農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造中電氣節(jié)能設(shè)計與應(yīng)用

吳明亮

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410131）

農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造中電氣節(jié)能設(shè)計與應(yīng)用

吳明亮

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410131）

文章介紹了農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造設(shè)計中節(jié)能降耗設(shè)計的原則，闡述了通過更新改造機(jī)電設(shè)備、無功補償、合理選擇輸電線路材料和截面、水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)匹配，水輪機(jī)性能參數(shù)與運行參數(shù)匹配等方法來實現(xiàn)節(jié)能。

水電站；增效擴(kuò)容；電氣節(jié)能

加強(qiáng)節(jié)能工作是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一項長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針和迫切任務(wù)，而農(nóng)村水電站增效擴(kuò)容改造，電氣節(jié)能是一個不容忽視的問題。文章中筆者在農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造工程設(shè)計中的一些做法，就如何實現(xiàn)電氣節(jié)能談一談自己的體會。

1 節(jié)能降耗設(shè)計主要遵循以下原則

電站的電氣設(shè)計及設(shè)備選型節(jié)能降耗設(shè)計主要遵循以下原則：①遵循國家法律法規(guī)及有關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，滿足有關(guān)節(jié)能規(guī)劃和節(jié)能措施的要求。②在工程設(shè)計中貫徹節(jié)能降耗設(shè)計思想，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)能源環(huán)境等綜合分析比較論證，選擇設(shè)計方案。③根據(jù)工程特點，分析能耗指標(biāo)，明確節(jié)能目標(biāo)，落實節(jié)能措施。④采取節(jié)能新技術(shù)和新工藝，對落后的耗能過高的用能產(chǎn)品、設(shè)備實行淘汰制度。

2 更新改造機(jī)電設(shè)備，以實現(xiàn)節(jié)能

筆者設(shè)計的水庫電站，大多設(shè)備從投運發(fā)電至今已運行了30多年，設(shè)備陳舊、老化嚴(yán)重、效率低下、損耗量大，大多已接近或超過其正常使用壽命，且大部分設(shè)備屬高耗能及淘汰產(chǎn)品，無備件更換，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運行。因此在設(shè)計中廣泛采用新技術(shù)、新材料、新工藝和新設(shè)備，實現(xiàn)電站設(shè)備設(shè)施的升級換代，全面提高自動化、信息化和現(xiàn)代化水平。大幅度提升能效和發(fā)電能力。

2.1 變壓器選擇

變壓器是輸變電行業(yè)中的耗能大戶，我國變壓器的總損耗占系統(tǒng)總發(fā)電量的10%左右，變壓器的節(jié)能降耗意義重大。由于水電站升壓變不經(jīng)常處于滿載甚至超載運行，根據(jù)電站所裝機(jī)組臺數(shù)容量，選用升壓變壓器容量，同時選擇升壓變的變比要適當(dāng)，通過調(diào)整無載分接開關(guān)，使發(fā)電機(jī)保持在額定電壓運行，不應(yīng)偏離太多，電壓過高或過低對節(jié)能都不利。

由于材料技術(shù)的不斷發(fā)展和變壓器廠對結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，節(jié)能型變壓器發(fā)展很快。S11系列是目前推廣應(yīng)用的低損耗變壓器，空載損耗較S9系列低75%左右，其負(fù)載損耗與S9系列變壓器相等。因此，在工程中推廣使用低損耗變壓器。

筆者在某水電站改造設(shè)計中，變壓器由原S7-200/10型更換為 Sll-315/10型節(jié)能變壓器，315kVA的變壓器比200kVA的變壓器空載損耗還少53W，315kVA的變壓器比200kVA的變壓器容量多出115kVA，而負(fù)載損耗（鐵耗）僅多119W。同容量的S7與S11比較，空載損耗多295W，負(fù)載損耗多1345W，如表1所示，可見同容量的變壓器可降低變電損耗1640W以上。

表1 S7-200/10型與Sll-315/10型變壓器比較

2.2 發(fā)電機(jī)改造

發(fā)電機(jī)改造主要是定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈的改造,繞組絕緣等級原來為B級絕緣，現(xiàn)改為F級絕緣。

（1）定子鐵芯改造。更換定子鐵心材料，定子鐵心可采用的50W250硅鋼片，在發(fā)電機(jī)的頻率為50Hz、波形為正弦波、磁感峰值為1.5T時，硅鋼片單位重量鐵損值為2.50W/kg，而過去采用的D42硅鋼片，在同樣情況下，其單位重量鐵損值為3.15W/kg。定子鐵心采用高質(zhì)量的導(dǎo)磁材料，提高迭裝系數(shù)，可減小定子鐵心損耗，提高發(fā)電機(jī)運行效率。

（2）定子線圈的改造。定子線圈主絕緣新型環(huán)氧云母事帶連續(xù)絕緣,介電強(qiáng)度高。而目前廣泛使用的F級環(huán)氧粉云母帶絕緣，在相同電壓等級條件下，其厚度可比原A級絕緣厚度減薄約10%～20%。絕緣厚度的減薄，有利于繞組的散熱，能在沖片槽型不變的情況下，增加繞組的銅線截面，降低定子損耗和繞組溫升，提高繞組效率，增大機(jī)組輸出功率。在發(fā)電機(jī)絕緣水平提高、絕緣減薄的基礎(chǔ)上，可增加定子繞組銅線的截面，提高線圈的槽滿率，由此可增大電機(jī)的線負(fù)荷，提高發(fā)電機(jī)輸出功率，達(dá)到增容的目的。

（3）改造轉(zhuǎn)子勵磁繞組。發(fā)電機(jī)增容改造常受到勵磁繞組溫升的限制，因發(fā)電機(jī)容量增大，勢必增大相應(yīng)的勵磁電流。在原繞組銅線截面積不變的情況下，勢必增加銅線的電流密度。勵磁繞組的改造，通常是在不影響發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻性能和保證極間最小安全距離的前提下，適當(dāng)增加勵磁繞組的銅線截面或勵磁繞組的匝數(shù)，以降低銅線損耗，使勵磁繞組的溫升控制在安全范圍內(nèi)，以保證機(jī)組增容運行的安全。

（4）改善發(fā)電機(jī)通風(fēng)條件。20世紀(jì)80年代前投入運行的電站的通風(fēng)測試經(jīng)驗表明，發(fā)電機(jī)的通風(fēng)損耗普遍占額定容量的0.8%～5%，而目前結(jié)構(gòu)優(yōu)良的發(fā)電機(jī)通風(fēng)損耗只占其額定容量的0.4%左右。因此，改造原有的風(fēng)路系統(tǒng)，改進(jìn)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，減少通風(fēng)損耗，同樣可以提高發(fā)電機(jī)的效率和出力。

2.3 水輪機(jī)改造

水輪機(jī)選型方面考慮如下措施，一是水輪機(jī)的蝸殼、尾水管等主要埋設(shè)部件不拆除，仍保留使用；二是水輪機(jī)的進(jìn)水流道尺寸保持不變，所以所選機(jī)組必須符合原引水系統(tǒng)和流道的運行要求，選用效率高的水輪機(jī)模型；三是電站裝機(jī)臺數(shù)不變，水輪機(jī)安裝高程不變，新轉(zhuǎn)輪采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，轉(zhuǎn)輪葉片采用不銹鋼材料制造，汽蝕性能應(yīng)滿足現(xiàn)有安裝高程的要求，以保證機(jī)組安全穩(wěn)定運行。

如某電站原有水輪機(jī)規(guī)格型號為ZD560-LMY-60（5°）；改造后的水輪機(jī)規(guī)格型號為ZD560-LMY-60（10°），主要進(jìn)行轉(zhuǎn)輪更換、導(dǎo)葉及傳動機(jī)構(gòu)更換。

3 通過無功補償實現(xiàn)節(jié)能

根據(jù)負(fù)載情況對變電所0.4kV側(cè)采取集中無功補償，功率因數(shù)提高后，可減少送變和配電設(shè)備中的電流，從而降低電能損耗，達(dá)到節(jié)能的目地。

4 合理選擇輸電線路材料和截面實現(xiàn)節(jié)能

合理選擇輸電線路材料和截面，負(fù)荷線路盡量短，以降低線路損耗，通過優(yōu)化電氣設(shè)備布置，降低動力電纜的輸電損耗。10kV升壓站應(yīng)盡量與水電站電氣副廠房毗鄰，變壓器及配電設(shè)備盡可能設(shè)于負(fù)荷中心，盡量減小供電路徑，以節(jié)省線材，降低線路損耗。

5 照明節(jié)能

照明節(jié)能設(shè)計就是在保證不降低照明質(zhì)量的前提下，盡量減少照明電路中能量的損失，從而達(dá)到能量利用的最大化。重點是節(jié)能光源的優(yōu)選，采用節(jié)能的LED光源，在相同照度和色溫的前提下，可以大幅度降低光源的能耗比；另外采用智能照明控制技術(shù)通過對有效的照明區(qū)域、照度需求和照明時間的自動控制，提高人工照明的效率。

6 水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)匹配，以實現(xiàn)節(jié)能

水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)匹配，避免浪費水電站的設(shè)備容量，減少水電站的運行損耗。過去有的水電站缺乏技術(shù)資料以及當(dāng)時條件下的技術(shù)水平問題，所選水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)不匹配，有些小型水電站水輪機(jī)的輸出功率大于水輪發(fā)電機(jī)或主變壓器的額定容量，形成“大馬拉小車”，使水電站的設(shè)計出力受到限制，在發(fā)電期間出現(xiàn)非正常的棄水現(xiàn)象。也有的水電站發(fā)電機(jī)容量大于水輪機(jī)出力,形成“小馬拉大車”，不但浪費了設(shè)備容量，也增大了運行損耗。

7 水輪機(jī)性能參數(shù)與運行參數(shù)匹配，以實現(xiàn)節(jié)能

早期建成的一些水電站，尤其是小型水電站 由于當(dāng)時當(dāng)?shù)乜陀^條件限制，機(jī)組選型一般只按當(dāng)時所頒布的系列型譜選擇水輪機(jī)型號和標(biāo)準(zhǔn)直徑，而早期編制的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪型譜中可供各水頭段選用的轉(zhuǎn)輪型號較少，造成機(jī)組實際運行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)偏離而不匹配，以致機(jī)組長期達(dá)不到額定出力、偏離最優(yōu)工況運行，造成水能資源的浪費。有些小型水電站建成后，其實際的流量、水頭等水文數(shù)據(jù)與設(shè)計資料有所變化或者缺少必要的水文資料，結(jié)果選用的水輪機(jī)性能參數(shù)與電站實際運行參數(shù)不適應(yīng)。

上述情況水輪機(jī)處于非最優(yōu)或非較優(yōu)工況區(qū)運行,效率低、振動大、損壞快、年發(fā)電量損失多。因此，在水電站水輪機(jī)參數(shù)選擇時，水輪機(jī)選型要根據(jù)水電站的開發(fā)方式、動能參數(shù)、水工建筑物的布置等，綜合考慮國內(nèi)外已有水輪機(jī)的參數(shù)、制造廠家的生產(chǎn)水平，擬定若干個機(jī)型比較方案，再通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定出最優(yōu)方案。首先根據(jù)水頭選好機(jī)型，再對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪選擇，根據(jù)電站的給定水頭范圍段，比較幾個模型轉(zhuǎn)輪的主要技術(shù)參數(shù)，選擇性能較優(yōu)的轉(zhuǎn)輪，使之在高效率區(qū)域工作。做好其它預(yù)期參數(shù)的選擇，例如比轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)國內(nèi)外水輪機(jī)的實際設(shè)計制造水平和國內(nèi)外同類電站已經(jīng)運行電站的資料，結(jié)合電站的實際進(jìn)行選擇；水輪機(jī)效率應(yīng)根據(jù)國內(nèi)外水輪機(jī)的實際設(shè)計制造水平和國外著名水輪機(jī)制造商對水輪機(jī)的效率指標(biāo)綜合考慮。然后需要檢驗所選參數(shù)能否滿足要求，如出力、吸出高度、所選工作范圍等。

8 結(jié)語

總之，農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造設(shè)計中，如何實現(xiàn)電氣節(jié)能，除了電氣設(shè)計要考慮如何節(jié)能外，同時水機(jī)設(shè)計中水輪機(jī)的性能參數(shù)與運行參數(shù)如何匹配也是一個重要因素，只有綜合考慮，才能真正達(dá)到電氣節(jié)能的效果。

［1］林長茂.淺談清河水庫水電站工程電氣設(shè)備節(jié)能措施［J］.黑龍江水利，2016，（2）.

［2］熊光明，李小江.淺談中小型水電站水輪機(jī)技術(shù)改造［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2015，（15）.

［3］曾玉好，崔永明，楊悅偉，等.水輪發(fā)電機(jī)增容改造［J］.東方電氣評論，2016，（3）.

Design and Application of Electric Energy Saving in the Transformation of Rural Hydro-electric Power Expansion

WU M ing-liang
（Hunan Polytechnic of Water Resources and Electric Power，Changsha，Hunan 410131，China）

This paper introduces the design principle ofenergy saving and consumption expansion transformation efficiency of rural hydropower design，describes the renovation ofmechanical and electrical equipment，reactive power compensation，reasonable selection of transmission linematerials and cross section，hydraulic turbine and generator，turbine performance parametersand operation parameters，and othermethods toachieve energy saving.

hydropowerstation；efficiency expansion；electric energy saving

F426.61

A

2095-980X（2017）05-0072-02

2017-04-18

湖南省水利水利科技項目，項目編號：湘水科技[2015]13-19。

吳明亮（1964-），男，湖南望城人，副教授，主要研究方向：機(jī)電技術(shù)應(yīng)用等。