沙集泵站增效扩容改造技术方案探讨

王 丽，莫兆祥

(1.江苏省淮安市水利勘测设计研究院有限公司，223001，淮安；2.江苏省骆运水利工程管理处，223800，宿迁)

一、工程概况

沙集泵站位于江苏省睢宁县沙集镇南约2km处的徐洪河上，其下游和相距72km的洪泽湖相通，主要承担灌溉、航运、环保及调节骆马湖水位等作用，当骆马湖地区排泄涝水时，可以通过徐洪河经沙集闸排泄，此时泵站可利用上游来水通过泵站同步电动机组倒转发电并网。

沙集站发电装机容量2 000 kW，共装设5台立式机组，单机流量10 m3/s，设计水头9.5 m，电站两侧布置设计流量为200 m3/s的节制闸，全部工程按Ⅰ级水工建筑物设计，抗震标准按9度地震烈度设防。沙集站站身为堤身式块基型结构，出水流道采用肘形管道，进出水流道采用平直管，快速门断流，进水流道进口设置检修闸门。该站设计水位组合：上游21.5 m，下游12.0 m。

二、机组发电效率测试及改造缘由

2007年9月20日，选择相对理想的运行条件下对泵站发电效率进行了测试，发电水头为6.24 m，以沙集站#4和#5机组发电数据测试为例，机组效率计算公式为：

经测算，#4和#5机组效率分别为33.5%和 33.8%（表1）。

从实际测试数据来看，相对于水轮机工况而言，沙集泵站直接倒转发电效率较低。

由于沙集泵站上下游水位差较大，正常在6.30 m左右，机组飞逸转速较高，所以该泵站是利用同步电动机组直接倒转并网发电，继电保护上设有过频、过压保护，以防止飞车损害设备。对于沙集站这种肘形出进水流道、直管进出水流道、导叶式混流泵机组装置而言，这种直接倒转方式投入小、见效快，但发电效率较低，实际测算仅33%左右，远低于一般小水轮发电机组的发电效率，而且发电功率受上下游水位变化影响和限制较大，河道废弃水资源没有得到很好地开发利用，需要进行增效扩容改造。

三、改造技术方案分析比选

影响沙集站发电效率的主要原因是相对水轮机工况发电时的水头较低，要提高发电效率必须降低电机转速。技术上主要有以下几种方案:

①更换成变极电动机降速。但因变极电机尺寸较现在的2150机座号偏大，而且沙集站的土建工程已经建成，机坑尺寸已固定，因此电机变极方案难以实现。

②利用机械变频机组进行变频。购置极数、频率不同的两台卧式电机，同轴连接。其中一台电动机接电网侧，工作在发电机状态，在50Hz工频下运行；另一台电动机在低于工频的某一频率，产生一个低频小电网，带动同步机组倒转发电，从而将水泵机组由额定转速降低至相应的发电转速，从而提高发电效率。这种方式在刘老涧站、泗阳站都有成功的运用经验。

③利用电子变频器进行调节，改变电机的转速。目前国产变频器大都是两相象或三相象变频器，没有能量回馈功能，功率方向只正向输出功率。美国AB700PowerFlex700交流变频器采用电流型变频器，是真正的高—高四相象变频器，主要用于控制三相感应电动机，从最简单的速度控制到最苛刻的转矩控制，满足应用系统的要求。

三种方案的优缺点分析见表2。

表1 #4、#5机组发电效率测试成果表

通过上述几种方案比选，结合沙集站实际情况，拟优先选用机械变频法，即利用变频机组进行发电技术改造，虽一次性投入较大，但只要变频机组选型合理，即可获得较高的发电效率和发电收益。

四、改造的关键技术难点

1.频率选择

该泵站机组的抽水额定转速是300 rpm，在水轮机不更换的情况下，按相似定律，转速平方与发电水头成正比，要使发电在高效区运行，须降低水轮机的转速。为正确选择发电时最佳转速，2008年11月27日对沙集站进行了降速测试，结果见表3。采用变频机组发电时，#3机组效率为76%。

从试验中可以看出,在毛水头6.2m时,发电功率最大时的转速为234～252 rpm/min之间，相应电机极数为26极 （230 rpm/min）至 24极 （250 rpm/min）之间。经查有关水轮机资料，水头在6.2 m左右的水轮机的转速也在250 rpm/min以下，试验的结论和水轮发电机是吻合的。

2.接线方式调整

原泵站主接线设计为抽水工况，因增加变频发电机组，原有接线已无法实现抽水、发电两种工况切换，须调整，虚线框内为本次增加部分设备。

沙集站原厂房高压开关室设备布置共安装有6 kV进线柜、站变开关柜、电压互感器柜、电容器避雷器柜以及含5台主机高压开关柜在内的9只高压开关柜，柜顶采用母排硬连接。本次增设变频发电机组后，因原6 kV开关室预留的安全距离不能满足开关柜扩展需要，且柜顶采用母排硬连接，需要进行接线调整，详细方案如下：①原6 kV进线开关改为两段母线联络开关；②原站变高压开关改为变频电动机开关；③在变频机房布置6 kV进线柜、站变高压开关柜、电压互感器柜、变频发电机开关柜、6kV出线柜。

表3 #3机组发电转速和转速关系表（水位差6.2m）

五、效益预期

自2003年8月正式投入发电运行以来，沙集泵站积极利用徐洪河行洪弃水开发水力发电，创造了可观的经济效益，对2003—2011年发电运行数据统计，年平均发电340.4万kWh，机组年平均运行14 183.3台时（按照单台机组平均出力240 kW）。经测试进行降低转速后，每台机发电功率增加约100 kW，全站共增加发电功率500 kW。考虑变频机组等相关设备消耗电量约40 kW，改造后泵站年均发电量可增至470.9万kWh，相当于火电厂燃烧578.7 t标准煤产生的电量，无论是经济效益还是社会效益均比较显著。

六、结 语

小水电是可再生的清洁能源，既可以充分开发利用废弃的洪水资源，又可以在一定程度上缓解当前国家电力能源紧张，还具有低碳环保社会化效益，值得推广。当前，国家正在积极开展农村水电增效扩容改造，从政策和资金上扶持小水电产业，发展前景广阔。沙集泵站积极开展发电技术研究，充分挖掘水力资源开发利用率，通过改造不但可以提高发电效率，更为同类泵站进行水力发电开发提供了借鉴，值得推广。

[1]张承慧.交流电机变频调速及其应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]储训.大型泵站建设和更新改造对策[M].南京：河海大学出版社,2000.

[3]陈振斌.小水电[M].南京：河海大学出版社,2000.

[4]泵站设计规范（GB/T 50265—2010）[S].2010.