龜石水庫(kù)電站增效擴(kuò)容改造若干技術(shù)分析

張 紅，麻山紅

（廣西賀州市龜石水利工程管理處，廣西 賀州 542600）

龜石水庫(kù)電站增效擴(kuò)容改造若干技術(shù)分析

張 紅，麻山紅

（廣西賀州市龜石水利工程管理處，廣西 賀州 542600）

龜石水庫(kù)電站1964年建成發(fā)電，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行50多年，存在設(shè)備陳舊老化，安全性能差，主要性能參數(shù)較低，運(yùn)行維護(hù)困難等問(wèn)題。論述了該電站增效擴(kuò)容技改設(shè)計(jì)及機(jī)電設(shè)備選型。通過(guò)改造后，消除了安全隱患，多年平均發(fā)電量比現(xiàn)狀實(shí)際發(fā)電量增加589.4萬(wàn)kW·h，同比提高了17％。

水電站；增效擴(kuò)容；機(jī)電設(shè)備；技術(shù)分析；龜石水庫(kù)

1 水庫(kù)概況[1]

龜石水庫(kù)位于鐘山縣龜石村以北的富江中游，富江為賀江上游，發(fā)源于湘桂交界的都疣山，是西江的一級(jí)支流，水庫(kù)系多年調(diào)節(jié)，集雨面積1 254km2，多年平均經(jīng)流9.59億m3，總庫(kù)容5.95億m3，有效庫(kù)容3.48億m3，正常蓄水位為182m，是一座以灌溉為主集防洪、發(fā)電、城鎮(zhèn)供水于一體的綜合利用工程，屬大（2）型水庫(kù)。電站始建于1959年10月，1964年4月正式投入運(yùn)行，電站為壩后式，裝機(jī)容量4×3 000 kW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量6 600萬(wàn)kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 562h。

2 電站存在的主要問(wèn)題

電站的機(jī)電設(shè)備經(jīng)過(guò)50多年的運(yùn)行，已顯得陳舊，加上當(dāng)時(shí)設(shè)備制造水平及設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)較低，相對(duì)現(xiàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)已顯得安全性能差，設(shè)備主要性能參數(shù)較低，有些設(shè)備已為淘汰產(chǎn)品，運(yùn)行維護(hù)困難，主要體現(xiàn)在：

（1）發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)定子線圈雖然在1986年改造過(guò)，但至今已有30年，目前表現(xiàn)為定子線圈老化，絕緣開(kāi)裂，測(cè)溫元件失效。水輪機(jī)頂蓋和控制環(huán)由于當(dāng)時(shí)制造的工藝和材料的制約，經(jīng)過(guò)50年的運(yùn)行，設(shè)備出現(xiàn)了裂紋和疲勞，2#機(jī)組2006年在大修時(shí)，緊固螺栓產(chǎn)生較大的崩裂，使得整個(gè)頂蓋報(bào)廢，且1998年對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪技改后，出力可達(dá)到45 10 kW，但由于資金問(wèn)題，發(fā)電機(jī)沒(méi)有同步改造，致使整套機(jī)組效益沒(méi)有得充分利用。

（2）3＃號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置。本機(jī)裝置1995年改造過(guò)，但由于控制部分無(wú)功調(diào)節(jié)波動(dòng)較大，無(wú)法進(jìn)行控制，經(jīng)常將機(jī)組轉(zhuǎn)為徑向運(yùn)行，一定程度影響了運(yùn)行安全，且與1＃、2＃、4＃號(hào)勵(lì)磁系統(tǒng)生產(chǎn)廠家及型號(hào)不同，維修不便。

（3）開(kāi)關(guān)柜部分。開(kāi)關(guān)柜為GG1A-10型，柜體形式陳舊屬淘汰產(chǎn)品，柜內(nèi)斷路器為油式且開(kāi)斷電流容量小，維護(hù)困難。

（4）升壓站部分。設(shè)備為20世紀(jì)60～70年代生產(chǎn)的DW1_35等多油斷路器，隔離開(kāi)關(guān)為GW2-35和GW1-10型，且龍門(mén)架等開(kāi)關(guān)設(shè)備支架水泥脫落，部分鋼構(gòu)暴露，并產(chǎn)生嚴(yán)重的銹蝕。1＃主變是1995年產(chǎn)品的S7系列，是國(guó)家要求更換的系列，且主要分接頭已不能調(diào)節(jié)，滲漏油嚴(yán)重，運(yùn)行溫度高，損耗大。

（5）直流系統(tǒng)。鉛酸蓄電池為1994年的產(chǎn)品，占地多維護(hù)工程量大，且電池出線頭已經(jīng)嚴(yán)重老化，經(jīng)常出現(xiàn)由于出線頭斷裂直流電源消失，導(dǎo)致全廠停運(yùn)，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全。

（6）監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)為控制臺(tái)加返回屏模式，保護(hù)為許繼電氣1989年產(chǎn)品，裝置維護(hù)工作量大，調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，元件特性不穩(wěn)定，由于使用年限長(zhǎng)，部分零配件很難買(mǎi)到，且保護(hù)誤動(dòng)率大，不利于安全運(yùn)行。

水電站經(jīng)多年運(yùn)行，機(jī)電設(shè)備技術(shù)陳舊、老化嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了發(fā)供電安全生產(chǎn)，為消除安全隱患，提高生產(chǎn)效率，增加發(fā)電效益，亟需對(duì)水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造。

3 水電站增效擴(kuò)容技改設(shè)計(jì)及機(jī)電設(shè)備選型

3.1 水電站增效擴(kuò)容技改思路

根據(jù)本電站機(jī)電設(shè)備陳舊落后的實(shí)際情況，在不改變電站引水、壓力管道的情況下，通過(guò)更換發(fā)電機(jī)定子以達(dá)到增效擴(kuò)容的目的。同時(shí)全面更換機(jī)電設(shè)備老化產(chǎn)品，以提高電站的運(yùn)行水平，保證發(fā)供電安全。

3.2 水電站增效擴(kuò)容技改的確定和選擇

根據(jù)水利部《關(guān)于印發(fā)農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目機(jī)電設(shè)備選用指導(dǎo)意見(jiàn)》，結(jié)合電站實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)備選擇。

（1）發(fā)電機(jī)定子。針對(duì)發(fā)電機(jī)定子磁性變差及線圈老化問(wèn)題，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不改變的情況下，將定子鐵芯和線圈全部更換，定子鐵芯采用高導(dǎo)磁率、低損耗、無(wú)時(shí)數(shù)機(jī)械性能優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)冷軋薄硅鋼片疊成，且鐵芯單位損耗不應(yīng)大于1.2 W/kg。并且增大定子線圈線徑截面，提高線圈絕緣等級(jí)，使其達(dá)到F級(jí)絕緣等級(jí)，發(fā)電機(jī)定子線圈改造后，可充分發(fā)揮水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的最大出力，提高機(jī)組效率及水能利用系數(shù)。

（2）10（6）kV配電裝置。設(shè)備全部為鎧裝移開(kāi)式金屬封閉開(kāi)關(guān)柜，戶內(nèi)布置，選用KYN28A-12（2）型，柜內(nèi)裝置極柱固封手車(chē)式真空斷路器，開(kāi)關(guān)柜額定電壓12（7.2）kV，額定電流1 600 A和630 A，額定動(dòng)穩(wěn)定電流100 kA，開(kāi)關(guān)柜配彈簧操作機(jī)構(gòu)，外殼保護(hù)等級(jí)為IP4X，運(yùn)行更安全。

（3）35 V配電裝置。采用戶內(nèi)鎧裝型移開(kāi)式金屬封閉開(kāi)關(guān)柜，型號(hào)為KYN61-40.5型，柜內(nèi)裝置真空斷路器為極柱固封手車(chē)式真空斷路器，開(kāi)關(guān)柜額定電壓40.5 kV，額定電流1 250 A，額定動(dòng)穩(wěn)定電流63 kA，整柜電氣性能比原戶外敞開(kāi)式設(shè)備有明顯提高，且操作維護(hù)簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行更安全。

（4）主變壓器。1＃號(hào)主變壓器是1995年產(chǎn)品，型號(hào)為SFS7-8000／35／10／6容量8000kVA，而2＃號(hào)主變壓器型號(hào)為SFS-12500kVA／35／10／6容量為12 500 kVA，由于1＃號(hào)主變壓器與原2＃號(hào)主變壓器容量不匹配，在2～3臺(tái)機(jī)組運(yùn)行且供電負(fù)荷不平衡情況下，會(huì)出現(xiàn)一臺(tái)主變壓器上網(wǎng)，一臺(tái)主變壓器倒供（計(jì)量在兩臺(tái)主變出口）以及原主變運(yùn)行溫度損耗高等問(wèn)題，將1＃號(hào)主變更換為與2＃號(hào)主變相近的變壓器，型號(hào)為SFS11-12500/35/10/6型節(jié)能三圈變壓器，更換后變損可降低20％以上，且可以解決因容量不匹配造成的一臺(tái)上網(wǎng)一臺(tái)倒供的問(wèn)題。

（5）監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)。按照“無(wú)人值班，少人值守”的模式，采用技術(shù)成熟運(yùn)行穩(wěn)定可靠的測(cè)控保護(hù)一體化式微機(jī)綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)為分層分布式結(jié)構(gòu)，全面監(jiān)控全站設(shè)備運(yùn)行，實(shí)時(shí)反映設(shè)備工況，運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄、事件記錄報(bào)警、數(shù)據(jù)上傳等，從而保證機(jī)組高效運(yùn)行，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境。

4 調(diào)速器選型計(jì)算

4.1 發(fā)電機(jī)組的參數(shù)

發(fā)電機(jī)組和原有調(diào)速器及設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)組參數(shù)表

4.2 水輪機(jī)所需調(diào)速功計(jì)算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：水輪機(jī)調(diào)速功Wg＝（20-25）×Qr×（Hmax×Dr）0.5

計(jì)算結(jié)論：根據(jù)估算結(jié)果和水輪機(jī)調(diào)速器系列型譜規(guī)定，考慮調(diào)速功變量，選取調(diào)速功率為3000kg·m。

4.3 接力器容積計(jì)算

根據(jù)國(guó)標(biāo)《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》4.5.1項(xiàng)規(guī)定，最低操作壓力PR（MPa）根據(jù)要求的接力器調(diào)速功率和所用的接力器容積V（m3），求得：

4.4 油壓裝置選型計(jì)算

4.4.1 油壓裝置壓力罐選型計(jì)算

油壓裝置的壓力罐容量選型實(shí)際上是確定壓力容器的容積，壓力容器的容量計(jì)算方法是根據(jù)《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》4.5.2項(xiàng)規(guī)定，壓力油罐可用油體積，在正常工作油壓下限和油泵不打油時(shí)，壓力罐容積至少應(yīng)能在壓力下降不超過(guò)正常工作油壓下限和最低操作油壓之差的條件下提供規(guī)定的各接力器行程數(shù)，對(duì)混流式水輪機(jī)為3個(gè)接力器行程，也就是說(shuō)壓力罐的可用油容積Vu應(yīng)滿足下列要求Vu≥3V（V――接力器總?cè)莘e），則可用油容積應(yīng)為

最終取Vu＝10 L

4.4.2 計(jì)算壓力罐容量

（1）根據(jù)絕熱過(guò)程方程PVK＝C（常數(shù)），調(diào)速器在運(yùn)行過(guò)程中，壓力罐內(nèi)的壓縮空氣既不是按等溫規(guī)律變化，也不是按絕熱規(guī)律變化，而是介于二者之間的中間狀態(tài)變化。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取指數(shù)K＝1.25～1.4之間，故取1.3

根據(jù)工作油壓的上限Pmax＝16MPa

工作油壓的下限Pomin＝14MPa

最低操作油壓PR＝10.5MPa

由公式：PominVair＝PR（Vair+Vu）K

其中：Vair為工作油壓下限Pomin時(shí)的氣體容積

Vu為可用油體積

計(jì)算得Vair＝45.45 L

最低工作油壓時(shí)氣體容積VRair＝Vair+Vu

＝45.45+10

＝55.45 L

（2）壓力罐容積計(jì)算。根據(jù)《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》4.5.3項(xiàng)規(guī)定，在正常工作油壓上限，非隔離式壓力罐內(nèi)油和空氣體積比通常為1/3～1/2，高壓隔離式壓力罐內(nèi)預(yù)充壓力為0.9PR，罐內(nèi)氣體容積即所需蓄能罐容積VH為：

按《水輪機(jī)調(diào)速器及油壓裝置系列型譜》選擇系列標(biāo)準(zhǔn)，蓄能罐樣本及預(yù)留一定余量可選2×40 L。

4.4.3 油壓裝置油泵電機(jī)選型

（1）根據(jù)《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》4.5.4項(xiàng)規(guī)定，每臺(tái)泵每分鐘的輸油量不大于接力器容積的0.65倍。

（2）正常工作油壓上限時(shí)的蓄能器氮?dú)怏w積Vair-max為：

油泵將油壓從正常工作油壓下限打致正常油壓上限的時(shí)間為30s～60s，即油泵輸油量Q

根據(jù)機(jī)械油泵樣本的選型標(biāo)準(zhǔn),選取8.5 L/min的油泵,按電機(jī)選型選取3 kW的電機(jī)。

4.5 內(nèi)置式和外置式接力器的選擇

（1）內(nèi)置式接力器。接力器的少量漏油直接進(jìn)入回油箱中，避免環(huán)境污染和操作油損失，解決水輪機(jī)組旁安裝空間較少，調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)速軸傳遞，接力器在回油箱內(nèi)，受橫向力作用，必須增加回油箱的強(qiáng)度。

（2）外置式接力器。由于接力器不在回油箱內(nèi)，回油箱內(nèi)不受橫向力作用，回油箱尺寸和強(qiáng)度相比內(nèi)置式減少，安裝固定簡(jiǎn)單，油壓裝置可根據(jù)廠房布置安裝在較合理、美觀的位置，調(diào)速直接由外接力器傳遞，減少調(diào)速軸，且外置接力器直接觀察檢修接力器。缺點(diǎn)是外置接力器需增加固定支架，且接力器必須通過(guò)高壓油管與回油箱連接。

（3）根據(jù)內(nèi)置和外置接力器的優(yōu)、缺點(diǎn)，結(jié)合水輪機(jī)組處的位置，采用外置式調(diào)速器，增加一套支架將原水輪機(jī)組的控制環(huán)推拉桿與高壓接力器固定連接即可，調(diào)速器控制柜安裝在油壓裝置回油箱上，整體安裝在原調(diào)速器位置上，接力器通過(guò)高壓油管與回油箱聯(lián)接。

（4）龜石水庫(kù)電站采用調(diào)速功為3 000kg·m，蓄能器容積為2×40 L，油泵為8.5 L/min，電機(jī)為3 kW，工作油壓為16MPa，外置式調(diào)速器。技改后調(diào)速器經(jīng)過(guò)半年的使用試行，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，調(diào)速器改造達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

5 電站增效擴(kuò)容改造效益

電站通過(guò)改造后，淘汰落后技術(shù)和設(shè)備，解決了電站在生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患，實(shí)現(xiàn)了電站的自動(dòng)化管理，改造后，多年平均發(fā)電量比現(xiàn)狀實(shí)際發(fā)電量增加589.4萬(wàn)kW·h,同比提高了17％，顯著增加了電站的經(jīng)濟(jì)效益。目前電站增效擴(kuò)容改造已完成,各改造設(shè)備運(yùn)行良好,每臺(tái)機(jī)組發(fā)電功率都達(dá)3 750 kW以上,且自動(dòng)化程度大大提高，實(shí)現(xiàn)少人值班，同時(shí)減輕生產(chǎn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大的提高了勞動(dòng)效率。電站增效擴(kuò)容改造達(dá)到了預(yù)期的目的。

通過(guò)水電站增效擴(kuò)容改造，電站由原來(lái)的12 000 kW增容至14 400 kW，增容量為2 400 kW。并進(jìn)行設(shè)備技術(shù)改造和自動(dòng)化控制改造，水電站改造前后主要特性見(jiàn)表2。

表2 水電站技改前后主要特性表

6 結(jié)語(yǔ)

廣西賀州龜石水庫(kù)電站增效擴(kuò)容改造方案和機(jī)電設(shè)備的選型，依據(jù)水利部《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目機(jī)電設(shè)備選用指導(dǎo)意見(jiàn)》，結(jié)合電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確保了農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目設(shè)備選用的質(zhì)量和效果，淘汰落后的技術(shù)和設(shè)備，提高了綜合能效，促進(jìn)安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了電站增效擴(kuò)容改造目標(biāo)。

[1] 廣西梧州水利水電設(shè)計(jì)院.廣西賀州龜石水庫(kù)電站增效擴(kuò)容改造初步設(shè)計(jì)[R].梧州：廣西梧州水利水電設(shè)計(jì)院，2012.

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Efficiency and capacity upgrade of hydropower station at Guishi Reservoir

ZHANG Hong,MA Shan-hong
（Guishi Water Engineering Administration Department,Hezhou 542600,China）

The hydropower station at Guishi Reservoir was put into operation in 1964.After operating for more than 50 years,it’s mech-electrical equipment were aged with poor safety performance,low-level parameters,rendering much difficulties for operation and maintenance.A discussion was made on the design of efficiency and capacity upgrade as well as the selection of mech-electrical equipment.After the upgrade,hidden safety trouble was eliminated,the mean annual power output increases by 5.894×106kW·h,corresponding to a rise of 17％.

Hydropower station;efficiency and capacity upgrade;mech-electrical equipment;technical analysis;Guishi Reservoir

TV734

B

1003-1510（2016）04-0080-04

2016-06-12

張 紅（1969-）男，云南昆明人，廣西賀州市龜石水利工程管理處工程師，主要從事水電站發(fā)電設(shè)備維護(hù)管理工作。