淘汰原勵磁機(jī)直勵系統(tǒng)。引用先進(jìn)的基于32位DSP的新型勵磁控制系統(tǒng)帶有觸摸屏的靜止微機(jī)可控硅勵磁裝置。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，可控硅勵磁裝置的特點(diǎn)有：

1）本勵磁控制系統(tǒng)針對控制要求，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)了基于信號處理和基于知識診斷相融合的在線故障診斷和故障自動處理，大大簡化了設(shè)備的現(xiàn)場維修，提高了設(shè)備的可維護(hù)性，

2）勵磁變壓器與可控硅接線時無需核相，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，極大地減少了風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)能耗和故障率。

3）勵磁系統(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，勵磁系統(tǒng)能自動按預(yù)先設(shè)定的比例，減少或增加發(fā)電機(jī)的無功負(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，具有信號測量、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)，能動態(tài)指示調(diào)速器的故障原因和運(yùn)行工況。具有完備計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)接口的硬件和軟件，提供被動接受式通訊協(xié)議，接口分計算機(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)組自動迅速穩(wěn)定至空載轉(zhuǎn)速，或根據(jù)指令信號，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)速器自動檢測電網(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，可以設(shè)定給定頻率運(yùn)行模式，調(diào)速器會自動調(diào)整機(jī)頻穩(wěn)定運(yùn)行在給定的頻率上。

4）調(diào)速器具有如下自動容錯功能。當(dāng)機(jī)組負(fù)載運(yùn)行，機(jī)頻故障時，則自動取網(wǎng)頻作為機(jī)頻，穩(wěn)定運(yùn)行。如網(wǎng)頻同時故障時，則發(fā)出報警信號，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，機(jī)組關(guān)至最小空載開度，保證機(jī)組空載不過速。當(dāng)機(jī)組負(fù)載運(yùn)行、導(dǎo)葉位置反饋信號故障時，調(diào)速器自動報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臺機(jī)組改造完成后，進(jìn)行了72 h的試運(yùn)行，設(shè)計水頭下，機(jī)組開度開至78%時，3臺發(fā)電機(jī)有功率都達(dá)到1 500 kW。其他各項技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，對勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器進(jìn)行了各項性能測試，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

經(jīng)效率測算，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70%的水量將通過此3臺機(jī)組調(diào)節(jié)，按水電站平均每年發(fā)電量1 500萬kWh的70%計算，平均每年增加發(fā)電168萬kWh，增加收入63萬元。另外每臺水輪機(jī)的過流能力增加0.85 m3/s，3臺機(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30萬元的工資支出。以上3項總計為電站增收節(jié)支共99萬元。本項目總投資230萬元，靜態(tài)投資回收期近似2.23年，投資價值高，效果好。

4 結(jié)語

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，充分利用本水電站盈余過流能力，與增加容量同時進(jìn)行，同時考慮對原舊設(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。