(天台县龙溪水力发电站,浙江 天台 317200)
近年来,小型水电站得到迅速的发展,促进了人们生产和生活的有效开展。但是一些水电站的容量闲置较多,对水资源的利用效率不够合理,需要对这部分水电站进行增效扩容改造,有效挖掘水电站的潜力,从而满足人们日益增长的对电力的需求。
天台县龙溪水电站是一座以发电及供水为主的中型水库,没有灌溉和防洪任务,位于浙江省黄水溪中游、始丰溪支流,水库的正常蓄水位和发电死水位分别为398.00m和372.00m,相应的正常蓄水库容和死库容分别为2257万m3和251万m3。龙溪输电站的装机容量为(2×8000)kW,设计流量为(2×4.13)m3/s,水轮机额定水头为234m,属于Ⅲ等工程。另外,该水电站的枢纽工程由放空建筑物、发电厂、发电输水建筑物、泄洪建筑物、主坝、副坝等组成,其中泄洪建筑物位于主坝,而主坝是由钢筋混凝土面板堆石坝建造而成,坝顶高程为401.40m,副坝则由素混凝土面板干砌石坝建造而成,坝顶高程为400.90m。
龙溪水电站的水轮机型号为HL100、转轮直径D1为φ1.00m,制造的材料主要采用普通的碳钢材料,转轮叶片采用人工打磨的方式进行制造,这种水轮机形线准确性较差,在运行的过程中自然会影响水力性能。不仅如此,该水电站中的水导轴承转动油盆存在严重的漏油、甩油等情况。主轴承出现漏水的现象,主轴承所使用的密封材料对轴承造成的磨损严重,导致水淹轴承的情况发生。
该水电站中所使用的发电机绝缘等级相对较低,由于长时间的使用,导致发电机出现绝缘老化现象,降低了发电机的绝缘性能,增大了发电机在运行过程中的安全隐患。此外,由于绝缘材料出现老化的情况,导致发电机中电流泄露,严重影响发电机的工作效率。
不仅水轮机和发电机在运行的过程中存在问题,调速器、进水阀在发电机组运行的过程中同样存在问题。就调速器来讲,一些元件的配置标准较低,主要表现为电气控制元件、液压操作元件以及执行元件,这些元件经常会出现故障,影响到电站的正常运行。水轮机的进水阀自投入运行以来没有进行过改造,其内部元件逐渐落后,出现损坏时更换较为困难。
由于该水电站的电气设备使用年限较长,变压器出现的损耗大,额定工况运行时会出现温度超标的现象。部分设备甚至还出现配件缺少或者是漏油的现象。水电站电气设备的控制方式仍然是采用集中控制,自动化控制程度低,对设备安全性的防护等级也比较低。一些陈旧设备在功能方面难以满足现代新型设备运行的基本要求,与计算机监控设备无法实现很好的连接。
发电厂房比较陈旧,无论是主厂房还是副厂房都有少量渗水的现象出现,部分位置的损坏更为严重,已经严重威胁到水电站的安全运行。
现阶段,天台县龙溪水电站出现严重的设备老化问题,已经不再满足电网的实际需求,存在一定的安全隐患,需要对水电站的配变电等设备进行技术改造,及时消除安全隐患,促进水电站发电效益提升,龙溪水电站增效扩容改造的必要性可从以下几点进行分析:
龙溪水电站改造之前的水量利用率为92.1%,装机容量为(2×8)MW,而增效扩容改造之后的水量利用率达95.1%,容量为(2×9)MW,能适当缓解用电高峰时段的负荷压力。
在整体规划过程中,该水电站向天台县供水时,基本是从电站尾水取水;然而电站通过增效扩容改造可以提高设备运行的安全性及可靠性,以免出现高转速机组夜油雾外溢的情况,更好地保护供水水质。另外,该电站投产运行二十多年,许多机组设备落后且能耗高,有些甚至是淘汰产品,部分设备带病运行,如发电机的绝缘等级较低,水轮机顶盖压力较大,机组轴承油雾和甩油现象严重,时常出现电器设备和辅助系统的漏气、漏油、漏电等情况。这些问题会影响水电站的安全运行,因此做好增效扩容改造工作显得尤为重要。
随着天台县地区经济的发展,电力能源短缺问题越来越严重,逐渐成为社会发展的阻碍,而龙溪水电站的增效扩容改造能够缓解用电紧张的现状,增加电能供应,继而增加当地政府的财政收入,实现社会经济的发展。近几年,该县的实际平均年发电量达3029万kW·h,但增效扩容后的年平均发电量3643万kW·h,增幅为20.3%。
由于制造工艺、技术水平、加工水平、设备材料等方面的制约,水轮发电机组效率相对较低,电力设备及其辅助设备的可靠性较低,影响了水电站的效益发挥和正常运行。增效扩容改造后,水轮机的额定效率可达89.6%,发电机在额定出力与额定效率条件下的设计效益达96.7%。对于机组出力系统而言,综合考虑发电机效率、水轮机的效率曲线和发电水头,机组投运初期的处理系数为8.0,而机组在长期运行的过程中会降低效率、增加损耗。根据水轮发电机运行参数和选型的改造,可以确定水电站增效扩容改造后的机组综合出力系数为8.45,确保水电站的安全稳定运行,促进电站发电效益和运行效率的提高。
近年来,国家对水资源的保护以及水土保持政策的实施,使得水电站集雨区的水土流失现状得到了很大的改善。但是受气候的影响,库区内降雨分布不均匀,大部分雨量主要集中在5—9月,由于水电站的装机容量较小,泄洪时间长,导致水资源无法得到有效的应用,造成水资源的浪费严重。鉴于这种现象,需要采取灌浆法来加固大坝,重新建设输水涵管以及进水调节池,使得水库的蓄水位提升,确保水库中设计洪水流量符合该流域内洪峰的要求。此外,也可以加大装机容量,从而实现扩大水电站容量、提升水资源利用效率的目的。
该水电站为调节性水库,在对水电站的水能负荷进行计算时,应该满足一定的原则。首先,在确保二级电站发电量和用水量的前提下,坚持电站调度期内两级电站的发电量为原则,详细计算。通过计算水电站的装机容量、每年平均发电量以及装机的利用小时等动能指标,就可以绘制出水电站的平均发电量以及装机容量之间的关系曲线,具体的曲线图如下图所示。
发电量与装机容量关系曲线图
经分析,改造前电站装机容量为(2×8)MW,水量利用率为92.1%;机组增容至(2×9)MW后,电站的水量利用率可以提高到95.11%。龙溪水电站作为台州市的骨干电站,机组增容后能提高顶峰能力,可以适当缓解当地用电高峰时段的负荷压力。
龙溪水电站向现代化水电站的方向发展,就应该在增效扩容改造中应用自动控制系统。选择的自动控制系统应该具备冗余设备,即使出现元件损坏的现象,发电机的基本工作能力仍然能够完整地保存,这对于水电站的安全运行和稳定运行起到重要的作用。一般情况下,自动控制装置的计算机网络设计结构呈现单星形以太网的形式,由微机保护装置、励磁装置和可编程控制装置组成。微机调速器往往选择高油压的可编调速器,不仅可实现燃油的节约,同时还能够调节精度。高压氮气罐作为储能罐的选择,不仅节约投入成本,还能够提高电站运行的安全稳定性。
机械设备的改造,包括对水轮机、发电机、进水阀设备的改造,以及调速器的更新。在水轮机的改造中,首先应更换转轮,利用数控加工技术将转轮的材料更新为不锈钢材料,同时对转轮叶片的型线以及转轮表面的粗糙度进行严格的控制,才能够更好地提升转轮的水力性能。还需要对导水机构进行改造,先检查导叶端面间隙以及顶盖止漏环的磨损情况,如果不符合要求,需要对顶盖做返厂处理,确定转轮的上冠尺寸,确保导叶端面间隙能够达到具体的设计要求。
其次是对发电机的改造,保留发电机中的主要构件,如:定子机座、主轴和转子磁轭,通过更换定子、转子线圈的方式增大导线的截面,增大发电机的额定容量,紧接着更换发电机其他部位的元件。调速器的更新应该选择灵敏度相对较高的调速器,能够保证其运行的稳定性,确保调速器的品质满足要求。其他辅助系统的改造包括对供水泵的更新、滤水器的更新,取消原有电站中的压气系统,更换低压压缩空气系统的压力表以及空压机等,确保整个辅助系统能够在运行的过程中呈现更好的状态。
首先,对水电站的电气主接线进行改造,加强对电气主接线的调整,发电机的电压侧接线方式选择单母线接线形式,然后配用一台升压变压器。110kV侧采用变压器线路组接线的方式。其次,对厂用电接线进行调整,厂用电为0.4kV的,采用的接线方式为单母线接线方式,然后设置两台厂变,其中厂变1的接线选择6.3kV的母线,厂变2则可以选择10kV的线路进行接线。最后,对电气设备进行改造,包括对电气一次设备及二次设备的改造。其中,一次设备的改造涉及主变的更新、开关柜的取消、断路器的更新、照明灯具的更换等内容,二次设备的改造涉及的内容包括对各个线路保护装置的更新,对变电站计算机监控设备的更新等。
随着社会对生态环境保护的重视,利用水资源发电逐渐受到人们的重视。对小型水电站实施增效扩容改造,一方面能够利用水电站的现有资源,提高水资源的利用率,另一方面通过水资源发电能够为社会提供更多的电能资源,具有很好的社会效益和经济效益。天台县龙溪水电站增效扩容改造工程按设计完成后,于2017年6月21日线路接入系统,并进行72h试运行,最终验收合格;于11月21日机组启动验收通过,次日机组投入运行。通过对机械设备以及电气设备的改造,带满负荷由16000kW增加到18000kW,从而增加了发电效益。通过这次增效扩容改造项目的实施,在该水电站中增加自动化控制系统,可以及时消除运行中存在的安全隐患,提高生产效率和水资源利用率,确保了水电站的安全运行,推动了当地社会经济的发展。
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