水電站改造項目升壓站變壓器選型

韓憲亮

（晉城市農(nóng)村水電電氣化建設(shè)管理辦公室，山西 晉城 048000）

1 工程概況

杜河水電站是“九五”期間，經(jīng)國務(wù)院批準實現(xiàn)晉城市澤州、陽城兩縣農(nóng)村水電初級電氣化縣建設(shè)目標的骨干電源工程。電站設(shè)計水頭43.8 m，設(shè)計引水流量34.00 m3/s，裝機容量為4×3 200 kW，電站工程包括攔河壩、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、主副廠房、變電站等建筑物。杜河水電站建成于1999年，由于受當(dāng)年技術(shù)條件和資金限制，加上運行時間較長，水電站存在諸多安全隱患，主要問題為：機電設(shè)備、升壓站設(shè)備陳舊老化且效率低下，致使電站不能正常運行，而且設(shè)備故障檢修率較高，導(dǎo)致每年的維修成本居高不下，電站原設(shè)計年發(fā)電量為3 459萬kW·h，現(xiàn)在年平均發(fā)電量僅為1 700余kW·h，水資源得不到合理有效利用，經(jīng)濟效益和社會效益明顯降低。

為此，杜河水電站被列入晉城市“十三五”農(nóng)村水電增效擴容改造工程，2016年4月經(jīng)省水利廳批復(fù)，批復(fù)總投資2 590萬元。改造內(nèi)容主要為：對水輪發(fā)電機組及配套設(shè)備、高壓柜、變壓器、自動化系統(tǒng)、低壓柜和戶外升壓站設(shè)備進行更換等。

2 工程布置

2.1 工程等別和標準

杜河電站按庫容屬中型水庫，工程等別為三等。電站裝機容量12 800 kW，按裝機屬?。?）型，工程等別為四等。

2.2 主要改造建筑物

電站工程包括攔河壩、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、主副廠房、變電站等建筑物。

本次改造工程不對水電站進行擴容，主要改造水工建筑物有：主、副廠房和啟閉機房屋面工程、裝飾工程、門窗工程以及拆除工程。

2.3 機電設(shè)備

2.3.1 水輪發(fā)電機組

杜河水電站原裝機4×3 200 kW，水輪機型號為HLA551-LJ-105，發(fā)電機型號為SF3200-12/2600。因為此次改造工程主要對機組設(shè)備進行更換，引水建筑物等并未進行改造，電站的設(shè)計水頭和設(shè)計引水流量不變，因此改造工程中并未對電站的裝機容量進行擴容，維持原裝機不變。在對水電站水能復(fù)核后，根據(jù)水輪機適用水頭范圍和現(xiàn)行的中小型水輪機型譜，結(jié)合原有廠房條件和單機容量，適用于本電站改造的性能較好的的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪主要有HLA551C、HLF305兩個型號，經(jīng)過比較對應(yīng)的兩轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線，本次改造選用水輪機型號為HLA551C-LJ-105，發(fā)電機型號為SF3200-12/2600。

2.3.2 升壓站主變

原電站升壓站裝有2臺主變，容量為16 000 kVA+4 000 kVA，為S9系列老舊產(chǎn)品，能耗高且已嚴重銹蝕，存在非常大的安全隱患，該型號產(chǎn)品目前早已為市場淘汰。在《杜河水電站增效擴容改造工程初步設(shè)計》中，繼續(xù)選用了容量為16 000 kVA+4 000 kVA的變壓器，按照水利部《農(nóng)村水電增效擴容改造項目機電設(shè)備選用指導(dǎo)意見》（水電〔2011〕438）號文件要求，型號選用了高清潔低耗能的S11系列產(chǎn)品。

3 主變壓器在實際應(yīng)用中的選型探討

杜河水電站增效擴容改造工程初步設(shè)計中，維持了建站初期的設(shè)計方案，選用兩臺容量為16 000 kVA+4 000 kVA的主變壓器，未能充分考慮電站建成后10余年的實際運營情況。

3.1 電站輸電線路運營情況

杜河水電站建站時的輸電線路方案為：4臺機組機端電壓為6.3 kV，經(jīng)兩臺主變壓器升壓至110 kV后，與拴驢泉水電站的110 kV線路T接后并入國網(wǎng)，但是限于當(dāng)時資金不足，電站建成后只修建了一條電站至山河鎮(zhèn)的110 kV線路，其余后續(xù)工程未能完成，輸電線路未能接入國網(wǎng)。

電站建成后的實際輸電方案為：4臺機組機端電壓為6.3 kV不變，但是經(jīng)兩臺主變壓器升壓至10 kV和35 kV后再輸送出去。10 kV輸電線路有3條，分別輸送至水庫大壩和陽城縣蔡節(jié)村，還有一條是利用已建成的110 kV線路輸送至澤州縣山河鎮(zhèn)；35 kV輸電線路有2條，分別輸送至陽城縣東冶鎮(zhèn)和澤州縣李寨鄉(xiāng)的35 kV變電站。

3.2 電站主變實際運營情況

杜河水電站在修建時計劃用35 kV或者110 kV等級輸電線路并入國網(wǎng)，因為沁河水量大，并入國網(wǎng)后負荷較為穩(wěn)定，電站可以保證至少2臺機組全年穩(wěn)定發(fā)電，由于建成后電站未實現(xiàn)并入國網(wǎng)，目前是孤網(wǎng)運行狀態(tài)，只能將電量供給周邊澤州和陽城縣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，由于承擔(dān)的負荷不穩(wěn)定，經(jīng)常會出現(xiàn)棄水情況。根據(jù)電站多年運行情況統(tǒng)計，一年之中1臺機組單獨運行發(fā)電的時間在330 d以上，2臺機組并列運行發(fā)電的時間約250 d左右，3臺機組并列運行發(fā)電的時間約40 d左右。由此可見，目前電站實際運營中，約有2/3以上的時間是1臺或者2臺機組在運行發(fā)電，因為電站給周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電需要同時輸送10 kV和35 kV兩種等級的電壓，而兩臺主變壓器的出線等級為16 000 kVA（110 kV、35 kV）+4 000 kVA（35 kV、10 kV），當(dāng)一臺機組進行發(fā)電時，用4 000 kVA的主變，而當(dāng)兩臺以上機組進行發(fā)電時，就要同時啟用兩臺主變，不僅變壓器容量使用過大，而且造成的變損也較大，造成電能浪費。根據(jù)電站多年運行實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，杜河水電站年平均發(fā)電量1 700萬kW·h，年平均變損耗電量達140萬kW·h，變損電量占發(fā)電量的8%左右。

3.3 電站主變選型的探討

電站原有升壓主變壓器為S9系列產(chǎn)品，能耗高，且已嚴重銹蝕老化，存在非常大的安全隱患，在《杜河水電站增效擴容改造工程初步設(shè)計》中，選用了高清潔低耗能的S11系列產(chǎn)品，但是主變的設(shè)計方案繼續(xù)選擇了建站之時的型號、容量與變壓出線等級，及16 000 kVA（110 kV、35 kV）+4000 kVA（35 kV、10 kV），這顯然已不符合實際的運營情況。在考慮到目前杜河水電站在短時間內(nèi)還無法并入國網(wǎng)，要長時間孤網(wǎng)運行發(fā)電的實情，從合理利用和減少變損的角度考慮，電站的總裝機4×3 200 kW，主變的總?cè)萘窟x擇變更為2×8 000 kVA，這樣在保留有少量安全富余容量的前提下，既保證了4臺機組在額定功率下的電能總輸出，又同時考慮了電站運行的實情，可以在1臺機組或者2臺機組運行的時候，只需要單獨啟用一臺主變，從而減小變損，節(jié)約電能。

將設(shè)計中1號主變16 000 kVA的容量降低為8 000 kVA，出線等級為（110 kV 、35 kV），2號主變4 000 kVA的容量增加為8 000 kVA，出線等級為（35 kV、10 kV）。這樣在1臺機組或者2臺機組運行的時候，只單獨啟用2號主變，當(dāng)3臺機組運行時再啟用1號主變。在考慮到未來電站還有并入110 kV國網(wǎng)的可能，固保留了1號主變110 kV的出線等級。

經(jīng)初步估算，電站兩臺主變型號變更后，電氣設(shè)備及安裝一項可節(jié)省資金30余萬元，由于電站經(jīng)此次增效擴容改造后，發(fā)電效率會大幅提高，按照設(shè)備參數(shù)及相關(guān)技術(shù)規(guī)范計算，電站在通過改造升壓主變后，每年發(fā)電通過減小變損就可節(jié)約電能110萬kW·h，按上網(wǎng)電價0.27元/度計算，每年可增收30萬元的利潤。由此可見，在工程設(shè)計中，必須多方面綜合考慮各種客觀因素，多掌握工程的實際情況，才能保證設(shè)計方案的質(zhì)量和實用性。