水電站增效擴(kuò)容電氣設(shè)計(jì)問題及措施

楊敏

（隆昌縣石盤灘水電管理站四川內(nèi)江　641000）

水電站增效擴(kuò)容電氣設(shè)計(jì)問題及措施

楊敏

（隆昌縣石盤灘水電管理站四川內(nèi)江641000）

伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們生活水平的不斷提升，增效減排也已成為目前水利開發(fā)的新趨勢(shì)。早期我國(guó)設(shè)計(jì)的水電站，水工建筑和輸電線路及機(jī)電設(shè)備等嚴(yán)重老化，存在較大安全隱患與缺陷。在對(duì)水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容的改造時(shí)，電氣設(shè)備及水輪發(fā)電機(jī)等電氣的合理設(shè)計(jì)是增效擴(kuò)容的關(guān)鍵，往往卻未得到充分重視。若發(fā)電機(jī)于電氣設(shè)備無法適應(yīng)于水輪機(jī)的增效擴(kuò)容，將會(huì)對(duì)電站的安全可靠性及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成隱患，從而難以實(shí)現(xiàn)增效擴(kuò)容的真正意義。本文主要探討了水電站增效擴(kuò)容時(shí)電氣設(shè)計(jì)改造應(yīng)注重的關(guān)鍵性問題，并提出了相應(yīng)措施。

水電站；增效擴(kuò)容；電氣設(shè)計(jì)；措施

引言

當(dāng)前，我國(guó)水利事業(yè)的優(yōu)化轉(zhuǎn)變?cè)诓粩噙M(jìn)行，且新型水利建設(shè)工程也促使地方性水利發(fā)展呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，使早期單一運(yùn)行系統(tǒng)功能狀態(tài)得到改善。同時(shí)，發(fā)電機(jī)組所承載負(fù)荷量也持續(xù)升高，這對(duì)水電系統(tǒng)提出更新要求。目前，我國(guó)水電站所配套的輔機(jī)設(shè)備與高低壓配電設(shè)施、直流及控制保護(hù)等一、二次電氣設(shè)備技術(shù)較為落后，且設(shè)備老化陳舊，故障多、能耗高，多數(shù)設(shè)備已屬我國(guó)明令淘汰產(chǎn)品，備件與備品已無處購(gòu)置，設(shè)備整體自動(dòng)化度較低。因此，發(fā)電機(jī)組的增效擴(kuò)容是改擴(kuò)建水電站不可或缺的措施，發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化利于一體化去調(diào)控水電資源。所以，水電站根據(jù)社會(huì)發(fā)展的需要，以建立水電站增容的科學(xué)可行方案。

1　開展水電站增效擴(kuò)容的重大意義

對(duì)于我站而言，其已經(jīng)建成運(yùn)行20多年，在電站內(nèi)原配置機(jī)組設(shè)施、保護(hù)體系、自動(dòng)化的控制系統(tǒng)以及高壓配變等設(shè)備和引水發(fā)電體系都將出現(xiàn)程度不同的老化狀況，已難以滿足電網(wǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，存有諸多安全隱患問題，以致高壓設(shè)備頻頻發(fā)生故障，降低運(yùn)行效率，且維護(hù)運(yùn)行成本提高，不能滿足電站穩(wěn)定運(yùn)行與安全生產(chǎn)的要求，所以必須全面進(jìn)行改造更新。此外，由實(shí)際運(yùn)行狀況也能表明水電站的機(jī)組設(shè)計(jì)與選型不適宜，已對(duì)水電站發(fā)電效益造成影響，水電站發(fā)、變電設(shè)備老化陳舊已無法繼續(xù)運(yùn)行下去。所以，鑒于此，實(shí)施增效擴(kuò)容便顯得非常必要，所以要盡快制訂水電站增效擴(kuò)容的改造方案且盡早開展實(shí)施。對(duì)電站全面實(shí)施增效擴(kuò)容，不但能鞏固當(dāng)前水力的發(fā)電性能，還能使電站的裝機(jī)容量和發(fā)電量得到擴(kuò)大，這對(duì)節(jié)能減排及能源可再生發(fā)展的實(shí)現(xiàn)意義重大。

2　水電站增效擴(kuò)容電氣設(shè)計(jì)中所應(yīng)注重的問題分析

2.1技術(shù)方面

水輪機(jī)是水電站動(dòng)能與水能的轉(zhuǎn)換平臺(tái)，且能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)水平?jīng)Q定了總體的系統(tǒng)發(fā)電能力。我國(guó)水電站多數(shù)建于20世紀(jì)90年代之前，并隨著時(shí)間推移，根據(jù)當(dāng)時(shí)建設(shè)水電的技術(shù)水平與特殊歷史背景，對(duì)水輪機(jī)的技術(shù)相對(duì)比較落后，且運(yùn)行指標(biāo)難以滿足需要，效率低，發(fā)電能力比較滯后。現(xiàn)例舉小中型水電站，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有小中型水電站約45000多座，總發(fā)電機(jī)組約81000多臺(tái)，但水電站的水輪機(jī)效率相對(duì)較低，嚴(yán)重影響了對(duì)水能資源有效利用，同時(shí)也使水電站經(jīng)濟(jì)效益受到影響。

2.2選型方面

因地區(qū)條件差異，使我國(guó)各地水電站的水輪機(jī)水平技術(shù)不一，且水輪機(jī)發(fā)電效率和所選機(jī)組型號(hào)存有較大關(guān)聯(lián)。上世界末，我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)落后，對(duì)水電站發(fā)電機(jī)組的選型無法較好的和流域水能所蘊(yùn)藏量相匹配，使水能未獲得充分性的利用，而伴隨當(dāng)今經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，用電荷載量的日益增高，以及區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)和電站裝機(jī)總?cè)萘康倪m時(shí)增大，然而都沒有依據(jù)理論對(duì)蘊(yùn)藏量進(jìn)行一次性到位的開發(fā)。例如我站，其在建設(shè)初期是由水輪泵改造的的裝機(jī)設(shè)計(jì)為3×200kW，然而1986年為了滿足對(duì)用電的需求，將裝機(jī)擴(kuò)建容量進(jìn)行改造成2×1670kW，1996年供電已擴(kuò)增，經(jīng)技改后其裝機(jī)總?cè)萘孔兂?×1670kW。

2.3狀態(tài)方面

水輪機(jī)的工作狀態(tài)客觀反映了整個(gè)水電生產(chǎn)體系，發(fā)電機(jī)組的工作效率準(zhǔn)則嚴(yán)格制約著電站產(chǎn)出能力。影響水輪機(jī)組狀態(tài)的決定因素十分復(fù)雜，和機(jī)組產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量、電站結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、配電運(yùn)作環(huán)境以及使用年限較久等密切相關(guān)，其中最關(guān)鍵的為水輪機(jī)的效率。例如，發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)期處在高負(fù)荷工作條件下，內(nèi)部配件的磨損狀況加重，從而降低了發(fā)電站里水輪機(jī)組的效率，造成能量被部分浪費(fèi)，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電生產(chǎn)指標(biāo)降低，并引起設(shè)備的高故障率。

2.4環(huán)境方面

大部分中小水電站建于較偏遠(yuǎn)地區(qū)，如郊區(qū)、山區(qū)等適于水力發(fā)電的場(chǎng)所。由于自然條件在不斷改變，且水輪發(fā)電機(jī)組的投運(yùn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，使得自然氣候條件與地質(zhì)條件給水輪機(jī)結(jié)構(gòu)造成了明顯破壞。據(jù)測(cè)試可得，使用水輪機(jī)超過一定期限，其轉(zhuǎn)子、定子、軸承和端蓋等結(jié)構(gòu)將遭受程度不同的磨損，從而機(jī)組能量轉(zhuǎn)換工作效率會(huì)有顯著變化，可使發(fā)電量幅度降低10～ 20%，進(jìn)而增大了水電站的發(fā)電成本消耗。

3　水電站增效擴(kuò)容電氣設(shè)計(jì)的相應(yīng)措施分析

3.1發(fā)電機(jī)整體更新設(shè)計(jì)

對(duì)水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容，其最簡(jiǎn)單方法便是維持機(jī)座和轉(zhuǎn)速的不變，并保持埋入部件原有狀態(tài)，然后根據(jù)全新設(shè)計(jì)進(jìn)行整體更新。因發(fā)電機(jī)存在較多部件，影響出力與效率的因素也較多，例如發(fā)電機(jī)上定子的鐵心、繞組和轉(zhuǎn)子繞組，以及推動(dòng)軸承、通風(fēng)冷卻設(shè)施等。對(duì)于發(fā)電機(jī)組是否要整體更換需進(jìn)行綜合論證與分析。所以，需深入現(xiàn)場(chǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)了解，并了解電站投產(chǎn)時(shí)參數(shù)的設(shè)計(jì)、技術(shù)水平以及歷年來的嚴(yán)重事故、維修與改造情況等，和運(yùn)行人員共同論證分析，并按照增效擴(kuò)容需要，利用全面檢測(cè)以對(duì)水輪機(jī)組是要局部改造還是要整機(jī)更換進(jìn)行確定。為確保水電站安全運(yùn)行，需對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行整體更換時(shí)，要按目前先進(jìn)技術(shù)來展開制造與設(shè)計(jì)。

3.2定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計(jì)改造

在對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行增效擴(kuò)容時(shí)，需要保持機(jī)組增容后轉(zhuǎn)速不變，所以也要維持發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)不變。要達(dá)到增容目的，還必須對(duì)原來定子繞組實(shí)施改變，對(duì)繞組線規(guī)進(jìn)行增大，減小繞組的電阻，以使得繞組電阻的發(fā)熱總量低于原繞組。并且絕緣工藝也需改變，絕緣等級(jí)由B級(jí)提高至F級(jí)，選用新型耐高壓、介質(zhì)耗損低的絕緣性材料，使絕緣厚度減小，從而為線規(guī)增大預(yù)留空間，并且機(jī)組溫升控制于B級(jí)絕緣所允許極限溫度之內(nèi)，電氣各項(xiàng)安全指標(biāo)均要符合設(shè)計(jì)需要，以確保機(jī)組運(yùn)行安全可靠。因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)、定子繞組制造設(shè)計(jì)時(shí)均有一定裕量預(yù)留，通常機(jī)組在增容10～15%范圍內(nèi)時(shí)，可不變動(dòng)轉(zhuǎn)、定子繞組。若機(jī)組有較大增容幅度時(shí)，須按照擴(kuò)容幅度大小，經(jīng)過計(jì)算以對(duì)所需匝數(shù)和繞組的截面積進(jìn)行確定，以更換轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組。

3.3定子鐵心設(shè)計(jì)改造

定子鐵心發(fā)生故障幾率較低，其更換與否需進(jìn)行分析判斷和檢測(cè)。對(duì)于運(yùn)行年限已達(dá)報(bào)廢期限、存在嚴(yán)重缺陷或可能引起重大事故以及會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全可靠產(chǎn)生直接影響的機(jī)組需進(jìn)行更換，且建議選用新材料所制定子鐵心。通過論證與檢驗(yàn)定子鐵心無需更換的機(jī)組，要按照擴(kuò)容需要，并配合上定子繞組進(jìn)行改造，對(duì)鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化冷卻條件并重新進(jìn)行迭片，換掉不合格的硅鋼片。在發(fā)電機(jī)的電磁損耗中，鐵心損耗占很大部分。較早投產(chǎn)的機(jī)組其定子鐵心多數(shù)選用熱軋式硅鋼片或有取向的冷軋式硅鋼片，存在較大的磁滯損耗，加上鐵心運(yùn)行多年后松動(dòng)，其絕緣性老化，增大了渦流損失，更換時(shí)要選用性能更優(yōu)越的低損耗、高導(dǎo)磁無取向的冷軋式硅鋼片，以使發(fā)電機(jī)的效率得到進(jìn)一步提升。

3.4電氣的主接線設(shè)計(jì)改造

對(duì)水電站開展增效擴(kuò)容設(shè)計(jì)改造已經(jīng)實(shí)施多年，且送出工程和與系統(tǒng)相連地點(diǎn)均已確定，其變動(dòng)可能性較小，因此，只要當(dāng)前主接線合理，在進(jìn)行增效擴(kuò)容時(shí)可維持原有的主接線方案，僅需按照現(xiàn)行規(guī)范和電流短路計(jì)算結(jié)果，復(fù)核機(jī)組容量和設(shè)備選擇即可。而對(duì)于個(gè)別電站因修改多次，其原設(shè)計(jì)主接線方式改變，減少或增加了部分設(shè)施，布置改變，形成當(dāng)前不合理接線形式，引起重復(fù)容量較大及繼電保護(hù)較復(fù)雜、耗損高、配置設(shè)備不合理等，亦或當(dāng)前接線方式與電力系統(tǒng)需求不符，對(duì)該情況要在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)主接線的方案實(shí)施優(yōu)化與比選，并對(duì)送出線路輸送容量與電壓降能否符合增效擴(kuò)容要求進(jìn)行復(fù)核，以最終確定出電氣主接線的設(shè)計(jì)改造方案。

4　結(jié)論

通過對(duì)水能資源的運(yùn)用來發(fā)電是當(dāng)前生產(chǎn)電力的重要方式，考慮到市場(chǎng)電能的供需關(guān)系轉(zhuǎn)變，開展水電站的增效擴(kuò)容改造，可使水電機(jī)組工作效率得以全面提升，從而向社會(huì)輸送出更多電能。在水電站增容設(shè)計(jì)與實(shí)施過程之中，必須對(duì)電氣設(shè)備設(shè)計(jì)改造進(jìn)行論證，這不僅僅和水電站增效擴(kuò)容之后綜合效益密切相關(guān)，同時(shí)也關(guān)系到其今后運(yùn)行時(shí)的設(shè)備與人身安全，因此，必須做好水電站增效擴(kuò)容的電氣設(shè)計(jì)改造，以使生產(chǎn)成本降低，提高經(jīng)濟(jì)效益，從而不斷推動(dòng)水電事業(yè)的發(fā)展。

[1]林玉珍.橫縣北灘水庫(kù)電站增效擴(kuò)容改造工程電氣設(shè)計(jì)總結(jié)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2013（06）.

[2]穆建軍.小型水電站增效擴(kuò)容電氣設(shè)計(jì)問題探討[J].中國(guó)水能及電氣化，2012（09）.

[3]楊圭武.水電站增效擴(kuò)容改造過程中常見問題分析[J].黑龍江水利科技，2014（08）.

TV734

A

1673-0038（2015）03-0163-02

2015-1-6

楊敏（1979-），女，工程師，本科，從事電站管理工作。