岸堤水库电站机组增容增效改造分析

魏起波 ，陈 亮 ，段淑才

（1.临沂市岸堤水库管理处，山东 蒙阴 276200；2.蒙阴县水利局，山东 蒙阴 276200）

1 水电站改造前概况

岸堤水库电站原2、3、4号机组是重庆水轮机厂设计制造的立式混流式水轮机，转速为250 r/min，额定功率为1 250 kW，设计水头为21 m，最高水头为22 m，设计流量为8.05 m3/s，水轮机出力为1 360 kW，设计效率为0.82。机组运行30多年，磨损锈蚀严重，水轮机效率严重下降，出力明显不足，据测算水轮机的整体效率已不足0.7。

原机组的励磁方式是励磁机直励，技术落后，年久老化，故障率高，配件难买，维修难度大，自动化程度低。

调速器型号是GT-1500机械液压式调速器，设备运行30多年来，各零部件运行间隙磨损加大，漏油严重，反应滞后，调节性能变差，机组并网困难，事故动作不可靠。

2 机组改造内容

水电站改造,按照以最少的投资获得最大经济效益的原则，多方案比较优选，采取增容、增效、新技术、节约四方面相结合的改造方案。

2.1 水轮机的改造

把原转轮更换为型号HL240D-LJ-123的不锈钢转轮，设计流量8.9 m3/s，设计水头21 m，效率为91%，水轮机出力为1 668 kW，比原转轮增加出力308 kW。与原转轮相比，此转轮有三方面的优点：一是效率由原来的0.82增加到0.91；二是标称直径增大3 cm,但外径没有变，其他部件不更换，只需对原底环进行扩径加工，内径增加3 cm，以适应转轮标称直径的增大，提高水轮机的过流能力；三是用不锈钢材料制作转轮，抗气蚀性能增强。

2.2 发电机的改造

水轮的出力增加，原发电机的额定容量不能与新转轮出力相匹配，因此需对原发电机进行改造。经对有关数据分析计算，只更换发电机的定子线圈，加大定子线圈过流截面积，使发电机额定功率由原来的1 250 kW增至1 500 kW，加大发电机的风扇叶片面积，以实现增大通风量提高散热能力的目的。转子、定子铁芯等保留，此改造方法投资最少、且能满足技术要求，性价比高，改造后的发电机型号为SF1500-24/2600，额定功率为1 500 kW，额定容量为1 875 kVA，额定电流343 A，额定励磁电流为290 A，额定容量比原发电机增加250 kW。

2.3 励磁系统的改造

淘汰原励磁机直励系统。引用先进的基于32位DSP的新型励磁控制系统带有触摸屏的静止微机可控硅励磁装置。该系统是继PCC控制系统之后的新一代微机可控硅励磁系统，TI公司为控制应用量身定做的32位DSP,其特点是具有多种通讯接口，运算速度快。

其中，可控硅励磁装置的特点有：

1）本励磁控制系统针对控制要求，充分发挥F28X的特点，以同步交流采样取代直流采样，大大提高了系统控制品质；本励磁系统还创造性地将设备在线故障诊断功能和控制功能融为一体，实现了基于信号处理和基于知识诊断相融合的在线故障诊断和故障自动处理，大大简化了设备的现场维修，提高了设备的可维护性，

2）励磁变压器与可控硅接线时无需核相，可控硅采用真空管片散热，优点是：高效的导热性，热流密度变换能力强；无噪音，散热效果显著。空气中自然冷却就能满足要求，为确保散热的可靠性，本设备还附设风机辅助散热，只有在严酷的工作条件下，可控硅温度升高到设定限值后，风机才启动，极大地减少了风机运转能耗和故障率。

3）励磁系统设有恒压、恒功率因数两种运行模式，恒压运行模式下，根据电网电压升、降幅度，励磁系统能自动按预先设定的比例，减少或增加发电机的无功负荷。

4）发电机灭磁采用可控硅逆变续流灭磁方式，灭磁开关断开之前，通过切除操作，可控硅的逆变续流使转子电流缓缓降为零，然后再跳开灭磁开关，实现了零电流断灭磁开关，极大地延长了灭磁开关的使用寿命。

2.4 调速器的改造

把DSP32位操作控制系统及步进电机应用到现有的GT1500机械液压调速器中，拆除原飞摆电机、飞摆、引导阀等，保留原调速中主配压阀、辅助配压阀、接力器及油压装置，实现了从机械液压调速器向微机调速器的转变，具有信号测量、频率调节、开机控制、停机控制、网频跟踪等功能的微机自动控制。改造后的调速器具有如下特点：

1）调节器采用DSP微机控制器作为调节控制核心，运算速度快，测频精度高。调节器采用并联补偿自适应PID调节规律。调速器电气部分设有自检保护，能动态指示调速器的故障原因和运行工况。具有完备计算机监控系统接口的硬件和软件，提供被动接受式通讯协议，接口分计算机串行口(物理接口为CAN口)和模拟量接口两种接口，能由计算机监控系统进行负荷分配、成组调节。

2）采用“积木”式单元组合结构，功能扩展方便。调速器反馈采用电气反馈，线性度好，死区小。保证机组安全运行，即在各种事故情况下，机组甩掉全负荷后，能保证机组自动迅速稳定至空载转速，或根据指令信号，可靠地实现紧急停机。

3）有跟网模式和给定模式两种运行方式，有并网前可以设定跟网运行，调速器自动检测电网频率并调整机频与网频相同，达到快速并网的目的。当单机系统运行方式时，可以设定给定频率运行模式，调速器会自动调整机频稳定运行在给定的频率上。

4）调速器具有如下自动容错功能。当机组负载运行，机频故障时，则自动取网频作为机频，稳定运行。如网频同时故障时，则发出报警信号，并保持故障前开度不变。

当机组空载运行，机频故障时，机组关至最小空载开度，保证机组空载不过速。当机组负载运行、导叶位置反馈信号故障时，调速器自动报警并保持故障前的开度运行。调速器电源丢失和恢复，系统保持原开度运行。

3 机组改造效果及经济效益分析

3台机组改造完成后，进行了72 h的试运行，设计水头下，机组开度开至78%时，3台发电机有功率都达到1 500 kW。其他各项技术、经济指标均达到预期目标，对励磁系统、调速器进行了各项性能测试，均符合标准要求。

经效率测算，水轮机的平均效率高达89%，与改造前70%相比，增加19%，大大提高了水能利率。改造后，水库70%的水量将通过此3台机组调节，按水电站平均每年发电量1 500万kWh的70%计算，平均每年增加发电168万kWh，增加收入63万元。另外每台水轮机的过流能力增加0.85 m3/s，3台机组共增大了电站的调洪能力2.55 m3/s，减少了汛期开闸泄洪机率，节约水能资源。

因机组运行可靠性的提高，每班减少运行人员2名，每年为电站节约近30万元的工资支出。以上3项总计为电站增收节支共99万元。本项目总投资230万元，静态投资回收期近似2.23年，投资价值高，效果好。

4 结语

本次机组改造，核心是增效、增容，在考虑增加水轮机效率的同时，充分利用本水电站盈余过流能力，与增加容量同时进行，同时考虑对原旧设备进行合理的取舍，融入新技术，实现了新旧设备的完美结合。