上關(guān)水電站技術(shù)改造設(shè)計研究

于洪亮

(河北省遵化市水利局，河北 遵化 064200)

1 水電站概況

1.1 基本情況

上關(guān)水電站位于遵化市馬蘭峪鎮(zhèn)上關(guān)村北500 m處，是上關(guān)水庫樞紐工程重要組成部分，為壩后式電站。該工程位于主閘放水洞右側(cè)，裝機(jī)容量3×250 kW，原設(shè)計年發(fā)電量為144.89萬 kW·h，設(shè)計年利用小時1 932 h，設(shè)計流量6 m3/s，最大水頭24.2 m，最小水頭11.2 m，設(shè)計水頭20.70 m。

水電站主要工程設(shè)施有引水建筑物及壓力管道、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、升壓站及附屬設(shè)施。其中，1#水輪機(jī)組型號為HL260-WJ-60，2#、3#水輪機(jī)組性好為HL300-WJ-60；1#發(fā)電機(jī)組型號為TSWN85/39-10，2#、3#發(fā)電機(jī)組型號為TSWN99/29-12；升壓站由3臺320kVA和1臺50kVA廠用變壓器組成。水電站建成至今發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，歷史最高發(fā)電量為1994年180.5萬 kW·h，截至2004年底已累計發(fā)電2 360.3萬 kW·h，實現(xiàn)安全生產(chǎn)1 345 d，于1999年通過省廳“安全運行一千天”驗收。

1.2 現(xiàn)存問題

1.2.1 廠房

廠房屋頂為坡屋面瓦結(jié)構(gòu)，因年久失修，導(dǎo)致瓦面塌陷，損壞嚴(yán)重，雖歷經(jīng)多次修繕仍有瓦面破損，墻皮脫落、裂紋影響電站形象。電站只有主廠房，沒有副廠房，機(jī)組控制、保護(hù)設(shè)備布置在安裝間，運行值班時噪音大、溫度高且運行環(huán)境惡劣，嚴(yán)重影響值班人員身心健康[1-3]。

1.2.2 壓力管道

壓力管道為集中供水方式，由放水洞岔接1根鋼筋混凝土主管，分為3根鋼筋混凝土支管，支管末端采用鋼管與水輪機(jī)蝸殼連接。隨著下游用水情況的變化，近年來在3臺機(jī)組壓力鋼管閥前各接了一根DN150鋼管向下游供水，導(dǎo)致電站管理混亂，影響機(jī)組正常發(fā)電。

1.2.3 水輪發(fā)電機(jī)組

水輪發(fā)電機(jī)組投入運行至今已40多年，超期服役，近幾年機(jī)組的運行狀況越來越差，早已超過機(jī)組的大修間隔周期，但是由于技術(shù)力量薄弱，經(jīng)費有限，多年未曾安排過大修。機(jī)組軸承漏油嚴(yán)重，軸瓦嚴(yán)重磨損。

1.2.4 調(diào)速器

調(diào)速器型號為XT-300型機(jī)械液壓調(diào)速器，屬于70年代產(chǎn)品，由于已運行多年。目前，調(diào)速器的自動調(diào)節(jié)功能已喪失，出現(xiàn)頻率不穩(wěn)定、測頻精度差、操作不靈活、丟步與失步的現(xiàn)象，因當(dāng)時制造問題漏油嚴(yán)重，油泵啟動頻繁，已不能保證機(jī)組的穩(wěn)定運行。

1.2.5 勵磁設(shè)備

電站1#機(jī)采用相復(fù)勵，2#、3#機(jī)采用TFKGL-200型可控硅勵磁。由于年代久遠(yuǎn)，目前設(shè)備老化，技術(shù)落后，故障增多，存在勵磁不足、帶不起無功、運行不穩(wěn)定、發(fā)生震蕩等現(xiàn)象。勵磁裝置使用已三十多年，達(dá)到《小型水電站機(jī)電設(shè)備報廢條件》，相復(fù)勵勵磁裝置超過15 a可予整套報廢的條件。

1.2.6 機(jī)組出口控制、保護(hù)及廠用電設(shè)備

電站裝設(shè)3臺250kW、400V低壓水輪發(fā)電機(jī)組，每臺機(jī)配置1面BSL-1-非型發(fā)電機(jī)配電盤，另配1面BSL-1-60型廠用電盤；1978年由天津開關(guān)廠生產(chǎn)，至今已使用40余年，開關(guān)柜為開敞式結(jié)構(gòu)，不具備“五防功能”，元器件早已不生產(chǎn)，操作不靈活，絕緣性能差，運行中拒合、拒分或誤合、誤分現(xiàn)象越來越嚴(yán)多。柜內(nèi)配置的DW10型框架斷路器已列入國家公布的淘汰機(jī)電產(chǎn)品目錄，屬已淘汰產(chǎn)品。

1.2.7 開關(guān)站設(shè)備

開關(guān)站設(shè)備主要包括3臺主變，1臺廠變及變壓器高、低壓側(cè)開關(guān)設(shè)備。其中，3臺主變?yōu)镾J3-320/10型，為配電變壓器，由于能耗高已列入小型水電站機(jī)電設(shè)備應(yīng)淘汰的產(chǎn)品目錄。目前，變壓器漏油嚴(yán)重、介損超標(biāo)，已不能正常使用；變壓器高壓側(cè)跌落式熔斷器為RW3-10型，經(jīng)多年使用，年久老化，熔體斷裂，觸頭融化，不能正常動作；線路出線斷路器為DW5-10型多油斷路器，漏油嚴(yán)重，拒合、拒分、誤合、誤分現(xiàn)象時有發(fā)生。

1.3 改造必要性

上關(guān)水電站已經(jīng)運行40多年，機(jī)電設(shè)備和建筑物等老化嚴(yán)重，當(dāng)時主機(jī)設(shè)備制造廠家已經(jīng)倒閉，無法進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)，機(jī)組長期帶病運行，即將停運，變壓器等機(jī)電設(shè)備非節(jié)能設(shè)備，不能滿足現(xiàn)在節(jié)能減排要求。為了充分利用上關(guān)水庫水能資源，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，緩解地方用電緊張局面，提高電站安全穩(wěn)定運行可靠性，保障上關(guān)水庫防汛應(yīng)急用電，急需對電站進(jìn)行整體技術(shù)改造[5]。

2 技術(shù)改造設(shè)計方案

2.1 建筑物改造

2.1.1 廠房

擬對坍塌的部分坡架進(jìn)行整修，瓦面進(jìn)行更換，整修處理流程為：先檢查拆除原有坍陷、破損部分屋面瓦，然后對坍陷部分坡架進(jìn)行整修，整修完成后采用水泥瓦對原有瓦片進(jìn)行更換，整修面積共計350 m2。

廠房內(nèi)外墻皮由于風(fēng)雨侵蝕、脫落、裂紋，本次擬采用墻面漆對其進(jìn)行重新粉刷。內(nèi)墻面處理工藝流程為：鏟除原內(nèi)墻裝修、清掃干凈、刮膩子、刷內(nèi)墻漆。外墻面處理工藝流程為：清掃干凈、刷漆[6]。

2.1.2 新建控制室

電站只有主廠房，沒有副廠房，機(jī)組控制、保護(hù)設(shè)備布置在安裝間，運行時廠房內(nèi)溫度高、噪音大，噪音已達(dá)危害人身健康的程度，最大噪音113 dB。本次擬在安裝間靠墻修建隔音、隔熱控制室1間，控制室尺寸(長×寬×高)為5 m×5 m×3.5 m；控制室采用雙層中空玻璃隔音、隔熱鋁合金修建。

2.1.3 壓力管道改建

將分別接于3臺機(jī)壓力管道上的3根DN150供水鋼管拆除封堵。將3#機(jī)蝶閥、短管、伸縮節(jié)更換，將短管加長并制作成DN1000/500的鋼制三通，加裝1臺DN500蝶閥，后接DN500鋼管引至廠房外左側(cè)。分別利用3個DN500/200的鋼制三通與原有3根供水管接通。

2.2 機(jī)電及金屬改造

2.2.1 水輪發(fā)電機(jī)組

技術(shù)改造擬對1#、2#、3#水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行大修，大修是對機(jī)組全面的檢查、清掃、測量和修理工作，要全面消除機(jī)組的缺陷，更換需要更換或已到期的零部件(主要是軸瓦及密封件)，要重新調(diào)整、組裝、試驗，使機(jī)組整舊如新，恢復(fù)運行性能。密封主要包括主軸密封和導(dǎo)葉密封，1#、2#、3#水輪機(jī)主軸密封磨蝕嚴(yán)重，密封腔內(nèi)的密封材料已缺失，需要更換新的密封材料。1#、2#、3#水輪機(jī)導(dǎo)葉密封為橡膠材質(zhì)，已老化失效，導(dǎo)致漏水，需要更換。

2.2.2 調(diào)速器

現(xiàn)有調(diào)速器為XT-300型自動調(diào)速器，工作容量300 kg-m，工作油壓25 kg/cm2，目前已喪失自動調(diào)節(jié)能力，操作不靈活，頻率不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)丟步與失步現(xiàn)象，因當(dāng)時制造問題漏油嚴(yán)重，油泵啟動頻繁。本次擬對調(diào)速器進(jìn)行更新，調(diào)速器主要功能應(yīng)滿足以下要求：(1)調(diào)速器必須保證機(jī)組在空載及并網(wǎng)運行工況下穩(wěn)定運行；(2)具有帶負(fù)荷運行、增減負(fù)荷、自動及手動開停機(jī)等功能；(3)結(jié)合永態(tài)轉(zhuǎn)頻差與差率，并網(wǎng)后可自動調(diào)整出力，實現(xiàn)無擾動、無條件地手動與自動的相互切換；(4)能采集并顯示自動、手動、接力器開度、網(wǎng)頻、機(jī)頻等運行狀態(tài)和主要參數(shù)，結(jié)合實際需求在線現(xiàn)地實現(xiàn)調(diào)速器運行參數(shù)的整定；(5)電氣故障的情況下，可以自動切換為手動工況，保持當(dāng)前負(fù)荷并發(fā)出故障報警信號，此外手動工況對緊急停機(jī)的可靠動作不產(chǎn)生影響。

2.2.3 進(jìn)水閥

由于壓力管道改造，需更換3#機(jī)組進(jìn)水閥、短管及伸縮節(jié)。進(jìn)水閥選擇D941X-10 DN1000型電動蝶閥，閥門直徑1 000 mm，公稱壓力1.0 MPa。短管布置在閥門上游，制作時需測量現(xiàn)場尺寸，短管上需帶DN500供水口一個。

2.3 電氣設(shè)備

電氣設(shè)備運行不僅能夠?qū)﹄娬镜陌踩€(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響，而且與電站的經(jīng)濟(jì)合理性密切相關(guān)，因此在電氣設(shè)計過程中，所有電氣設(shè)備必須滿足安全穩(wěn)定的要求，并具備較高的經(jīng)濟(jì)運行指標(biāo)，從而提高電站的整體效益實現(xiàn)運行能耗的有效控制。技術(shù)改造的主要內(nèi)容：針對設(shè)備陳舊老化的現(xiàn)狀，通過與電站運行管理人員溝通，結(jié)合省補(bǔ)資金安排擬更新3臺機(jī)組出口控制保護(hù)設(shè)備為低壓機(jī)組一體化屏，更新廠用電柜1面，更新3臺機(jī)組勵磁裝置，更新3臺主變壓器，2臺10 kV戶外高壓斷路器，3組10 kV戶外隔離開關(guān)，4組10 kV戶外高壓跌落式熔斷器等。動力電纜經(jīng)檢驗合格(每年進(jìn)行試驗)，故不予更換。

2.3.1 電氣設(shè)備選擇

主要電氣設(shè)備的選擇，遵循可靠性高、維護(hù)檢修方便、技術(shù)先進(jìn)、易于布置安裝等原則，并結(jié)合我國電器工業(yè)的目前水平合理選用[7]。

(1)機(jī)組出口控制、保護(hù)設(shè)備：機(jī)組出口控制、保護(hù)設(shè)備選擇低壓機(jī)組一體化屏，屏內(nèi)設(shè)備包括機(jī)組控制保護(hù)測量調(diào)節(jié)裝置、低壓斷路器、隔離開關(guān)、電流/電壓互感器；可實現(xiàn)機(jī)組的控制、測量、保護(hù)、頻率調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)、同期并網(wǎng)等功能。(2)廠用電設(shè)備：廠用電設(shè)備采用GGD型低壓開關(guān)柜。(3)變壓器：主變壓器選擇S11-315-10.5/0.4kV三相銅線圈低損耗節(jié)能型升壓電力變壓器，變壓器容量315 kVA，額定電壓10.5±2×5%/0.4kV，連接組別Y，d11。④高壓開關(guān)設(shè)備：10 kV戶外高壓斷路器選擇ZW8-12/630型，額定電壓12 kV，額定電流630 A。跌落式熔斷器選擇HRW10型，額定電壓10 kV，3臺主變用熔管電流50 A，熔絲電流30 A，廠變用熔管電流50 A，熔絲電流10 A。隔離開關(guān)選擇GW9-10/630型，額定電壓10 kV，額定電流630 A。(5)勵磁裝置：機(jī)組勵磁方式采用自并激靜止可控硅勵磁裝置，功率單元、調(diào)節(jié)單元、勵磁變組成1面勵磁屏。

2.3.2 電氣設(shè)備布置

電氣設(shè)備的布置仍按照目前的方式布置，機(jī)組一體化屏、勵磁屏、廠用電屏布置在主廠房內(nèi)安裝間，主變布置在廠房右側(cè)后方變電站內(nèi)水泥變臺上，高壓開關(guān)設(shè)備布置在變電站內(nèi)桿上。

2.3.3 防雷接地

上關(guān)水電站防雷設(shè)施完善，滿足電站正常運行需求，故防雷設(shè)施不進(jìn)行改造。上關(guān)水電站機(jī)電設(shè)備共用一處接地裝置，接地裝置采用敷設(shè)人工接地體型式，經(jīng)多年運行，未出現(xiàn)因接地發(fā)生的事故及故障，本次改造因涉及到多臺電氣設(shè)備的更換，因此對接地系統(tǒng)應(yīng)全面核查，并對接地電阻進(jìn)行檢測，若不滿足要求，則應(yīng)查明原因，立即處理。

改造后電氣設(shè)備布置基本按照原布置情況進(jìn)行，接地亦可利用原有接地線，若有不可利用的情況，則應(yīng)重新進(jìn)行接地線的敷設(shè)及安裝。

3 改造效果

上關(guān)水電站機(jī)組更新改造項目總投資389萬元，機(jī)電設(shè)備及安裝工程345萬元；臨時工程20萬元；其它費用15萬元；預(yù)備費9萬元；上關(guān)水電站建筑工程和機(jī)電設(shè)備完全達(dá)到新建電站水平，每年可增加發(fā)電量71.1萬 KW·h，年增發(fā)電收益34.2萬元，年增稅后利潤31萬元，將為當(dāng)?shù)氐纳鐣M(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

水電作為清潔可再生能源，是國家政策鼓勵與扶持的建設(shè)項目，該工程按照節(jié)水、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)地、資源綜合利用要求，在設(shè)計過程中充分考慮節(jié)能降耗的主體思路，經(jīng)分析論證，滿足現(xiàn)行節(jié)能降耗的基本要求。

4 結(jié)語

(1)經(jīng)長期運行，上關(guān)水電站機(jī)電設(shè)備和建筑物等老化嚴(yán)重，機(jī)組長期帶病運行，即將停運，變壓器等機(jī)電設(shè)備非節(jié)能設(shè)備，已無法滿足線性節(jié)能減排要求。因此，急需對電站實行整體技術(shù)改造，為充分利用上關(guān)水庫水能資源，保障水庫防汛應(yīng)急用電，提高電站安全穩(wěn)定運行可靠性，緩解堤防用電緊張的局面提供保障。

(2)在電站投入運行，并進(jìn)入穩(wěn)定運行期間后，可充分運用電站運行管理系統(tǒng)對各運行期系統(tǒng)設(shè)備及參數(shù)進(jìn)行合理配置，以實現(xiàn)整個水電站的經(jīng)濟(jì)運行方式。