水电站现存问题与增效扩容设计方案

徐景金

龙门县水利水电勘测设计室 广东龙门 516800

摘要：对老化的水电站进行增效扩容改造后，能提高水电站的自动化程度和生产效率。本文分析了某电站的情况，该电站设备严重老化，自动化程度低，生产效率低下，安全性低，通过制定和实施有效的增效扩容改造方案之后，有效地利用水资源，提高安全性能，提高发电效率。

关键词：水电站；存在问题；增效扩容；改造方案

0 引言

随着我国经济的飞速发展，各地的水电站兴建项目越来越多，为城市的人们提供着每日必需的能源，成为了城市运作的重要组成部分。但是，由于一些水电站年久失修，出现了例如设备老化、生产效率低下、安全隐患大等的缺点，严重影响了水电站的正常运行。如何解决这些问题成为了人们处理的工作。下面以某水电站为例进行讨论。

1电站概况

某水库电站为坝后式电站，是该地水库主体工程的重要组成部分，于1976年正式建成发电，现有机组3台，总装机容量7030kW，设计年发电量1450万kW·h；其中2台立式机组单机装机容量3200kW，发电设计水头30.5m，最大水头43m，最小水头24.4m，发电设计流量12.6m3/s，水轮机型号为HL240-LJ-140，发电机型号为TS325-36-20。另一台机组为装机容量630kW的卧式机组，发电设计水头26.3m，最大水头36m，最小水头16m，设计流量3.21m3/s，水轮机型号为HL240-WJ-71，发电机型号为SFW630-12-1430。3台机组经由1条3.8km的66kV线路并入电网。

由于当时的建设条件及其他诸多原因，建成后所实现的经济指标与设计值相比尚有一定差距，平均年发电量仅占设计值的63%，因此该电站增效改造的潜力很大。

2电站现状及存在的问题

2.1机组老化，发电量低

（1）电站实际装机容量比根据水文、水能参数确定的装机容量小10%，主要是因为20世纪80年代以前，水轮发电机组产品定型生产，规格品种较少，设计选型是套用现成机型，所以很难满足电站实际需要。电站由于径流资料参数的改变，原设计选用的水轮发电机组已不适应改变了的水力参数，机组技术指标低、效率低。

（2）机型老化，转轮效率低。该水库电站的水轮机转轮是参照美国和苏联早期的技术参数，其能量和空蚀指标低，一般制造厂提供的设计点的真机效率最高只有84%～85%，比现在生产的机组效率至少低10个百分点，应该抓紧更新改造。

（3）机组運行区严重偏离转轮最优工况，空蚀严重、效率低。主要是因为当时定型产品规格少，不能满足一些电站需要，造成机组选型不当；机组转速档次大，又没有合适的增速装置，勉强使用，致使机组空蚀严重、效率低、振动噪音大。机组只能发到额定出力的60%～70%。

（4）制造工艺落后、质量差。水轮机转轮大多采用铸造工艺，其结构简单，叶片线型误差大，加工粗糙，光洁度差，造成水流脱流，引起机组振动、空蚀、效率降低，转轮效率仅在70%左右。

2.2自动化程度低

（1）快速检修阀门存在的问题。2台机组蝴蝶阀开启及关闭速度慢，对机组保护不足，设备多，占用空间大。运行过程中，出现过因旁通阀无法打开而造成蝴蝶阀无法开启的故障，影响了机组发电及农灌时间。1号蝴蝶阀环形接力器还存在漏油的现象。3号蝴蝶阀为电动阀，当遇厂内失去电力时，无法关闭，是重大安全隐患。

（2）励磁系统存在的问题。目前1、2号机组采用直流励磁机励磁方式，励磁调节装置为电磁式相复励装置，励磁机为旋转设备，故障几率高，整流子磨损严重，电刷火花等级高，加大了检修工作。

（3）调速器存在的问题。3台调速器均为机械式调速器，调速功能简单，无法与自动化监控系统匹配。

（4）保护装置存在的问题。现保护装置均为老式的电磁式继电器，且多为1974年的产品，使用时间久，同型号产品已经在市场上淘汰，继电器本身已经达不到对继电保护的可靠性及灵敏性要求。

2.3其他问题

（1）现电站电缆使用年限已近40a，电缆布局不合理，老化严重，无必要的阻燃措施，安全隐患极大，需更换。

（2）现电站起重机大小车滑道均为裸露滑道，限位开关及刹车制动不灵敏，已经被技术监督部门检测为不合格产品，现已停用，应进行更新改造。

（3）电站送出线路为66kV电压等级，于1972年架设，目前所用的陶瓷横担已经淘汰，部分电杆有裂纹、混凝土脱落等现象；且原线路有部分区域无避雷线，线路雷击故障经常造成机组事故停机，需改造为全程避雷线的线路。

3改造内容

更换3台机组压力钢管，更换3台机组进水主阀，更换2号机组转轮，更换3号机组转轮，更换3台机组励磁系统，更换3台机组调速系统；增设微机自动化控制系统，发电机、变压器保护系统改造，厂内直流系统改造，厂内高、低压开关改造，主厂房桥式起重机改造，配套电网改造。

4改造方案

4.1水轮机改造

本次增效改造采用适合该电站流道和发电机转速的新型高效不锈钢转轮，2号水轮机效率由84%提高至93%，机组综合效率由82.8%提高至88.8%。3号水轮机效率由76%提高至89%。

4.2调速器改造

1、2、3号机组配备的调速器更换为高油压微机调速器，新调速器能够保证机组在空载、孤网及并网运行工况下稳定运行，具有手动及自动开停机、增减负荷及带负荷运行等功能；并网后能根据永态转差率与频差自动调整出力，可无条件、无扰动地进行自动和手动的相互切换，能采集并显示机频、网频、接力器开度、手动、自动等主要参数及运行状态，并能根据需要现地在线整定调速器的运行参数。电气故障时，能自动地切换为手动工况，并发出故障报警信号，同时保持当前负荷。

4.3蝴蝶阀改造

1、2、3号水轮机组进口蝴蝶阀直径不变，改为液压控制缓闭止回蝶阀。在原有蝶阀的基础上，配置可靠的液压重锤，且机、电、液系统集成为一个整体，减少占地面积及基建投资。它的电液控制功能齐全，无需再配置控制柜，即可以作为1个独立的系统单机就地调试、控制；与电站计算机监控系统联接，可以作为集散性控制系统的1个设备单元，通过I/O通道由上位机集中管理，与水轮机、旁通阀及其他管道设备实现联动操作。为了在失电时紧急关闭，配有手动功能，可实现手动开、关阀，满足特殊工况下的阀门调试、控制要求。<1750蝶阀，全开工况下，阻力系数小于0.15；<1000蝶阀，全开工况下，阻力系数小于0.20。

4.4起重机改造

为了便于机组及辅助设备的安装检修吊装，在1、2号主厂房内设有双钩慢速桥式起重机1台，起重量主钩为30t，副钩为5t。在3号机厂房内设有电动葫芦1台。由专业起重设备厂家对电站桥式起重机进行更换、保养、维修、校正、加固等大修项目工作。

4.5直流系统改造

全厂操作电源采用直流220V/300Ah系统，直流系统更换为免维护电池组，包括充电屏、电池屏和馈电屏，供全厂操作、保护、信号及自动装置，事故照明等直流供电。电站蓄电池（容量300Ah）为免维护铝酸蓄电池，充电装置采用智能高频开关电源，采用/N+10充电模式。

4.6综合自动化改造

4.6.1微机监控系统

该电站计算机监控系统采用全分布开放式的全厂集中监控方案，设有负责完成全厂集中监控任务的电站控制系统及负责完成机组、开关站公用设备监控任务的现地控制系统。现地控制系统以可编程控制器为核心构成，现地控制系统的设备靠近被控对象布置。主控级和现地控制单元级经100Mbps總线相连（见图1）。

图1 计算机监控系统结构示意图

4.6.2机电控制保护系统

（1）发电机保护。发电机保护配置DMP320C1F（发电机差动保护单元）、DMP321C1F（发电机后备保护单元）构成发电机的全部保护。实施纵联差动保护、失磁保护、复合电压启动过流保护、负序过流保护、过电压保护、过负荷保护、定子接地保护、转子回路一点接地保护、电压互感器二次回路断线保护、差动回路断线保护、故障录波等保护功能。

（2）主变压器保护。变压器保护配置DMP320C1B（主变差动保护单元）、DMP321C1B（主变后备保护单元）构成变压器的全部保护。实施纵联差动保护、差动速断保护、瓦斯保护、中性点零序电流保护、间隙零序电流电压保护、主变压器过负荷保护、主变压器温度保护、主变油压力释放保护、故障录波等保护功能。

（3）66kV线路保护。线路保护主要实施反时限过流保护、过负荷保护、过电压保护、小电流接地告警、低频减载等保护功能。

4.6.3电缆及高压开关柜改造

现电站内所用高压开关均为少油断路器，此种型号断路器所需检修工作量大，事故跳闸4次之后就需要更换开关油，动静触指容易有电弧烧损，密封部件老化之后容易出现渗漏油情况，且操动机构也容易出现故障。为更好与自动监控系统匹配，本次改造为储能型空气开关并重新制作电缆桥架，更换电缆，做好阻燃设施。

4.7励磁系统改造

电站微机励磁系统采用双微机、双功率通道自并励静止励磁系统，该装置采用工业用微机构成嵌入式系统，可方便地实现单微机、双微机、多微机框架结构。

5结语

总的来说，对老化的水电站进行增效扩容改造是对现有水能资源进行更合理有效地利用，可达到消除安全隐患，提高水电站的发电效率，保护生态环境的目的。我们对电站增效扩容改造，不是简单更换原有设备，而是对水电站进行再创造的过程，改造方案要进行综合分析，要针对电站的实际情况，合理确定合适的改造方案。

参考文献：

[1]黄源芳.水电机组修复与现代化改造[M].武汉：长江出版社，2008.

[2]陈锡芳.水轮发电机组改造增容与优化运行[M].北京：中国水利水电出版社，2010.