水電站節(jié)能降耗的設(shè)計(jì)措施

張憲林，茍 敏

(1.中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081，2.貴州省水利水電工程移民局，貴州 貴陽 550004)

1 工程簡(jiǎn)介

某水電站的電站地下廠房中共設(shè)計(jì)了10臺(tái)容量為650MW的水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組的額定水頭為188m，最大水頭為215m。最小水頭為153m，年平均的發(fā)電量為238.1*108KW/h，調(diào)節(jié)庫的總?cè)萘繛?14.1*108m3，水庫主要用來發(fā)電、發(fā)展旅游業(yè)、改善航運(yùn)、農(nóng)田防洪等，具有綜合利用的價(jià)值。

2 水電站節(jié)能降耗的效益分析

在大多數(shù)的水電站建設(shè)過程中，主要把水能和煤炭作為主要的能量來源，而煤炭作為我國一種重要的能源主體，儲(chǔ)存數(shù)量是非常有限的。在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展下，已經(jīng)從煤中提煉出來了非常多的稀有貴重元素和一百多種副產(chǎn)品，而且這些貴重元素和副產(chǎn)品是經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民日常生活中不可或缺的物質(zhì)。目前，我國對(duì)煤炭資源的利用率并不高，多數(shù)的煤炭資源只是被燃燒掉，為了降低對(duì)煤炭資源的開采速度。減少對(duì)煤炭資源的浪費(fèi)，提高煤炭資源的可持續(xù)利用率，就需要對(duì)煤炭資源進(jìn)行保護(hù)。此水電站的裝機(jī)容量為5855MW，在電站建設(shè)好以后，每年可以節(jié)省煤炭790.2萬噸。而且水電站的建設(shè)還可以減少各地污染物和溫室氣體的排放，降低二氧化碳的排放量，經(jīng)過計(jì)算證明水電站每年可以降低23.4萬噸SO2的排放量、1892.9萬噸CO2的排放量和8.79萬噸NO2的排放量，可以有效的防止酸雨的形成。

3 水電站節(jié)能降耗的設(shè)計(jì)措施

在對(duì)水電站的設(shè)備機(jī)械能選擇的過程中，要按照節(jié)能、低損耗、高效、舒適、有利于環(huán)境保護(hù)、安全等基本原則進(jìn)行選取，在選擇水電站主機(jī)設(shè)備的參數(shù)時(shí)，要對(duì)比類似的設(shè)備和工程，在選擇的過程中，要考慮節(jié)省能耗和提升效率的基本要求。

3.1 水輪發(fā)電機(jī)的參數(shù)選擇

(1)定子鐵芯的設(shè)計(jì)。使用高導(dǎo)磁率、高質(zhì)量、機(jī)械性能良好、無時(shí)效性、低損耗的進(jìn)口冷軋薄硅鋼進(jìn)行沖片疊裝成定子鐵芯。扇形片沖壓成形后，要對(duì)其進(jìn)行磨光和去毛刺，為了降低渦流的損耗，要使用F級(jí)絕緣漆對(duì)兩面進(jìn)行涂抹，為了提升鐵心的強(qiáng)度，降低端部附加損耗和鐵心的振動(dòng)，要使用膠水把F級(jí)環(huán)氧硅鋼片粘結(jié)成一個(gè)整體。在布置定子鐵芯內(nèi)部的通風(fēng)槽時(shí)，要保證空氣流通的平穩(wěn)性、通暢性，確保鐵心冷卻的高效性、充分性和均勻性，要把風(fēng)阻損耗降到最低。為了降低損耗，要使用非磁性材料支撐通風(fēng)溝的撐條，在設(shè)計(jì)繞組時(shí)，要把環(huán)流引起的發(fā)熱量和熱損耗降到最低，在定子線的匯流排、棒端部、中性點(diǎn)和引出線的四周使用非磁性的材料進(jìn)行支撐，從而來避免出現(xiàn)電磁感應(yīng)發(fā)熱的情況。(2)設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)。要對(duì)功率因數(shù)、額定電壓等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了降低絕緣材料和有效材料的使用量，要對(duì)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行詳細(xì)的考慮，選擇合理的槽電流，發(fā)電機(jī)的額定效率要控制在98.8%以上，加權(quán)平均效率要控制在98.6%以上。

3.2 水輪機(jī)的選擇

在選擇水輪機(jī)時(shí)，加權(quán)平均效率要在93.6%以上，要把最高效率控制在96.3%以內(nèi)，在水輪機(jī)上設(shè)置圓筒閥，可以有效的降低導(dǎo)水機(jī)構(gòu)停機(jī)期間的磨耗和空隙，提高水輪機(jī)檢修的周期。除了可以降低導(dǎo)水葉漏水的電量損失外，還可以提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性、靈活性和速度。在發(fā)電的初期，水電站水輪機(jī)的漏水量為 1.3m3/s，8000 小時(shí)后漏水量為 1.8m3/s，安裝圓筒閥后，在停機(jī)時(shí)，關(guān)圓筒和關(guān)導(dǎo)葉的漏水量只有45L/s。每年可以降低2.22億m3的漏水量。

3.3 變壓器的設(shè)計(jì)

(1)選擇10型電力變壓器，使用優(yōu)質(zhì)低損耗冷軋取向硅鋼片疊制來作為鐵芯，為了降低變壓器的損耗。要使用精煉銅線來制作繞組，要對(duì)噪音水平進(jìn)行控制，最大限度的降低對(duì)環(huán)境造成的影響。(2)由于水冷卻的散熱效率比較高，可以節(jié)省材料的使用，降低變壓器自身的大小，所以可以使用單相式冷變壓器作500KV主變壓器。

3.4 離相封閉母線

對(duì)母線進(jìn)行離相封閉，因?yàn)橥鈿ぞ哂衅帘蔚男Ч?，減少了母線四周鋼結(jié)構(gòu)發(fā)熱損耗的情況。由于電站發(fā)電機(jī)的電壓為18kV，電機(jī)容量為650MW。額定的電流為2316A，當(dāng)發(fā)電機(jī)欠壓5%帶額定的負(fù)荷時(shí)，持續(xù)工作電流為24324A，在對(duì)母線進(jìn)行自然冷卻離相封閉時(shí)，可以選擇25000A來作為額定電流，保留適當(dāng)?shù)某湓６?，可以降低損耗，減少母線的散熱量。

3.5 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(1)為了降低濾水器、供水泵等設(shè)備的容量，減少冷卻水量的要求，要盡量使用熱效率高的產(chǎn)品作為主變壓器水/油冷卻器、發(fā)電機(jī)空氣冷卻器的輔助設(shè)施，進(jìn)而達(dá)到降低廠用電負(fù)荷的目的，輔助設(shè)備的電動(dòng)機(jī)要盡量選擇效率高的電動(dòng)及，從而達(dá)到降低無功損耗，提升電動(dòng)機(jī)功率因素的目的。(2)此水電站使用公用設(shè)備控制系統(tǒng)，確保所有的輔助設(shè)備都處于最佳的節(jié)能降耗的運(yùn)行狀態(tài)。為了對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性進(jìn)行改善，減少電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的電流，符合電站節(jié)能降耗運(yùn)行的基本要求，要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，選擇合理的啟動(dòng)方式.(3)使用頂蓋取水技術(shù)作為機(jī)組的供水系統(tǒng)，一臺(tái)機(jī)組總冷卻水量為2167m3/h。要使用兩臺(tái)功率為200KW的水泵進(jìn)行供水。頂蓋供水可以對(duì)廢水進(jìn)行利用，通過使用水輪機(jī)頂蓋下方轉(zhuǎn)輪上的冠密宮的有壓漏水作為機(jī)組的供水技術(shù)，不需要額外的消耗電能和水能，投入的資金比較小、設(shè)備的使用數(shù)量不高，有良好的經(jīng)濟(jì)效益。在本電站使用頂蓋取水為主，水泵供水為輔的方案每年可以為電廠省1470.6*104KW/h。(4)為了降低除濕機(jī)的使用量，達(dá)到節(jié)省能耗的目的，要使用保溫材料對(duì)蝸殼層結(jié)露的問題和水輪機(jī)層的問題進(jìn)行解決。

3.6 機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(1)此水電站使用能耗低、可靠性高的微型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，使用電壓比較大的晶閘管作為勵(lì)磁功率單元，在工業(yè)生產(chǎn)中，高電壓大功率的晶閘管使用非常的廣泛，和高壓小功率晶閘管相比具有散熱性和可靠性好的特點(diǎn)，隨著高電壓大功率晶閘管散熱功能的不斷提高，可以有效的減少外部冷卻系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的容量，有效的降低了電站運(yùn)行過程中的能耗。(2)選擇質(zhì)量?jī)?yōu)秀、能耗小的勵(lì)磁變壓器。

3.7 照明的設(shè)計(jì)

(1)水電站使用新型的節(jié)能光源進(jìn)行照明，使用材料和質(zhì)量都比較好的新型材料以及電子式鎮(zhèn)流器對(duì)質(zhì)量差的反射器進(jìn)行更換，為了達(dá)到降低照明用電的使用量，降低發(fā)電對(duì)環(huán)境造成的破壞，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行平衡，要根據(jù)場(chǎng)合的不同選擇合理的照明節(jié)點(diǎn)技術(shù)和燈具的結(jié)構(gòu)。(2)在設(shè)計(jì)照明節(jié)能的措施中，要盡可能的降低配電線路電能的損耗。對(duì)于功率比較高的照明設(shè)備，可以通過在鎮(zhèn)流器上增加補(bǔ)償電容的方法來降低線損率，對(duì)配電方式進(jìn)行優(yōu)化，如果回路供電距離比較遠(yuǎn)，使用三相四線對(duì)配電進(jìn)行控制，和單項(xiàng)供電相比，線損可以降低76% ～81%。(3)和傳統(tǒng)的照明設(shè)備相比，新型的環(huán)保節(jié)能照明設(shè)具有節(jié)能效率高使用壽命長(zhǎng)等方面的優(yōu)點(diǎn)，因此要使用新型的節(jié)能設(shè)備進(jìn)行照明。

3.8 通風(fēng)空調(diào)的設(shè)計(jì)

(1)要盡可能使用天然的能源作為空調(diào)系統(tǒng)的能源，水庫中深層的低溫水，是非常好的空調(diào)系統(tǒng)能源，非常的實(shí)惠經(jīng)濟(jì)。為了可以減少設(shè)備的投資，充分的對(duì)水庫中的水進(jìn)行利用，要對(duì)水庫中水的溫度進(jìn)行詳細(xì)的分析，經(jīng)過分析計(jì)算，此水電站空調(diào)用水的溫度取18度，為了降低二級(jí)表制冷需要使用的冷量，節(jié)省電能的使用，可以使用水庫中的水為地下廠房中空調(diào)系統(tǒng)的一級(jí)表進(jìn)行制冷。(2)此工程設(shè)計(jì)了進(jìn)排風(fēng)干道，更有利于風(fēng)路的走向，在夏季使用機(jī)械+空調(diào)進(jìn)行通風(fēng)，過渡季節(jié)使用局部機(jī)械通風(fēng)+自然通風(fēng)，對(duì)廠房隧洞的降溫能力進(jìn)行充分的使用，盡量使用水庫中的低溫水和自然通風(fēng)進(jìn)行制冷，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省用電量的目的。(3)由于此水電站的系統(tǒng)非常多、通風(fēng)空調(diào)規(guī)模非常的大，布置點(diǎn)相對(duì)來說非常的分散，在廠房中機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況以及室外的空氣參數(shù)產(chǎn)生變化時(shí)，要對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，為了保證廠內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的正常性，對(duì)空調(diào)用水和廠用電進(jìn)行節(jié)省，此水電站使用了全廠微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，從而保證大型水電站人員和設(shè)備運(yùn)行的安全性，根據(jù)機(jī)組投入運(yùn)行的具體臺(tái)數(shù)對(duì)通風(fēng)空調(diào)的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，確保系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的良好性。

4 結(jié)束語

此水電站經(jīng)過節(jié)能降耗設(shè)計(jì)后，水電站照明設(shè)備的年用電量590.1*104KW/h水電站的水、氣、油、水以及通風(fēng)空調(diào)設(shè)備年用電量3914*104kw/h，水電站的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備、通信設(shè)備、二次設(shè)備、其他的零星用電設(shè)備的年用電量為 174.1*104KW/h。生活、辦公用電設(shè)備的用電量為279*104KW/h，水電站運(yùn)行過程中，總的能耗量為4758.6*104KW/h。此水電站的年發(fā)電量為240.1*108kw/h，用電量?jī)H為發(fā)電量的0.198%，所以此水電站在運(yùn)行的過程中，能耗非常的低，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

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