洪澤泵站主機(jī)組變頻裝置改造方案與實(shí)施要點(diǎn)分析

周 楊，宋 佳，紀(jì) 恒

(1．南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司淮安分公司，江蘇 淮安 223001；2．江蘇省灌溉總渠管理處高良澗閘管理所，江蘇 洪澤 223100)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)清潔能源持續(xù)擴(kuò)容，清潔低碳、安全高效的能源體系正在加快構(gòu)建起來(lái)。習(xí)近平總書記曾指出：“發(fā)展清潔能源，是改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要任務(wù)。”2018年，著力解決清潔能源消納問(wèn)題成為當(dāng)年的重點(diǎn)工作任務(wù)之一，從而可以更好地解決棄水棄風(fēng)棄光電量和限電比例逐年下降的問(wèn)題?；诖吮尘跋?，依據(jù)國(guó)家發(fā)展清潔能源的政策，為進(jìn)一步充分利用南水北調(diào)洪澤湖的棄水資源，洪澤泵站實(shí)施主機(jī)組直接反轉(zhuǎn)發(fā)電項(xiàng)目，可提高機(jī)組發(fā)電效益，改善機(jī)組發(fā)電運(yùn)行條件，優(yōu)化機(jī)組發(fā)電特性。

1 概 述

洪澤泵站工程隸屬于南水北調(diào)東線第一期工程中的第三梯級(jí)泵站，位于江蘇省淮安市洪澤縣蔣壩鎮(zhèn)，與洪澤湖毗鄰，介于洪金洞與三河船閘之間。就洪澤湖自身而言，擁有淮河、睢河、安河、池河、徐洪河等多重入湖河道，與此同時(shí)也擁有江水道、灌溉總渠、分淮入沂河入海水道，使得洪澤湖承泄了淮河中上游15.8萬(wàn)km2的水量，擁有豐富的水利資源，具有天然的棄水發(fā)電利用條件?；诤闈珊?yōu)質(zhì)的環(huán)境，洪澤湖除了具有基本的調(diào)水功能之外，還具有防洪、排澇、發(fā)電等功能。

洪澤湖主機(jī)變頻改造項(xiàng)目當(dāng)中，其泵站規(guī)模方面，抽水設(shè)計(jì)規(guī)模為150 m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為6.0 m，裝有5臺(tái)套立式液壓全調(diào)節(jié)混流泵，配備水泵葉輪(直徑為3 150 mm，單機(jī)流量為37.5 m3/s)，以及立式同步電機(jī)(額定功率3 550 kW，額定電壓10 kV，額定電流241 A，轉(zhuǎn)速125 r/min，總裝機(jī)容量17 750 kW)。水泵采用立式混流泵豎井筒體式結(jié)構(gòu)，配肘形進(jìn)水流道、虹吸式出水流道，真空破壞閥斷流；其泵站機(jī)組反轉(zhuǎn)發(fā)電方面，考慮發(fā)電功能需求，泵站安裝抽真空系統(tǒng)、正反轉(zhuǎn)同步電機(jī)，進(jìn)一步夯實(shí)泵站主機(jī)組反轉(zhuǎn)發(fā)電基礎(chǔ)。

自洪澤泵站主機(jī)組泵機(jī)工頻反轉(zhuǎn)發(fā)電以來(lái)，工頻反轉(zhuǎn)發(fā)電存在一定的缺陷，如機(jī)組振動(dòng)、噪聲較大，發(fā)電效率低，對(duì)機(jī)組軸瓦等機(jī)械部位損傷較為嚴(yán)重。因此，現(xiàn)通過(guò)安裝變頻發(fā)電機(jī)組，對(duì)洪澤泵站多臺(tái)混流泵機(jī)組反轉(zhuǎn)發(fā)電時(shí)降低轉(zhuǎn)速，由此進(jìn)行主機(jī)組變頻裝置改造，改善運(yùn)行工況，確保安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 改造基本原則和方案

為了更好地提升洪澤泵站主機(jī)組發(fā)電效益，改善發(fā)電運(yùn)行條件，則對(duì)洪澤泵站機(jī)組發(fā)電特性進(jìn)行認(rèn)證分析，確定在原有直接反轉(zhuǎn)發(fā)電的基礎(chǔ)上，增加1臺(tái)套機(jī)械式變頻發(fā)電機(jī)組(額定電壓10 kV，運(yùn)行頻率50 Hz/30 Hz，功率6 000 kW)以及相關(guān)配套設(shè)備，以增加發(fā)電效益，提高機(jī)組運(yùn)行環(huán)境和效率。

2.1 基本原則

針對(duì)洪澤泵站主機(jī)組變頻裝置改造，應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)基本原則：一是嚴(yán)格遵循《泵站設(shè)備安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(SL 317—2015)、《南水北調(diào)泵站工程運(yùn)行管理規(guī)程(試行)》(NSBD 16—2012)、《水利工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定規(guī)范》(DB 32/T 2334.3—2013)、《水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》(GB/T 8564—2003)、《泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(SL 140—85)、《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50150—2006)、《電氣裝置安裝工程旋轉(zhuǎn)電機(jī)施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50170—2006)、《機(jī)械設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收通用規(guī)范》(GB 50231—2009)。二是充分結(jié)合洪澤泵站水力分析，確定水位組合，對(duì)機(jī)組水輪機(jī)試驗(yàn)原型數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，確定降速發(fā)電情況。同時(shí)，結(jié)合水文水情分析，確定洪澤湖泄洪情況，從而為主機(jī)組變頻裝置改造提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

2.2 改造方案

洪澤泵站主機(jī)組變頻裝置的改造要求通過(guò)安裝1臺(tái)套變頻發(fā)電機(jī)組設(shè)備(含1臺(tái)臥式同步電動(dòng)機(jī)，1臺(tái)臥式同步發(fā)電機(jī))，進(jìn)一步提高機(jī)組發(fā)電效益，改善機(jī)組發(fā)電運(yùn)行條件，優(yōu)化機(jī)組發(fā)電特性；即在原直接反轉(zhuǎn)發(fā)電的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加1臺(tái)套額定電壓10 kV，運(yùn)行頻率50 Hz/30 Hz，功率6 000 kW的機(jī)械式變頻發(fā)電機(jī)組，以及相關(guān)配套設(shè)備，增加發(fā)電效益，改善機(jī)組運(yùn)行條件。

(1)確定主機(jī)組變頻裝置發(fā)電出力最大工況，即機(jī)組30 Hz運(yùn)行，在3.5～4.0 m水頭下，葉片角度為-4°；在4.0～4.5 m水頭下，葉片角度為-2°；在4.5～4.8 m水頭下，葉片角度為+2°。

(2)首先確定變頻發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行，用110 kV大電網(wǎng)啟動(dòng)I段母線上的變頻發(fā)電機(jī)，變頻電動(dòng)機(jī)與變頻發(fā)動(dòng)機(jī)同軸運(yùn)行。此時(shí)變頻電動(dòng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行，變頻電動(dòng)機(jī)進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速，在II段母線建立6.3 kV電壓、30 Hz頻率的小電網(wǎng)。其次，虹吸管道抽真空，水倒流使得水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度時(shí)合主機(jī)斷路器，主機(jī)異步啟動(dòng)，投勵(lì)后進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。再次，在水流量不斷增大的過(guò)程中，虹吸管真空度進(jìn)一步提升，主機(jī)逐步進(jìn)入發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)主機(jī)確認(rèn)進(jìn)入發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)后，變頻電動(dòng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)入電動(dòng)運(yùn)行，變頻發(fā)電機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)電運(yùn)行，變頻發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過(guò)變壓器升壓達(dá)到110 kV，而后完成并網(wǎng)。

(3)充分考慮主機(jī)組反轉(zhuǎn)發(fā)電原理，對(duì)電氣系統(tǒng)和設(shè)備布置進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)留設(shè)計(jì)。其中，1臺(tái)套變頻發(fā)電機(jī)組設(shè)備的安裝，采用外墻拆除、設(shè)備基礎(chǔ)改造等土建工程完成，并預(yù)留位置；高壓開關(guān)室內(nèi)安置10 kV開關(guān)柜，并接入泵站10 kV系統(tǒng)，保護(hù)裝置、自動(dòng)化系統(tǒng)則接入泵站自動(dòng)化系統(tǒng)。開關(guān)柜內(nèi)裝設(shè)真空斷路器，配彈簧操作機(jī)構(gòu)。繼電保護(hù)采用微機(jī)綜合保護(hù)裝置，裝置安裝在高壓柜儀表室。

(4)勵(lì)磁采用微機(jī)型可控硅勵(lì)磁裝置，勵(lì)磁裝置主回路為三相全控橋式整流電路。調(diào)節(jié)器具有恒功率因數(shù)和恒勵(lì)磁電流運(yùn)行功能，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁電流給定值維持機(jī)端電壓或無(wú)功功率恒定，不受電網(wǎng)或負(fù)載波動(dòng)影響。在發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置按恒無(wú)功調(diào)節(jié)、恒勵(lì)磁電流雙閉環(huán)方式運(yùn)行，同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁裝置按恒機(jī)端電壓、恒勵(lì)磁電流雙閉環(huán)方式運(yùn)行，5臺(tái)主電機(jī)勵(lì)磁裝置按恒無(wú)功調(diào)節(jié)、恒勵(lì)磁電流雙閉環(huán)方式自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。

(5)變頻機(jī)組測(cè)溫信號(hào)及冷卻水示流信號(hào)、10 kV開關(guān)柜狀態(tài)信號(hào)、微機(jī)保護(hù)及勵(lì)磁裝置信息采用控制信號(hào)電纜引至變電所側(cè)二樓控制保護(hù)屏室LCU柜進(jìn)行采集；泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)及現(xiàn)地PLC、觸摸屏進(jìn)行變頻機(jī)組監(jiān)測(cè)功能相關(guān)應(yīng)用軟件開發(fā)。

3 改造實(shí)施要點(diǎn)分析

洪澤泵站主機(jī)組變頻裝置改造是一項(xiàng)相對(duì)復(fù)雜的工程，絕大多數(shù)的工作是在原有大部分設(shè)備不停電的情況下進(jìn)行的，這在一定程度上增加了主機(jī)組變頻裝置改造實(shí)施的難度以及危險(xiǎn)性。因此，在主機(jī)組變頻裝置改造實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備，科學(xué)合理地改造實(shí)施設(shè)計(jì)流程。

3.1 制定詳細(xì)的技術(shù)施工方案

在正式進(jìn)行洪澤泵站主機(jī)變頻裝置改造實(shí)施之前，應(yīng)制定詳細(xì)的技術(shù)施工方案，包括技術(shù)設(shè)計(jì)措施、技術(shù)措施、組織措施、安全措施等。其中，在技術(shù)設(shè)計(jì)方面，安裝變頻發(fā)電機(jī)組設(shè)備，提高機(jī)組發(fā)電效益，優(yōu)化機(jī)組發(fā)電特性。在技術(shù)措施方面，確定所增加的變頻發(fā)電機(jī)組的型號(hào)與運(yùn)行特性，并增設(shè)相關(guān)配套設(shè)備。在組織措施方面，成立主機(jī)組變頻改造項(xiàng)目部，確定項(xiàng)目從設(shè)備采購(gòu)過(guò)程到施工過(guò)程的合理流程，對(duì)勘測(cè)設(shè)計(jì)、咨詢、招標(biāo)代理、安裝等工程投資減少或者是專業(yè)性較強(qiáng)的工作則可以采用委托方式進(jìn)行實(shí)施。在安全措施方面，對(duì)施工出現(xiàn)的質(zhì)量隱患及時(shí)排查和解決，認(rèn)真落實(shí)施工安全管理各項(xiàng)規(guī)章制度，從而保證避免施工安全質(zhì)量事故的發(fā)生。

3.2 對(duì)主機(jī)組布置重新規(guī)劃設(shè)計(jì)

在進(jìn)行主機(jī)組變頻裝置改造的過(guò)程中，需要更換或增加的設(shè)備有部分是無(wú)法在間斷運(yùn)行的條件下進(jìn)行的，新上設(shè)備的數(shù)量與原設(shè)備也會(huì)有不一致的情況出現(xiàn)。為了保證主機(jī)組布置合理，應(yīng)針對(duì)主機(jī)組布置進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計(jì)。根據(jù)洪澤泵站主機(jī)組變頻裝置的史記情況，變頻機(jī)組布置于變電所側(cè)1樓預(yù)留房間，2臺(tái)高壓開關(guān)柜(含翻線柜)、2塊勵(lì)磁屏和2臺(tái)勵(lì)磁變柜布置于2樓預(yù)留房間。變頻機(jī)組室設(shè)有電纜溝，與2樓開關(guān)室之間設(shè)置豎井橋架和水平橋架形成電纜通道；變頻機(jī)組機(jī)坑長(zhǎng)7.4 m、寬4.22 m、深3.6 m，根據(jù)變頻機(jī)組尺寸對(duì)混凝土基礎(chǔ)進(jìn)行改造。

3.3 優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行配合安排

新的設(shè)備系統(tǒng)投入使用，并不意味原有系統(tǒng)的退出，而是與原有系統(tǒng)共同完成新的設(shè)備運(yùn)行任務(wù)。基于這種情況下，部分設(shè)備需要在主機(jī)組變頻裝置改造過(guò)程中同時(shí)運(yùn)行。因此，針對(duì)設(shè)備運(yùn)行的配合應(yīng)科學(xué)安排。一方面，需要對(duì)增設(shè)的電氣系統(tǒng)和設(shè)備布置的位置予以適當(dāng)?shù)念A(yù)留，做好設(shè)備安裝相關(guān)的設(shè)備基礎(chǔ)改造等土建工程施工工作。變頻機(jī)組的4個(gè)軸承的冷卻應(yīng)從洪澤泵站的冷水組進(jìn)行引接，以保證設(shè)備快速進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試環(huán)節(jié)；同時(shí)也能夠讓更換及增設(shè)的設(shè)備直接接入新的系統(tǒng)，減少重復(fù)工作和停電時(shí)間。另一方面，在增設(shè)設(shè)備系統(tǒng)后，原有系統(tǒng)不應(yīng)立即退出運(yùn)行，應(yīng)將更換的二次設(shè)備接入新系統(tǒng)；原有系統(tǒng)逐步退出運(yùn)行，減少改造的工作量。

3.4 加強(qiáng)施工質(zhì)量管理

洪澤泵站主機(jī)組變頻裝置改造從大方向上來(lái)說(shuō)隸屬于南水北調(diào)工程，項(xiàng)目改造過(guò)程中需要建設(shè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ藤|(zhì)量管理體系，才能更好地保證施工質(zhì)量。在具體的施工過(guò)程中應(yīng)堅(jiān)持“三控制、三管理、一協(xié)調(diào)”原則，在項(xiàng)目正式施工之前就針對(duì)施工單位、主要分包單位資質(zhì)、人員等予以檢查，確定各設(shè)備是否符合要求。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工當(dāng)中出現(xiàn)的與設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)交底。在項(xiàng)目正式施工過(guò)程中則需要保證變頻機(jī)組改造工程符合預(yù)期要求，對(duì)隱蔽工程以及關(guān)鍵部位應(yīng)加大管理控制。

4 改造效益與運(yùn)行建議

4.1 效益分析

本次洪澤泵站主機(jī)組變頻裝置改造預(yù)期投資650萬(wàn)元。項(xiàng)目完成后獲得的發(fā)電收益要比原來(lái)有所增加，所增加的發(fā)電效益主要集中在兩個(gè)方面：一方面是4.5 m以上水頭功率同比增加。按照單機(jī)功率700 kW計(jì)算，增加發(fā)電時(shí)間16 d，增加發(fā)電量36.8萬(wàn)kW·h，增加收益約10.4萬(wàn)元。另一方面則是3.5～4.5 m水頭功率同比增加。按照單機(jī)功率增加200 kW計(jì)算，增加發(fā)電時(shí)間60 d，增加發(fā)電量28.8萬(wàn)kW·h，增加收益約11.2萬(wàn)元。其經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出顯著，按照5臺(tái)機(jī)組的發(fā)電量來(lái)計(jì)算，增加發(fā)電量共計(jì)278萬(wàn)kW·h，增加收益108萬(wàn)元，凈利潤(rùn)86.4萬(wàn)元，直接投資收益率達(dá)到13.3%。

4.2 運(yùn)行建議

總的來(lái)說(shuō)，洪澤泵站主機(jī)組變頻改造工程在原有直接反轉(zhuǎn)發(fā)電的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，整體工程量并不大，投資量適中，經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益較好。然而，在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)部分問(wèn)題，如差動(dòng)保護(hù)跳閘問(wèn)題、噪音問(wèn)題等，下一步應(yīng)繼續(xù)完善差動(dòng)保護(hù)功能運(yùn)行，并改進(jìn)裝置項(xiàng)目的設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)性能，減少噪音影響。