柳塘水库坝后电站机电设备改造方案分析

蒋明星

（福建省尤溪县柳塘水库管理处 三明市 365100）

柳塘水库坝后电站机电设备改造方案分析

蒋明星

（福建省尤溪县柳塘水库管理处 三明市 365100）

柳塘水库坝后式电站是20世纪70年代末兴建的小水电站，至现已运行了40余年，该电站的建筑物、机电设备和金属结构不同程度的老化，严重影响机组出力和安全运行。为了提高水能利用率和经济发展，文章通过对电站存在问题的分析及改造必要性，提出一系列改造措施，确保电站安全运行，发挥最大经济效益。

小水电站 自动化增容 改造分析

1 工程概况

柳塘水库位于尤溪县管前镇柳塘村，1977年9月动工兴建，大坝为粘土心墙土石混合坝，是一座防洪、灌溉、发电、养鱼等综合利用的重要中型水库工程。坝址以上集雨面积100 km2，最大坝高43.6 m，坝长250 m，校核洪水位584.10 m，总库容4 400万m3，设计洪水位582.85 m，相应库容4 110万m3，正常高水位582.80 m，相应库容4 099万m3。柳塘水库坝后电站作为配套项目，其总装机1 400 kW，1#机组HL220-WJ-50水轮机配发电机TSWN99/37-6，装机容量为500 kW；2#机组HL220-WJ-50水轮机配发电机TSWN99/46-8，装机容量为500 kW。3#机组HL240-WJ-50水轮机配发电机TSWN99/46-8，装机容量为400 kW。为充分利用水资源，1995年对3#机组改造，HL240-WJ-60水轮机配发电机SFW630-10/1180，装机容量为630 kW。至此电站总装机容量为1 630 kW。建成投产后，机组运行正常，各项技术经济指标基本能达到设计水平，但随着时间的推移，该水电站的构筑物、机电设备和金属结构不同程度的老化失修，严重影响机组出力和安全运行。特别是近几年来，运行情况每况愈下，严重威胁设备和人生安全。

2 改造必要性

柳塘水库坝后电站自运行以来，其中丰水期有12年从溢洪道泄水，弃水较多，为充分利用水能资源，发挥该站的经济效益，可以适当增加该站的装机容量。电站的发电厂房年久失修，墙体的内外粉饰层脱落严重，部分墙体脱落，地面不平整。6 kV高压柜与继电保护屏和中控台混装在同一室内，且屋顶为易燃的木质天花板，一旦高压设备爆炸发生火灾，后果不可想象。水轮机为20世纪70年代产品,其效率远低于目前水轮机，同时设备磨损严重，各部位都有不同程度的漏水。进水主阀是Z944H-10/DN1000的手、电动操作闸阀，主阀关闭状态有漏水现象，三个进水闸阀操作费力、不可靠，不能达到微机监控、操作的要求。机电设备检测用2 500 V MΩ表检测转子绝缘电阻值仅0.5 MΩ，定子绝缘仅2 MΩ，且吸收比为 1.25，明显小于《电力设备预防性试验规程》DL/T 596-2005所规定的要求（吸收比大于1.3），很明显设备已严重老化，存在安全隐患。可控硅励磁装置，设备陈旧，调节性能差，更达不到微机监控、操作的要求。主变是高耗能的SL铝芯变压器，能耗高、效率低，现已被国家列入淘汰产品目录，原建设时没有主变压器储油坑及排油管道等设施，给运行、维护和管理留下安全隐患。敞开式的GG-1A开关柜，不具备“五防”条件；断路器为SN10-10少油开关存在断流容量小、漏油严重等问题；厂变为SJ型高耗能变压器，能耗高、效率低；电力电缆为ZLQD3铝芯纸绝缘不滴流电缆，使用时间长绝缘老化。35 kV断路器采用DW1-35多油开关，漏油严重、可靠性低；电站的防雷接地保护网腐烂，无法保障电站的设备运行安全和人员的人身安全；电站的上网计量装置陈旧老化，计量误差大，影响电站的效益。电站现有直流系统设备老化、可靠性差，监控仪表精度差，控制设备和保护装置陈旧、自动化程度低，继电保护落后、动作不灵敏，运行的安全性和可靠性达不到要求；现有载波设备落后，不能适应微机通信要求。

3 改造方案

针对电站存在诸多问题，根据实地情况，对发电厂房及机电设备进行改造。对墙体进行加固和整修，厂房地面用大理石铺设。在主厂房右侧空地新建一间中控室，布置该站的控制保护设备，中控室地面高程与主厂房相同。在机电设备改造方面，主要包括以下内容：

（1）水轮机。要解决水轮机存在的问题，首先是水轮机选型要合理，充分利用水资源，选择过流恰当且效率高的水轮机，以改变原水轮机设计水头单一造成效率低及老化的现状，同时应考虑原引水道过流能力和厂房尺寸要求，尽量利用原机座及尾水部分。通过水力计算，水轮机参数要求：最大工作水头39.85 m，最小工作水头16.0 m，额定水头30.8 m，额定流量7.23 m3/s。坝后电站是低水头有水库调节的电站，工作水头范围（20～40）m，根据国内对该水头段及流量机组机型分析及运行经验来看，采用反击式水轮机能满足要求。鉴于电站是增效扩容改造工程，考虑节省工程投资，机型选择应充分利用原机型的基础部分，减少机组基础工程的投资。通过方案对比，推荐采用混流式 （HLA551）机型和混流式（HL240）机型。电站原安装机组3台，为减少不必要的厂房投资，电站增效扩容改造工程装机3台，根据电站水头和流量，选择混流式（HLA551）机型2台和（HL240）机型1台，单机容量630 kW和500 kW。在混流式机组安装时，需保证进水口及尾水管出口的淹没深度≥0.5 m的要求。

（2）辅助设备。柳塘水库坝后电站调速设备选用YWT-300微机调速器，可实现自动调节、自动控制、监视和修改、诊断与容错、远程通讯以及调试实验功能。供水排水系统由于电站是低水头电站，技术供水主要是机组轴承冷却用水及检修用水，用水量较小，故技术供水直接取自压力管供水经减压阀减压后就能达到技术供水压力要求。压缩气系统的中压气系统因调速器油泵已考虑自动补气，不需专设中压气系统，低压气主要是供给机组制动及检修等用气，低压气系统设置2台W-2/8型低压空压机，互为备用。供水水头测量电站直接取自水库，水库水位变化范围大，水库水位测量用KH807水位变送器，变送器安装在机组技术供水总管和各轴承冷却水进口或出口进行压力测量，其数字由相应的压力表或压力变送器进行现地显示或远送，信号均传至上位机。

（3）电气。柳塘水库坝后站安装3台卧式低压机组，总装机为1 760 kW，机组出口电压为0.4 kV，3台机组按单母线不分段并列运行，电能经1台主变升压到38.5 kV，主变型号为S11—2500/38.5-0.4。0.4 kV侧发电机出口及近区变采用GGD2低压配电屏，配SEW1低压智能型断路器，采用电缆出线，将二次测量、控制保护与一次设备同组一屏，做到简单紧凑一体化。在近区变低压配电屏上安装厂用电开关，电源取自汇流主母线，作为坝后站厂用电的工作电源。电站技改工程电气主结线，具有接线简单清晰，设备先进节能，运行灵活，维护方便的优点。根据发电机存在问题，改造后：1#机型号为SFW630-8/ 990；2#机型号为SFW500-10/990。机组采用无刷励磁系统，其励磁调节装置具有微机通信功能和配有RS485通讯口，实现励磁装置与后台监控系统的通信。更新主变压器，采用M7.5水泥砂浆砌MU40条石复建变压器油坑、排油沟、变压器墩。技改后，发电机出口电压为0.4 kV，配电装置采用GGD低压配电屏，配用SEW1低压智能型断路器，取代原GG-1A开关柜和SN10-10少油断路器，提高装置的可靠性和安全性。母线采用2TMY-125×10铜排，发电机出口和主变低压侧采用2YJV-1交联聚氯乙烯铜芯电缆出线，主变低压侧采用2TMY-125×10铜排，降低设备与导体之间的接触电阻，避免接触面发热，减少电能损耗。

（4）防雷接地。过电压保护及接地按《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则》（DL/T 5090-1999）、《水力发电厂接地设计技术导则》（DL/ T 5091-1999）的有关规定设计。发电机中性点和主变低压中性点直接接地，35 kV线路侧以及35 kV母线安装氧化锌避雷器，升压开关站设独立的避雷针防止电气设备遭雷电袭击。升压站内设置均压网，采用高阻率材料铺面，以降低跨步电压。主厂房为木头屋顶，副厂房利用其屋面板钢筋及其引下线与全厂接地装置连接，以保护建筑物。全厂接地设计充分利用现有接地体，同时再补充设置一定数量的新人工接地体，接地电阻值要求小于1 Ω，所有电气设备均应按规程要求可靠接地。

（5）电气二次设备。本技改工程租用电信光缆，实现与县调及其他计算机系统之间的通讯，传递各种事件信息，接受下行命令对设备进行监控，所有传送信息的变化响应时间≤2 s，SOE分辨率≤2 ms。计算机监控系统全系统年可用率不得低于99.96%，考核系统可用性的计算表达式为：

式中 A——可用性；

可使用时间=考核（试验）时间；

h——维修停机时间（h）。

通信电源由厂用电和直流提供，正常时采用厂用交流电，当交流电源消失时，切换到直流电源。为了满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求，本着“经济实用、简单可靠、技术先进、便于扩展”的原则设置计算机监控系统，采用先进成熟的硬件、软件及网络技术，能够与调速器、励磁、同期装置、保护和低压智能开关等厂内智能设备进行通信，并预留远方调度接口，以便实现远动、遥信及遥测。具有数据采集和处理，实时控制和调节，安全运行监视及事故报警，屏幕显示事故处理指导和恢复指导，语音报警，统计与制表，数据通信，键盘操作，电站设备运行维护管理，系统自诊断与冗余切换，软件开发及培训仿真系统等基本功能；实现对机组开、停、运转以及增减负荷等自动控制的基本要求；对全厂的主要电量、非电量、状态量等进行实时监控，自动巡检、自动打印各种报表、事故记录和显示各种状态等功能。从而达到全自动化管理水平，达到少人值守的要求。

（6）送出设备。柳塘水库坝后站主变及开关站布置在主厂房的后侧，35 kV配电装置为户外中型布置，升压站占地面积（32×25）m2。现有35 kV断路器采用DW1-35多油开关，漏油严重、可靠性低；由于运行年限较长，电站的防雷接地保护网腐烂，无法保障电站的设备运行安全和人员的人身安全；电站的上网计量装置陈旧老化，计量误差大，影响电站的效益。改造后，35 kV配电装置仍为户外中型布置，采用 ZW38-40.5/2000户外真空断路器，取代原DW1-35/600多油断路器，采用GW5（A）-40.5/630隔离开关取代原GW5-35/600隔离刀闸，采用JDJJF2-35电压互感器取代JDJJ2-35电压互感器，提高测量与计量的精确度。同时补建变压器储油坑和排油管道，确保安全。主变高压侧和线路35 kV断路器采ZW38-40.5/2000高架型瓷柱式户外高压真空断路器，ZW38-40.5/2000断路器是三相交流50 Hz的高压开关设备，配CT19-IVB型弹簧储能操动机构，可以远控电动储能、电动分、合闸操作，也可就地手动储能、手动分、合闸操作，操作电压选用直流220 V。该断路器采用陶瓷外壳的真空灭弧室，灭弧室放在内充0.02/0.2 MPa的 SF6气体20℃的瓷套内，可以避免受外界环境的影响，无油、抗污染、抗凝露，开断电流大，电寿命长。在额定电压下连续开断31.5 kA短路电流可达20次，额定电流2 000 A，能满足系统短路电流的要求。机械可靠性优越，机械寿命达10 000次，能频繁操作。

4 结论

随着社会经济的快速发展，用电负荷增长较快，供用电矛盾日益突出，电力已成为制约地方社会经济发展的瓶颈，为了更好地开发和利用水能资源，合理调度水资源，对柳塘水库坝后电站自动化增效扩容改造，有利于节能利用，安全运行；有利于地方经济发展；有利于增强水库经济实力。同时，能缓解电网供需矛盾，保障生产生活用电需求，推动水利产业化发展进程。

[1]水利部.农村水电增效扩容改造项目初步设计指导意见[R].

[2]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[R].

[3]GB/T 50700-2011.小型水电站技术改造规范[S].

[4]SL 179-2011.小型水电站初步设计报告编制规程[R].

2016-12-23）

蒋明星（1971-）男，福建尤溪人，大学本科，工程师，研究方向方向：水利水电工程。