低压机组水电站现代化改造的优化设计

章文裕

（福建大田县水利局水电农村电气化办公室，大田 366100）

在上世纪六十年代和七十年代，我国由县或乡、村集体开发了很多小型水电站，经过长期运行，目前这些水电站的设施和设备已显得比较落后，效率低，安全状况堪忧，需要进行大范围的更新改造。福建省大田县近年来已对香坪水电站、大尤水电站等20余座早期建设的小型水电站进行了全面更新改造，取得了良好成效。本文根据大田县小水电改造的实践经验，论述低压机组小容量水电站现代化改造的优化设计。

1 低压机组水电站的现状特点

早期建设的低压机组小容量水电站，其设施和机电装备都很落后。进入本世纪初，容量较大的高压机组在装备上、设施上、管理上已有所提高，有些已通过更新改造基本达到小水电现代化的水平，但是，低压机组小水电站的各种情况却大不如意。当前，不管是对老水电站的更新改造、重建或是新建，在低压机组小容量水电站的设计上、施工上、装备水平上，都比高压机组水电站差，其运行维护管理也相对落后。分析其主要原因，一是设计人员对低压机组水电站的设计，没有很好的设计思路，没能达到经济实用的要求；二是市场上缺乏适用于低压机组的配套装备和自动化装置；三是现在小容量水电站的上网电价低，而发电成本高，缺乏经济效益支撑；四是小容量水电站运行管理水平低，跟不上社会发展的需要；五是小容量水电站按同样的水准建设，其单位千瓦造价比大容量水电站高得多，经济利益上难以为继。

2 低压机组水电站的设备选型优化

1）水轮机的优选。水电站的水轮机是安全、经济、高效发电的关键设备之一，它关系到水能的转换效率和运行安全。现在全国大部分小水电发电设备生产厂家已做很大改进和创新，装备的制造水平及水能转换效率有了很大提升。在小水电站改造时，应按现代水轮机设备生产厂家的型谱性能重新进行优化选型，而不是简单地重复原机型（原样换新）或仅按原机型扩大容量，否则改造就不一定能得到最佳效果。例如，香坪水电站设计水头190m，总设计流量1.5m³/s，于1995年10月第一期投产2台500kW机组，2000年12月又同样扩装了1台500kW机组，都是选用某两个厂家生产的CJW-70/1*9型戽斗式手动调节水轮机，单机额定过流量0.37m³/s，额定转速750r/min，发电出力500kW（效率只有0.765），由于水轮机效率低，运行中损坏较严重，业主决定对整个电站进行全面更新改造，通过笔者优化设计，选用XJE-W-55B/1*10型斜击式手电动调节水轮机3台，单机额定过流量0.46m³/s，额定转速1000r/min，水轮机效率0.852，配套SFW700-6/990型无刷励磁低压发电机，机组额定发电出力700kW。现代斜击式水轮机相比原来的戽斗式水轮机，具有过流量大、转速高、效率高、可靠性好、型号多等优点，香坪水电站改造优选了斜击式水轮机，使机组的性能、效率、可靠性大大提高，而造价却大大降低，3套机组比原型号设备的造价降低了约45万元，整个水电站改造共投资约90万元，年发电量从原来630万kW·h提高到800万kW·h，经济效益也大大提高。另外，小水电站使用的各种水轮机除特殊的控制调节要求外，一般选择手电动调速器，即可完全配合发电机的自动调节励磁实现自动开停机及负荷调节。

2）调速控制装置的优选。小水电站水轮机组运行调速控制装置在设计选型上，要求简单、可靠、适用、造价低廉，只要在开机和跳闸时能按需要自动调节，在并网运行中能根据水情需要，手动或自动增减出力就可以。STKW-3C型微电脑控制器，能很好地满足小型水电站的要求。该控制器利用水轮机的手电动调节装置，能在机组运行的各种工况下完成所需要的调节操作，还兼有同期、过频率保护和按前池水位自动增减负荷、水情异常报警、显示机组运行的频率和电压等功能，且质量可靠、操作简便、性价比高，适用于小型水电站。应注意的是，该控制器要求机组在各种状态下都要有可靠的交流电压，因此，水轮发电机要配备可靠的自动调节励磁装置。

3）发电机的优选。目前小型水电站广泛使用的大多是早期生产的直流励磁机励磁、自励恒压或可控硅励磁、B级绝缘、发电效率低的低压发电机。现代农村电网中的小水电站，应该全面推广使用无刷励磁、F级绝缘的低压发电机，其容量已可以做到1250kW或1600kW，转速可以低到100r/min。例如，香坪水电站在改造前使用的是2台直流励磁机励磁和1台可控硅励磁的500k W、990机座、B级绝缘、750r/min发电机，运行中故障多，维护工作量大、费用高，经常影响发电，改造时选用3台990机座、F级绝缘、1000r/min、额定出力为700kW的无刷励磁低压发电机，在原机座位置上改装使用（包括水轮机，整套机组安装改动不大）。与2010年福建省某县的一座同样水力条件、同规模水电站改造效果相比，香坪水电站实施的优选方案可节省投资45万元，水能利用率和综合发电效率又多了约27个百分点（多发电出力600kW，年多发电170万kW·h），显示了优选设计方案的重要性。

4）励磁装置的优选。自动调节励磁装置是水轮发电机组安全并网优化发电运行的关键设备，也是目前低压机组小容量水电站最落后、运行人员最不方便管理的装置。它关系到机组能否随有功出力变化、电网电压变化，根据无功发电出力（考核运行功率因数）的要求进行自动智能调节，并且在开机并网前自动跟踪电网电压，跳闸后在一定频率范围内保持额定电压，使自动调速器和事故照明正常发挥作用，否则机组就无法保证在各种状态下自动安全运行。基于对励磁自动调节装置的要求，笔者研究开发了几种适应无刷励磁（或直流励磁机励磁）低压机组的智能多功能励磁调节装置，第一种是用2个单相调压器与控制变压器组成手动励磁调节，该装置价格低廉、简单实用，基本能在并网状态下自行维持一定的功率因数，在跳闸后又能自动回复到空载励磁的位置上，主要用于小小机组；第二种是用1个较简单的可控硅自动励磁调节器（具有恒电压或兼有恒功率因数调节功能）与单相调压器、控制变压器组成手动、自动和手自动混合励磁调节方式（可在运行中根据需要进行切换，可将手自动混合作为常用方式，当用手动调节时，可在跳闸后投入自动励磁，以保证维持机组额定电压），适用于稍大机组；第三种是用更具智能化的可控硅自动励磁调节装置（具有恒电压、恒励磁电流、恒功率因数和恒无功功率等调节方式）与单相调压器、控制变压器组成手动、自动和手自动混合励磁调节方式（特点与第二种相同），适用于较大机组；第四种是利用IGBT开关管的自动调节励磁装置，作为最大容量无刷励磁机（或直流励磁机）的高低压发电机智能励磁调节使用；另外，还根据以前生产使用的可控硅励磁有刷发电机励磁装置的更新换代，设计试用逆变型直流励磁装置，代替原来的可控硅励磁装置，用于励磁电流在500A以下、输出电压在150V以下的发电机励磁，使用效果好，性能、可靠性和效率均有提高，而价格却降低了，目前正在扩展完善其智能化调节功能。

5）同期装置的优选。同期并车装置对机组开机安全并网也很重要，它可解决运行人员最担心的安全操作问题。现在同期装置的产品很多很杂，该装置对小机组来说，主要要求是可靠，而不要求对机组自动调节转速和电压（电压调节可由自动励磁完成），只要在不一定要求很苛刻的频率差、相位差、电压差时能可靠动作即可。为了增加可靠性，可考虑使用2个含有同期功能的综合装置，将2个同期装置的同期合闸输出回路串联使用（应增加1个切换为单装置同期合闸的开关），并且不设手动合闸开关，以防止误操作。

6）保护装置的优选。保护装置是水电站安全运行的依托，没有可靠的保护装置，安全运行就无法实现。低压机组的保护主要有过电流、过电压、过频率三种，其中过电流保护应分为速断、过电流和过负荷，整定值和延时都不同，过负荷可只用于报警；过电压也最好分为两种，偏高和偏低时报警，过高过低时跳闸；目前一般水电站都并入大电网运行，要求机组频率在49～51Hz以外时跳闸和水机关闭即可。要实现这些功能，应选用组合式微电脑综合保护设备。在这方面，目前已开发生产出JY和JYL系列过电流、过电压、过频率保护等多种组合装置，有的还结合同期并车用途，便于各种小水电站改造时选用。这些产品能在小水电站可达到的最大电压范围内可靠工作。

7）显示仪表的优选。优化采用指针式仪表和数字显示仪表相结合的方法，适宜每台机组安装一个三相电力监测数显仪表，可将该仪表用作固定显示某一主要关注的参数（如固定显示发电功率，其他用切换显示），其他的相关参数则用普通指针式仪表察看，这样既经济又方便实用。三相电力监测数显仪能切换显示电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功电能、无功电量等参数。这里需要说明的是，在水电站中使用的电子式仪表，与普通用电仪表有所不同，应与厂家联系改进提高使用电压范围和抗雷击过电压等，否则就可能产生不利因素，反而降低了可靠性。

8）配电屏及事故照明、机端操作测控显示的优选。低压机组的配电屏与高压机组大不相同，一般都是一机一屏综合设置，包括一次设备和相关的控制保护装置及测量仪表、事故照明自动投入装置，如单机1000k W以上的低压机组，可采用发电机出线直联升压变的方式，在10kV侧装户外真空断路器或接触器进行控制，这种情况即可单独装配控制保护、测量等综合屏。当采用了综合控制保护装置后，电气元件大幅度减少，可将这些装置仪表安装在柜上方仪表门和隔离开关两侧的活动门上，而柜下方空气断路器的两侧则安装其他元器件、端子等，这样方便操作和维护检修。另外，需要强调的是，电流互感器的额定电流要在发电机最大电流的2倍左右，二次侧电流减小后对仪表和保护装置的工作会更可靠；空气断路器应选择预储能和电磁合闸，不要使用电动合闸和接触器合闸转换方式；现代并网运行发电机的零线电流，一般会达到发电机额定电流的25%～40%（特别是2台以上发电机共要变压器并网，零线电流会更大），应在配电屏的零线铝排与发电机零线连接点串接电抗器或单相400V电力电容器，将零线电流限制在30A以下，这样对各方面都有利；整个配电装置一次回路接线和铝排截面积要足够大，要尽量缩短长度，有利于节能和提高可靠性；可在配电屏内设事故照明自动投入功能，将事故照明灯分别设置在机房和配电室等；在机组旁边设置现地操作测控显示及并车灯等的箱柜，以方便操作使用。以上用分散的保护装置、自动装置来实现机组自动化管理，比现有高压机组集中统一用计算机自动控制管理方案，可节省大量投资，此综合屏的造价只比同容量机组的常规配电屏高约20%～30%，比现有厂家定型生产的低压机组一体化自动屏节省了50%以上，又更适合农村运行管理人员掌握使用，工作性能更可靠，维护检修也更方便。

9）变压器的优选。水电站的变压器一定要选用升压变，在容量选择上不要超载运行，现代的节能变压器实际使用容量在额定容量的40%左右时最节能，实际使变压器长期工作的最大容量为额定容量的80%为宜。升压站布置要力求紧凑和方便操作巡视。

10）输电线路及并网计量。输电线路要考虑节能，线径应合理加大，因为现在导线的投资占线路总投资比例较少，用小截面导线得不偿失。在防雷上，不必过分追求很低的接地电阻，关键是要做好均压等电位连接，并在升压站高压侧加装3个11k V单相对地的100～150kVAr电力电容器，或在低压侧安装3个0.4kV单相对地的15～25kVAr电力电容器，既可补偿无功又起防雷作用，能使发电机在发电运行中提高功率因数而节能。另外，并网计量箱电流变比应大些，一般额定电流要在水电站最大输送电流的1.2倍左右，这样，计量准确性和可靠性都比较好。

3 低压机组水电站的水工设计优化

1）坝、前池及进水闸门。小水电站改造时应尽量使引水坝能达到不完全日调节以上功能（或利用上游蓄水坝调节），以便使电站在枯水期间能用小机组进行间断开停机发电，以提高发电效率，有效增加发电量。现代的小水电站前池不要求太大，但应在前池装设水位传感器，结合机组微电脑控制器使用，可实现按来水量进行自动调节，有利于水电站的经济运行和多发电。前池一般可以不设进水闸门，必要时可采用铸铁闸门。低水头单机单管的应在前池分别设铸铁闸门，机端闸阀可省去不用，以节省投资。

2）压力管道。管道的管径应适当加大，以减少水头损失。管道较长且适宜采用地埋的要用复合纤维管，该管材不会结水垢，水头损失小，免维护，综合造价比钢管略低，相比钢管可提高综合经济效益。现在复合纤维管的承受压力可达到300m水头左右，管径可做成0.3～1.2m左右。

3）主机房布置及防洪排水。现代低压机组厂房的设计不能像以前那样机房和值班室共用，应把机房做得小些，水轮机安装高程和厂房高度都应适当降低，能满足安全操作空间、把防洪和排水做好即可，但应把配电室兼值班室做的较大些，地面也应适当提高，机房、配电值班室、升压站等应布置紧凑，这样可增加利用水头多发电和减少投资。

4）配电室值班室及生活区布置。容量小的水电站配电室应兼作为值班室使用，使用面积要大些，水电站容量较大的可另建值班室，可放监控电脑电视等，值班室（配电室）应有隔音通风和抽风降温设备，而生活区或宿舍应与值班室连在一起或比较靠近，以便管理。现在水电站的管理已趋于少人值守，而注重于一次性将设备及自动化搞好，以长久节省人工运行费用，人员生活区就自然减少了。

5）尾水位及尾水渠。对于冲击式水轮机组，下游尾水位不能太高，下游尾水位太高淹没了尾水坑就不能发电，在建设时应在水轮机座上设较大的通气孔，对运行很有好处。对于反击式水轮机组，尾水渠则应适当降低（厂房水轮机层也相应降低），如果尾水渠是较长涵洞时，应在厂房边的尾水渠（涵洞）上方设通气孔，否则也会影响发电运行。

4 低压机组水电站的科学管理

小水电站要搞好管理，信息化设施建设必不可少。要能及时掌握上游来水情况、本电站引水坝或水库及前池的水位、来水量等信息，就要通过安装传感器采集传送到值班室，并与水电站发电运行情况的信息，综合通过监控电脑发送到县监控中心（网站），实行信息共享，以便县电力调度部门、防汛部门及电站业主都能及时了解水电站的各种运行信息，尤其是业主能及时监控电站的各种运行情况，及时排除故障和不利因素，搞好优化运行提高效益。大田县已在20多座水电站建立了通用共用监控系统（监控中心网站），取得了较好的效果。

据调查统计，福建省有近200万kW的小水电站需要更新改造，这些水电站更新改造后，可增加装机容量约100万kW，每年可增加发电量约30亿kW·h，安全生产水平可大大提高，对搞好节能减排和环境保护工作都有重要意义。要全面搞好小水电站的更新改造，实现农村水电现代化，水行政主管部门应义不容辞承担起这个职责，采取有效措施，给予各方面指导和大力支持。对于小水电站更新改造工程的审批，应按当前相关河段的综合开发利用规划进行复核，审查是否需要改变相关水电开发规划进行改建重建，对于无需改变水电规划的水电站改造项目的审查审批应简化手续，以更新改造方案的优化论证为主。

在各水电站更新改造完成后，相关部门应根据改造工程验收情况，按新规定的小水电上网标杆电价，重新审定水电站的上网价格，以提高水电站的经济效益，使水电站实施改造的投资得到合理回报。