老舊小水電站增效擴容的自動化改造
——以所略一級水電站為例

周濤，陳韶光，胡華麗

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，廣西南寧530023）

老舊小水電站增效擴容的自動化改造
——以所略一級水電站為例

周濤，陳韶光，胡華麗

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，廣西南寧530023）

以廣西巴馬縣所略一級水電站為例，分析老舊農村小水電站長期運行后存在的安全隱患及主要問題，結合現代水電站自動化控制要求，介紹水電站機電技術改造的具體措施和主要內容。

水電站；技術改造；自動化

廣西地處亞熱帶，水力資源豐富，其中集雨面積50 km2以上的河流有937條，水力資源理論蘊藏量達17 518.3MW，居全國第8位[1]。據了解，改革開放以來，廣西農村水電建設蓬勃發(fā)展，至2013年已建成農村水電站2 349多座，裝機容量4 050 MW，年發(fā)電量近126億kW·h，約占全區(qū)水電的40%.據統(tǒng)計，廣西1995年年底前建成投運且具有增效擴容改造潛力的農村水電站有856座，裝機容量1 210 MW[2].

對于1995年前建成投運的農村水電站，設備運行已超過二十年，有的甚至達四十年以上，超出了設備的生產周期，現已普遍出現性能大幅下降，水能利用效率低下，設備故障頻發(fā)；電氣設備老化嚴重，可靠性低，存在明顯的缺陷和安全隱患；電站監(jiān)控、保護設備故障率高，相當一部分自動控制功能已缺失，以手動操作為主；繼電保護的速動性、靈敏性、可靠性明顯降低，很大程度上影響到主設備的安全和穩(wěn)定運行；調速器、斷路器、變壓器已屬于淘汰的產品。老舊農村小水電站急需進行技術改造，以提升機組的效率，恢復并提升自動化水平，以滿足現代水電站“無人值班（少人值守）”的要求。

2011年，財政部、水利部出臺政策支持并要求廣西等6省區(qū)1995年底前建成農村水電站進行增效擴容改造，以消除電站安全隱患，提高水能利用效率，提升電站的自動化水平，達到現代水電站的要求。在國家政策和資金的支持下，老舊農村水電站如何改，改什么，改造的目標是什么，改造方案能否達到改造目標均值得電站業(yè)主認真研究和思考。

1 所略一級水電站概述

所略一級水電站位于廣西河池市巴馬瑤族自治區(qū)縣西部所略鄉(xiāng)六能村坤屯所略水庫大壩壩后右岸端，距離巴馬縣城33 km，屬壩后式水電站，是所略水庫壩后4座梯級水電站中的第一級，共安裝2臺水輪機，型號為HL220-WJ-71，發(fā)電機型號為TSWN630-143/36-12的水輪發(fā)電機組?？傃b機容量為2×630 kW=1 260 kW，電站設計水頭27 m，最大水頭34 m，最小水頭20 m，單機額定流量3.05 m3/s，年利用小時2 790 h，年發(fā)電量378萬kW·h.電站于1995年9月投產并網發(fā)電，改造前實際年發(fā)電量282.5萬kW·h.

所略一級水電站電氣主接線如圖1所示，發(fā)電機額定電壓6 kV，1#、2#機采用擴大單元接線經1#主變升壓至35 kV母線。電站設有一坡、所二2回35 kV出線，分別接至巴馬電業(yè)公司35 kV一坡變電站和所略二級水電站。因為電站在巴馬縣供電網中屬于“π”形結點，為了近區(qū)農村供電，電站還安裝了2#主變，并經那勤、所圩2回10 kV出線送至附近農村。站用電取自35 kV母線，經站用變降壓至400 V供站內用電。

圖1 所略一級水電站電氣主接線

2 電站改造前存在問題分析

（1）機組效率低，安全隱患大

電站機組經過十多年運行，已出現設備老化、性能下降、故障頻發(fā)等問題；發(fā)電機的定子線棒和轉子線棒絕緣老化嚴重，定子線圈絕緣電阻已接近正常要求下限6 MΩ；受當時設計制造條件制約，機組效率較低，在額定水頭下已無法達到額定出力。

（2）機組附屬設備技術落后，自動化失效嚴重

水輪機調速器采用的是YT-600型機械液壓調速器，不僅調節(jié)反應慢，精度低，液壓元件易卡阻，漏油嚴重，用油量大，而且在90年代末已屬于淘汰產品，技術落后，自動化程度低，過多依賴人工手動調節(jié)控制。發(fā)電機采用的KGLF31-I型勵磁系統(tǒng)經過十多年運行，不僅自動化程度低，調節(jié)反應速度慢，而且電氣產品的壽命周期已到，運行中故障頻發(fā)，在機組滿負荷運行時其無功功率增不到額定值，發(fā)電機功率因數cosφ達不到0.8的要求。機組進水主閥控制元件已嚴重老化，可靠性低，只能現地操作，一旦發(fā)生機組過速等事故都只能靠人工來關閉。

（3）電氣設備老化嚴重，效率低下

電站改造前主要電氣設備型號規(guī)格見表1，其中3種類型的變壓器均為油浸式變壓器，能耗高，其中S7和SJ3系列變壓器已列入工信部高耗能落后機電產品淘汰目錄，S9系列變壓器也正被更節(jié)能的S11系列變壓器所替換。35 kV和6kV斷路器及室內GG-1A-04型開關柜均屬于已淘汰的高壓電氣設備，2#主變低壓側及2回10 kV近區(qū)線路沒有斷路器，僅設有跌落式熔斷器保護，線路故障無法自動跳開斷路器，熔斷器經常燒毀。

表1 所略一級站改造前主要電氣設備型號規(guī)格

（4）公用輔助設備老化失效嚴重，基本靠手動控制

電站油系統(tǒng)設備老化嚴重，故障率高，維護工作量大，油處理設備布置不符合防火規(guī)范要求，管道布置零亂，影響到運行人員安全；電站技術供水系統(tǒng)采用固定式濾水器，在汛期很容易因泥沙和雜物進入，淤泥沉積而造成供水管路堵塞，從而導致整個技術供水不能正常工作，威脅機組運行安全；電站滲漏排水采用老式離心泵，電器元件老化嚴重，上世紀80年代的水位控制器早已失效，滲漏排水靠運行人員定時手動排水；電站高低壓氣系統(tǒng)均采用活塞式空壓機，設備老化，噪音大，故障頻發(fā)，維護工作量重，已基本處于手動控制狀態(tài)。

（5）電站監(jiān)控設備已處于失效狀態(tài)

電站采用的是繼電器邏輯硬布線集中監(jiān)控方式，沒有集控臺和模擬返回屏，二次回路接線復雜，原來的自動控制功能因電器元件損壞且為已淘汰產品，無元件可更換，自動控制已處于失效狀態(tài)；電磁式繼電保護裝置整定值不準確且常發(fā)生漂移，多次出現保護誤動、拒動現象，保護可靠性低，嚴重影響到主設備的安全。

3 改造方案與實施

3.1 水輪機改造

在本次電站技改前所略水庫已進行過除險加固，水庫壩高及各設計水位未發(fā)生變化，引水壓力鋼管預埋在大壩之內，管徑無法擴大，因此在技改中電站機組的運行參數沒有變化。經過方案論證和比較，選擇HL551-WJ-71型轉輪更換原有的HL220-WJ-71轉輪，新轉輪的葉片采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼材料，轉輪輪轂采用ZG20SiMn材料，且明確要求水輪機轉輪葉片型線必須采用數控機床進行加工，保留原水輪機的大軸，轉輪加工后必須與原水輪機大軸校好同軸度同時配鉆銷釘。新轉輪在額定水頭下，最高效率不低于91.5%，出力可達到700 kW，比原轉輪設計出力增加23 kW，起到了增效的目的。

對水輪機活動導葉的前、后封水面采用鋪焊不銹鋼板再精加工的工藝，確保達到導水機構的密封驗收標準要求，更換主軸密封平板橡膠。對水輪機導水機構、主軸密封的修復及更換后的機組擺度應該不超過GB8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝驗收技術規(guī)范》的允許值。

3.2 發(fā)電機改造

發(fā)電機原軸頭的永磁發(fā)電機主要用于給機械液壓調速器的測速裝置提供電源，本次改造將去掉永磁發(fā)電機部分，保留余下的發(fā)電機軸系、轉子中心支架、定子機座及定子鐵芯，全部更換絕緣已嚴重下降的發(fā)電機的定子、轉子線圈，同時將發(fā)電機絕緣由B級絕緣升至F級絕緣。

在更換定轉子線圈前，通過絕緣測試及鐵芯損耗試驗，檢查確認定子鐵芯片間絕緣沒有損壞，鐵芯損耗也在允許范圍之內，鐵芯各部溫升未超過標準值。更換定轉子線圈后，經過絕緣測試及耐壓試驗，發(fā)電機定轉子線圈良好。

3.3 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)改造

為配合電站的綜合自動化改造，實現全站計算機監(jiān)控，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)改造采用微機勵磁調節(jié)裝置替換原來的電子勵磁調節(jié)裝置，在發(fā)電機出口端安裝勵磁專用變壓器，將發(fā)電機出口電壓降低，再經晶閘管整流調節(jié)變成可控直流電后，送至轉子線圈給發(fā)電機提供正常工作的勵磁電源，發(fā)電機起勵則取自廠用直流電源并配有相應的限流裝置。

勵磁系統(tǒng)改造后，可直接接受機組的監(jiān)控命令實現起勵、電壓及無功調節(jié)、停機滅磁等控制，同時其運行狀態(tài)及故障信息也可通過網絡及狀態(tài)量接口上傳至電站監(jiān)控級，從而與電站綜合自動化系統(tǒng)聯(lián)成一個整體。

3.4 水輪機調速器改造

采用PLC控制的YWT-600-16型高油壓微機調速器整個替換原來的機械液壓調速器，同時更換改造調速器接力器安裝支座，安裝新的高油壓接力器以及導葉開度反饋測量裝置、導葉行程開關。改造后的調速器采用PLC為控制器，以標準的電磁閥作為控制執(zhí)行元件，技術成熟，工作可靠，成本低，同時其標準的輸入輸出接口也很便于和電站綜合自動化系統(tǒng)聯(lián)成一個整體。

3.5 主要電氣設備改造

根據設計計算，電站改造后的主要電氣設備型號規(guī)格見表2，主變全部采用S11系列卷鐵芯全密封型變壓器，其鐵芯無接縫，可大減少空載損耗及空載電流，相比S9系列空載損耗平均降低30%，節(jié)能效果明顯，同時噪聲小、溫升低、維護量少。主斷路器全部采用真空斷路器并配彈簧儲能式操動機構，結構簡單，動作迅速，操作電流小，工作可靠。6 kV采用XGN2-12型開關柜，既是考慮到6 kV高壓開關室內空間有限，又是考慮到此開關柜相比手車式開關柜，具有較高的絕緣水平和防護等級并配備有“五防”裝置。35 kV隔離開關主刀閘配備CJ6型電動操作機構，接地刀閘配備CS17型手操機構，可方便與電站綜合自動化系統(tǒng)配合實現隔離開關的遙控分合閘，隔離開關主刀閘與斷路器和接地刀閘的電氣聯(lián)鎖，提高自動化程度，減少誤操作的機率。

表2 所略一級站改造后主要電氣設備型號規(guī)格

3.6 電站綜合自動化控制及保護的改造

（1）水輪發(fā)電機組控制及保護改造

每臺機組設一塊發(fā)電機保護測控屏，也簡稱機組LCU屏，屏內配置1臺三菱FX2N系列PLC，1塊觸摸屏，1套發(fā)電機微機保護裝置，1套自動準同期裝置，1套手動準同期裝置，1塊計量電能表以及1組控制開關、1組指示燈等元器件，用于實現機組的自動控制、監(jiān)視與保護，包括機組開機控制、停機控制、事故停機控制、緊急事故停機控制、同期并列控制，機組運行方式切換，機組現地/遠方控制切換以及發(fā)電機主保護、后備保護等，其可接受主控室來的調節(jié)控制命令，也及時將機組運行狀態(tài)信息上傳至主控室的監(jiān)控主機上。

（2）機組測溫制動控制改造

每臺機組設1塊測溫屏，屏內配置3臺溫度顯控儀負責發(fā)電機前導軸瓦、后導軸瓦和推力軸瓦溫度的監(jiān)測，1臺溫度巡檢儀負責軸承排油口油溫、發(fā)電機定子鐵芯、定子線圈以及推力軸承油溫的監(jiān)測，配置1套轉速信號裝置采用發(fā)電機殘壓測頻的方式負責監(jiān)測機組轉速并發(fā)出≤5%ne（機組停機過程中判斷機組全停信號）、≤35%ne（機組停機過程中投入制動控制信號）、≥90%ne（機組開機過程中用于起勵控制信號）、≥115%ne（機組轉速升高事故停機信號）、≥140%ne（機組轉速過高緊急事故停機信號）接點信號至機組PLC用于機組的運行控制。

對于機組的制動，考慮到電站機組臺數少，單機容量小，又是臥式機組，因此在調速器處設機組制動電磁閥，調速器壓力油源經制動電磁閥及減壓閥后直接控制發(fā)電機制動器，從而取消了電站原來的氣系統(tǒng)。

（3）主變及線路保護改造

設2塊主變及線路綜合保護屏，各屏安裝主變主保護、后備保護裝置各1套，安裝2回線路保護各1套以及主變和線路的計量電能表3塊，其中1#綜合保護屏用于1#主變和2回35 kV線路，2#綜合保護屏用于2#主變及2回10 kV線路。主變及線路保護全部采用微機保護裝置，另外，考慮電站公用設備的安裝位置，將電站GPS衛(wèi)星時鐘安裝于1#綜合保護屏內，其接收到的衛(wèi)星時鐘信息經監(jiān)控主機再發(fā)至各計算機裝置，實現全站計算機裝置的對時；將電站UPS（逆變電源裝置）安裝于2#綜合保護屏內，其輸入一路廠用交流電和一路廠用直流電，逆變輸出的交流電源供給主控室的監(jiān)控主機，以確保監(jiān)控主機電源供電可靠性。

（4）公用測控部分改造

公用測控包括除機組外的同期并列、電站水頭監(jiān)測、除機組部分外的公用機電設備的自動控制等，因此設1塊公用LCU屏，配1臺三菱FX2N系列PLC，1塊觸摸屏，1套水位測量儀，1套自動準同期裝置，1套手動準同期裝置，負責完成電站集水井排水、大壩進水閘門及隔離開關等公用設備的自動控制及位置監(jiān)測，負責除機組出口斷路器之外的斷路器同期并列操作控制等。

考慮到機組及廠房尺寸較小，主控室與發(fā)電機在同一高程，為便于操作維護及管理，發(fā)電機保護測控屏、機組測溫屏、主變及線路綜合保護屏、公用LCU屏以及勵磁屏、廠用直流屏、廠用交流電屏以及主控臺、監(jiān)控主機等全部集中安裝于主控室內。

3.7 改造效果

所略一級水電站技術改造自2012年4月開工，2012年10月竣工投產，改造完成后，水電站的安全隱患得以消除，機組開停機操作、運行監(jiān)視及主要的電氣倒閘操作均可在主控室的監(jiān)控主機上完成，電站的綜合自動化水平達到了“無人值班（少人值守）”的自動化運行管理要求，機組出力在額定水頭下可超過額定出力，在各工況下運行平穩(wěn)，噪音明顯降低，開機發(fā)電及并網均可在監(jiān)控主機上一鍵操作并在1 min內完成，運行人員也由原來的每班組4人降至2人，實現了增效的目的，達到了技術改造的目標。經過近4年多的運行，現運行情況良好。

4 結束語

所略一級水電站具有農村小水電的典型特征，也是國家“十二五”期間重點推進的農村小水電增效擴容改造項目，其技術改造前存在的主要問題，改造的方案、內容、措施以及改造之后消除了電站安全隱患，以較低的成本實現了電站機電設備的再制造和電站自動化技術的升級換代，其經驗具有很好的代表性，可供廣大農村小水電站借鑒。

[1]廣西水利學會.廣西自治區(qū)水電資源及其開發(fā)利用現狀[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/4d52692ded630b1c59 eeb5bf.html，2017-03-10.

[2]周敏.廣西262座老舊農村水電站增效擴容改造全面啟動[EB/OL].http：//www.gx.xinhuanet.com/newscenter/2013-08/ 02/c_116780731.htm，2018-08-02

Capacity Expansion and Efficiency Improvement and Automative Transformation to Old Hydropower Station——take Suolve 1 Hydropower Station as an example

ZHOU Tao，CHEN Shao-guang，HU Hua-li
（Guangxi Vocational College of Water Resources and Electric Power，Nanning Guangxi 530001，China）

This paper analyses the potential safety danger and main problems of old and small hydropower stations，taking suolve 1 hydropower station as an example.According to the automatic control standard of modern hydropower station，this paper introduces the main measures and content of electromechanical technology transformation to hydropower station.

hydropower stations；technology transformation；automation

TV742

A

1672-545X（2017）03-0093-04

2016-12-07

周濤（1977-），男，廣西恭城人，本科，講師，主要從事水電站機電設備設計以及教學和培訓工作。