龟石水库电站增效扩容改造若干技术分析

张 红，麻山红

（广西贺州市龟石水利工程管理处，广西 贺州 542600）

龟石水库电站增效扩容改造若干技术分析

张 红，麻山红

（广西贺州市龟石水利工程管理处，广西 贺州 542600）

龟石水库电站1964年建成发电，机电设备运行50多年，存在设备陈旧老化，安全性能差，主要性能参数较低，运行维护困难等问题。论述了该电站增效扩容技改设计及机电设备选型。通过改造后，消除了安全隐患，多年平均发电量比现状实际发电量增加589.4万kW·h，同比提高了17％。

水电站；增效扩容；机电设备；技术分析；龟石水库

1 水库概况[1]

龟石水库位于钟山县龟石村以北的富江中游，富江为贺江上游，发源于湘桂交界的都疣山，是西江的一级支流，水库系多年调节，集雨面积1 254km2，多年平均经流9.59亿m3，总库容5.95亿m3，有效库容3.48亿m3，正常蓄水位为182m，是一座以灌溉为主集防洪、发电、城镇供水于一体的综合利用工程，属大（2）型水库。电站始建于1959年10月，1964年4月正式投入运行，电站为坝后式，装机容量4×3 000 kW，年设计发电量6 600万kW·h，年利用小时数4 562h。

2 电站存在的主要问题

电站的机电设备经过50多年的运行，已显得陈旧，加上当时设备制造水平及设计要求标准较低，相对现时标准已显得安全性能差，设备主要性能参数较低，有些设备已为淘汰产品，运行维护困难，主要体现在：

（1）发电机。发电机定子线圈虽然在1986年改造过，但至今已有30年，目前表现为定子线圈老化，绝缘开裂，测温元件失效。水轮机顶盖和控制环由于当时制造的工艺和材料的制约，经过50年的运行，设备出现了裂纹和疲劳，2#机组2006年在大修时，紧固螺栓产生较大的崩裂，使得整个顶盖报废，且1998年对水轮机转轮技改后，出力可达到45 10 kW，但由于资金问题，发电机没有同步改造，致使整套机组效益没有得充分利用。

（2）3＃号发电机励磁装置。本机装置1995年改造过，但由于控制部分无功调节波动较大，无法进行控制，经常将机组转为径向运行，一定程度影响了运行安全，且与1＃、2＃、4＃号励磁系统生产厂家及型号不同，维修不便。

（3）开关柜部分。开关柜为GG1A-10型，柜体形式陈旧属淘汰产品，柜内断路器为油式且开断电流容量小，维护困难。

（4）升压站部分。设备为20世纪60～70年代生产的DW1_35等多油断路器，隔离开关为GW2-35和GW1-10型，且龙门架等开关设备支架水泥脱落，部分钢构暴露，并产生严重的锈蚀。1＃主变是1995年产品的S7系列，是国家要求更换的系列，且主要分接头已不能调节，渗漏油严重，运行温度高，损耗大。

（5）直流系统。铅酸蓄电池为1994年的产品，占地多维护工程量大，且电池出线头已经严重老化，经常出现由于出线头断裂直流电源消失，导致全厂停运，严重威胁机组安全。

（6）监控保护系统。监控系统为控制台加返回屏模式，保护为许继电气1989年产品，装置维护工作量大，调试时间长，元件特性不稳定，由于使用年限长，部分零配件很难买到，且保护误动率大，不利于安全运行。

水电站经多年运行，机电设备技术陈旧、老化严重，严重影响了发供电安全生产，为消除安全隐患，提高生产效率，增加发电效益，亟需对水电站进行增效扩容改造。

3 水电站增效扩容技改设计及机电设备选型

3.1 水电站增效扩容技改思路

根据本电站机电设备陈旧落后的实际情况，在不改变电站引水、压力管道的情况下，通过更换发电机定子以达到增效扩容的目的。同时全面更换机电设备老化产品，以提高电站的运行水平，保证发供电安全。

3.2 水电站增效扩容技改的确定和选择

根据水利部《关于印发农村水电增效扩容改造项目机电设备选用指导意见》，结合电站实际情况进行设备选择。

（1）发电机定子。针对发电机定子磁性变差及线圈老化问题，在发电机转子不改变的情况下，将定子铁芯和线圈全部更换，定子铁芯采用高导磁率、低损耗、无时数机械性能优良的优质冷轧薄硅钢片叠成，且铁芯单位损耗不应大于1.2 W/kg。并且增大定子线圈线径截面，提高线圈绝缘等级，使其达到F级绝缘等级，发电机定子线圈改造后，可充分发挥水轮机转轮的最大出力，提高机组效率及水能利用系数。

（2）10（6）kV配电装置。设备全部为铠装移开式金属封闭开关柜，户内布置，选用KYN28A-12（2）型，柜内装置极柱固封手车式真空断路器，开关柜额定电压12（7.2）kV，额定电流1 600 A和630 A，额定动稳定电流100 kA，开关柜配弹簧操作机构，外壳保护等级为IP4X，运行更安全。

（3）35 V配电装置。采用户内铠装型移开式金属封闭开关柜，型号为KYN61-40.5型，柜内装置真空断路器为极柱固封手车式真空断路器，开关柜额定电压40.5 kV，额定电流1 250 A，额定动稳定电流63 kA，整柜电气性能比原户外敞开式设备有明显提高，且操作维护简单方便，运行更安全。

（4）主变压器。1＃号主变压器是1995年产品，型号为SFS7-8000／35／10／6容量8000kVA，而2＃号主变压器型号为SFS-12500kVA／35／10／6容量为12 500 kVA，由于1＃号主变压器与原2＃号主变压器容量不匹配，在2～3台机组运行且供电负荷不平衡情况下，会出现一台主变压器上网，一台主变压器倒供（计量在两台主变出口）以及原主变运行温度损耗高等问题，将1＃号主变更换为与2＃号主变相近的变压器，型号为SFS11-12500/35/10/6型节能三圈变压器，更换后变损可降低20％以上，且可以解决因容量不匹配造成的一台上网一台倒供的问题。

（5）监控保护系统。按照“无人值班，少人值守”的模式，采用技术成熟运行稳定可靠的测控保护一体化式微机综合自动化监控系统，微机综合自动化系统为分层分布式结构，全面监控全站设备运行，实时反映设备工况，运行数据记录、事件记录报警、数据上传等，从而保证机组高效运行，降低工人劳动强度，改善工作环境。

4 调速器选型计算

4.1 发电机组的参数

发电机组和原有调速器及设计参数见表1。

表1 电机组参数表

4.2 水轮机所需调速功计算

根据经验公式：水轮机调速功Wg＝（20-25）×Qr×（Hmax×Dr）0.5

计算结论：根据估算结果和水轮机调速器系列型谱规定，考虑调速功变量，选取调速功率为3000kg·m。

4.3 接力器容积计算

根据国标《水轮机控制系统技术条件》4.5.1项规定，最低操作压力PR（MPa）根据要求的接力器调速功率和所用的接力器容积V（m3），求得：

4.4 油压装置选型计算

4.4.1 油压装置压力罐选型计算

油压装置的压力罐容量选型实际上是确定压力容器的容积，压力容器的容量计算方法是根据《水轮机控制系统技术条件》4.5.2项规定，压力油罐可用油体积，在正常工作油压下限和油泵不打油时，压力罐容积至少应能在压力下降不超过正常工作油压下限和最低操作油压之差的条件下提供规定的各接力器行程数，对混流式水轮机为3个接力器行程，也就是说压力罐的可用油容积Vu应满足下列要求Vu≥3V（V――接力器总容积），则可用油容积应为

最终取Vu＝10 L

4.4.2 计算压力罐容量

（1）根据绝热过程方程PVK＝C（常数），调速器在运行过程中，压力罐内的压缩空气既不是按等温规律变化，也不是按绝热规律变化，而是介于二者之间的中间状态变化。

根据经验一般取指数K＝1.25～1.4之间，故取1.3

根据工作油压的上限Pmax＝16MPa

工作油压的下限Pomin＝14MPa

最低操作油压PR＝10.5MPa

由公式：PominVair＝PR（Vair+Vu）K

其中：Vair为工作油压下限Pomin时的气体容积

Vu为可用油体积

计算得Vair＝45.45 L

最低工作油压时气体容积VRair＝Vair+Vu

＝45.45+10

＝55.45 L

（2）压力罐容积计算。根据《水轮机控制系统技术条件》4.5.3项规定，在正常工作油压上限，非隔离式压力罐内油和空气体积比通常为1/3～1/2，高压隔离式压力罐内预充压力为0.9PR，罐内气体容积即所需蓄能罐容积VH为：

按《水轮机调速器及油压装置系列型谱》选择系列标准，蓄能罐样本及预留一定余量可选2×40 L。

4.4.3 油压装置油泵电机选型

（1）根据《水轮机控制系统技术条件》4.5.4项规定，每台泵每分钟的输油量不大于接力器容积的0.65倍。

（2）正常工作油压上限时的蓄能器氮气体积Vair-max为：

油泵将油压从正常工作油压下限打致正常油压上限的时间为30s～60s，即油泵输油量Q

根据机械油泵样本的选型标准,选取8.5 L/min的油泵,按电机选型选取3 kW的电机。

4.5 内置式和外置式接力器的选择

（1）内置式接力器。接力器的少量漏油直接进入回油箱中，避免环境污染和操作油损失，解决水轮机组旁安装空间较少，调节通过调速轴传递，接力器在回油箱内，受横向力作用，必须增加回油箱的强度。

（2）外置式接力器。由于接力器不在回油箱内，回油箱内不受横向力作用，回油箱尺寸和强度相比内置式减少，安装固定简单，油压装置可根据厂房布置安装在较合理、美观的位置，调速直接由外接力器传递，减少调速轴，且外置接力器直接观察检修接力器。缺点是外置接力器需增加固定支架，且接力器必须通过高压油管与回油箱连接。

（3）根据内置和外置接力器的优、缺点，结合水轮机组处的位置，采用外置式调速器，增加一套支架将原水轮机组的控制环推拉杆与高压接力器固定连接即可，调速器控制柜安装在油压装置回油箱上，整体安装在原调速器位置上，接力器通过高压油管与回油箱联接。

（4）龟石水库电站采用调速功为3 000kg·m，蓄能器容积为2×40 L，油泵为8.5 L/min，电机为3 kW，工作油压为16MPa，外置式调速器。技改后调速器经过半年的使用试行，各项技术指标都达到设计要求，调速器改造达到预期的目标。

5 电站增效扩容改造效益

电站通过改造后，淘汰落后技术和设备，解决了电站在生产过程中的安全隐患，实现了电站的自动化管理，改造后，多年平均发电量比现状实际发电量增加589.4万kW·h,同比提高了17％，显著增加了电站的经济效益。目前电站增效扩容改造已完成,各改造设备运行良好,每台机组发电功率都达3 750 kW以上,且自动化程度大大提高，实现少人值班，同时减轻生产人员的劳动强度，大大的提高了劳动效率。电站增效扩容改造达到了预期的目的。

通过水电站增效扩容改造，电站由原来的12 000 kW增容至14 400 kW，增容量为2 400 kW。并进行设备技术改造和自动化控制改造，水电站改造前后主要特性见表2。

表2 水电站技改前后主要特性表

6 结语

广西贺州龟石水库电站增效扩容改造方案和机电设备的选型，依据水利部《农村水电增效扩容改造项目机电设备选用指导意见》，结合电站现场实际情况，确保了农村水电增效扩容改造项目设备选用的质量和效果，淘汰落后的技术和设备，提高了综合能效，促进安全生产，实现了电站增效扩容改造目标。

[1] 广西梧州水利水电设计院.广西贺州龟石水库电站增效扩容改造初步设计[R].梧州：广西梧州水利水电设计院，2012.

（责任编辑：刘征湛）

Efficiency and capacity upgrade of hydropower station at Guishi Reservoir

ZHANG Hong,MA Shan-hong
（Guishi Water Engineering Administration Department,Hezhou 542600,China）

The hydropower station at Guishi Reservoir was put into operation in 1964.After operating for more than 50 years,it’s mech-electrical equipment were aged with poor safety performance,low-level parameters,rendering much difficulties for operation and maintenance.A discussion was made on the design of efficiency and capacity upgrade as well as the selection of mech-electrical equipment.After the upgrade,hidden safety trouble was eliminated,the mean annual power output increases by 5.894×106kW·h,corresponding to a rise of 17％.

Hydropower station;efficiency and capacity upgrade;mech-electrical equipment;technical analysis;Guishi Reservoir

TV734

B

1003-1510（2016）04-0080-04

2016-06-12

张 红（1969-）男，云南昆明人，广西贺州市龟石水利工程管理处工程师，主要从事水电站发电设备维护管理工作。