某水厂能源回收工程调流调压电站电气设计

袁文娟，吴 韬，倪玉飞

(水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012)

1 概 述

某水厂位于浙江省湖州市，是从老石坎水库和赋石水库引水，水厂近期规模40万m3/d，远期规模60万m3/d。近期原水流量40万m3/d，水流进入水厂时还有33.5～58.8 m的富余水头，隐含大量的剩余能量；如果不进行回收，这部分剩余能量将通过调流调压阀白白浪费掉。因此，水厂利用原水输水管道出口处剩余水头发电，在内部新建1座能源回收电站进行消能处理，主要建筑物只有发电厂房，总装机容量为2 230 kW，最大出力为1 728 kW，年发电量为1 639～1 102万kW·h；其电力电量均可全部被水厂消化，不用倒送入电网。

电站水轮机运行水头变化范围为34.25～59.24 m，流量变化范围为2.66～4.63 m3/s，机组出力变化范围为1 109～1 728 kW。由于流量变化较大，且考虑到设备的检修和故障备用，本电站装设1台630 kW机组和2台800 kW机组，平时2台机组运行，1台机组备用。电站按少人值班控制方式设计，采用计算机监控系统控制。

2 水轮发电机组选型

从水库到水厂配水预臭氧池水面的毛落差有56.75～66.67 m。从不同流量时引水系统的全程水头损失，计算不同流量时水电站的运行水头，从而可计算出不同流量时调流调压电站的出力，计算结果如表1所示。

表1 调流调压电站出力计算成果表

从计算结果可见，电站最大出力出现在近期40万m3/d、水库水位到达正常蓄水位79.12 m时，最大出力为1 728 kW，所以近期调流调压电站出力为1 109～1 728 kW。

由于流量变化较大，并考虑到设备的检修和故障备用，因此本电站装设3台机组，大部分时间2台机组运行，1台机组备用；必要时在短时间3台机组可同时运行。有2个装机容量方案可供选择：2×630 kW+1×800 kW=2 060 kW和1×630 kW+2×800 kW=2 230 kW，其中630 kW机组的额定流量为1.67 m3/s，800 kW机组的额定流量为2.47 m3/s。

如果采用2 060 kW方案，需要3台机同时运行才能满足40万m3/d(4.63m3/s)的要求，备用能力弱。如果采用2 230 kW方案，2台大机组运行的流量可达到4.94 m3/s，可满足40万m3/d的要求，备用能力强。所以推荐电站安装1台630 kW机组和2台800 kW机组，平时2台机组运行，1台机组备用，大机组的检修应尽量安排在供水量较小的枯水期。

根据运行水头和容量，拟定电站装设3台卧轴混流式水轮发电机组，机组主要参数如下：

1号和3号机组额定容量800 kW，水轮机型号HLA801—WJ—65，额定水头40.00 m，额定流量2.47 m3/s；配套发电机型号SFW800—8/1180，额定电压0.4 kV，额定转速750 r/min。

2号机组额定容量630 kW，水轮机型号HLA743—WJ—52，额定水头45.00 m，额定流量1.67 m3/s；配套发电机型号SFW630—6/990，额定电压0.4 kV，额定转速1 000 r/min。

3台机组的额定频率均为50 Hz，功率因素均为0.80，全部采用无刷励磁方式。

3 电站接入水厂供电系统

水厂调流调压电站出力为1 109～1 728 kW，发电机机端电压380 V。如果以380 V电缆接入水厂供电系统，电缆投资过大，而且水厂220/380 V用电设备容量不大；所以最后确定通过10 kV电缆接入水厂10 kV侧供电系统进线柜，所发电量供水厂供电设备使用。10 kV电缆通过水厂的电缆沟接入冲洗泵房的10/0.4 kV低配中心，总长度约280 m。

4 电气主接线及厂用电

水厂用电设备为220/380 V、10 kV电压等级，配电电压等级分为10 kV和220/380 V。结合本电站接入水厂配电系统的方式、电压等级等因素，对本站拟定2个接入方案。

方案一：3台发电机机端电压均为0.4 kV，配置1台升压变，机组与变压器组成扩大单元接线的接线方式，通过1回10 kV线路接入冲洗泵房低配中心的10 kV进线柜。

方案二：3台发电机机端电压均为0.4 kV，其中1号和2号机组与1号主变组成扩大单元接线；另外3号机组与2号主变组成单元接线。10 kV侧采用两进一出的接线方式通过1回10 kV出线接入冲洗泵房低配中心的10 kV进线柜。

方案一的优点是供电安全可靠、接线简单清晰、维护方便、布置紧凑、投资省。缺点是仅有1台变压器，在主变故障、检修时，会影响电站发电；另外3台机组汇流时，汇流电流过大，给安装电缆、母排带来不便。

方案二的优点是供电安全可靠、接线清晰、布置合理、运行方便灵活、维护方便。缺点是设备多、投资大。

从技术上看，两个方案均能满足安全发供电的需要。从经济上看，由于方案二增加的投资不多，综合比较后还是推荐方案二的接线方案。

本电站厂用电供电范围主要是厂房区域，厂用电采用公用电和机组自用电混合供电方式。

根据厂用电负荷统计结果，厂用电最大负荷容量为87.23 kW，采用综合系数法，全厂厂用电负荷混合供电时的综合系数取0.78，则最大计算负荷为68.04 kVA。因此，本电站厂房采用380/220 V低压供电系统。

电站采用3回厂用电源，2回分别取自发电机0.4 kV母线端作为工作电源，2路电源互为备用。另一回取自水厂的0.4 kV供电系统作为厂用备用电源。正常情况下，只要电站发电，厂用电由工作电源供电；电站不发电或10 kV线路检修时，切换至备用电源，可靠性高。

5 主变压器及10 kV断路器选型

主变压器选用1号主变SCB13—2000/10型带外壳户内干式变压器，额定容量2 000 kVA，电压比为10±2×2.5% kV/0.4 kV，接线组别为Dyn11，阻抗电压百分比为5.72%；2号主变SCB13—1000/10型带外壳户内干式变压器，额定容量1 000 kVA，电压比为10±2×2.5% kV/0.4 kV，接线组别为Dyn11，阻抗电压百分比为5.65%；均采用自然冷却方式。

10 kV断路器采用VS1型真空断路器，额定电压10 kV，额定电流630 A，额定频率50 Hz，额定短路开断电流和短时耐受电流为25 kA，额定峰值耐受电流和短路关合电流为50 kA，额定短路持续时间为4 s。

断路器与其他电气设备一起采用成套开关柜的形式，布置在厂房内高压开关室内。

6 电站设备布置

主厂房安装3台水轮发电机组，1、2号机组间距8.42 m，2、3号机组间距6.54 m；主阀布置于水轮机的上游侧，调速器布置于水轮机的下游侧；单梁桥式起重机布置于主厂房上部。

副厂房位于主厂房上游侧，布置有中控室、高压柜室、空压机室、备品备件仓库和办公资料室。中控室布置有3面机组综合一体化控制屏、1面公用LCU屏、1面直流屏和1面低压配电屏。高压柜室布置2台主变、2面10 kV主变高压侧断路器柜、1面10 kV出线PT柜、1面10出线开关柜和1面10 kV出线隔离柜。

7 过电压保护和接地

厂房防雷保护采用在厂房屋顶敷设避雷带的方式，整个避雷带以多根引下线与接地网连接。为防止雷电侵入波及操作过电压损坏电气设备，在10、0.4 kV母线装设金属氧化锌避雷器进行保护，电站内所有电力设备外壳均可靠接地。

厂房接地装置充分利用直接埋入地中的钢筋等金属件，以及其他各种金属结构等自然接地体可靠焊接成一体，并与水厂内人工接地装置可靠焊接构成站内接地系统。电站内设置人工接地装置并与水厂内接地系统可靠焊接，构成水厂统一接地网，其接地电阻值在任何季节不得大于1 Ω。

8 照明及电缆桥架

照明设计具体按《建筑照明设计规范》(GB 50034)有关规定进行。电站除正常工作照明以外，还同时增设事故照明，工作照明采用380/220 V三相四线制，电源由低压配电屏引至照明配电箱。全厂正常工作照明时由交流220 V供电，事故照明时自动切换到直流电源，由直流电源供电。

电缆桥架全部采用高新的高分子合金塑料(PVC与ABS有机材料合成)托盘的形式，立柱和托臂采用镀锌钢制作。合金塑料电缆桥架主要特点有高强度、耐腐蚀、重量轻、易安装、不导电、阻燃强、外观美和寿命长等。

9 结 语

本项目建设场地在水厂厂区内，充分利用现有水工建筑物，不占用耕地，不会对环境造成影响。利用管道富余水能发电不仅能够为水厂带来效益，还能为更好地节约资源、保护环境作出贡献，对实现节能减排的目标具有积极的意义。

目前水力发电为成熟技术，机电设备也为成熟产品，其可靠性是较高的，一般故障排除也是简单、快捷的。调流调压电站建成后，调流调压阀退居为备用设备。

本电站机组规模小，水轮机转动部件和流道内均不需要油润滑或冷却，外部也没有油或污水流入，所以不会对原水构成污染。电站运行期间无废水、废气排出，噪声比目前的调流调压阀产生的噪声小。所以，调流调压电站建成后，不会对水厂输水的可靠性、水质和环境构成影响，而且社会效益显著。