低壓機(jī)組水電站現(xiàn)代化改造的優(yōu)化設(shè)計(jì)(章文裕)

1、低壓機(jī)組水電站現(xiàn)代化改造的優(yōu)化設(shè)計(jì)章文裕 （大田縣水利局 福建大田 366100） 原載中國(guó)水能及電氣化雜志2012年第1期（總第84期）摘 要：針對(duì)低壓機(jī)組小容量水電站的特點(diǎn)，結(jié)合大田縣小水電改造的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，論述了該類小型水電站更新改造時(shí)水輪發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁裝置、同期裝置、保護(hù)裝置、顯示儀表以及輸電設(shè)備的選型優(yōu)化，并討論了小水電的科學(xué)管理問(wèn)題，以促進(jìn)農(nóng)村小水電的現(xiàn)代化進(jìn)程。提 示：文中所提及的stk-w-3c微電腦控制器、微電腦綜合保護(hù)設(shè)備（jy和jyl系列過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)頻率保護(hù)等多種組合裝置），是廈門金雨科技有限公司的產(chǎn)品。本文根據(jù)福建省大田縣小水電站改造的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，論述低壓機(jī)組小容量水電

2、站現(xiàn)代化改造的優(yōu)化設(shè)計(jì)。低壓機(jī)組水電站的現(xiàn)狀特點(diǎn)當(dāng)前，低壓機(jī)組的設(shè)計(jì)、施工、裝備水平，都比高壓機(jī)組水電站差，其運(yùn)行維護(hù)管理也相對(duì)落后。分析其主要原因，一是設(shè)計(jì)人員對(duì)低壓機(jī)組的設(shè)計(jì)，沒(méi)有很好的設(shè)計(jì)思路；二是市場(chǎng)上缺乏適用于低壓機(jī)組的配套裝備和自動(dòng)化裝置；三是現(xiàn)在小容量水電站的上網(wǎng)電價(jià)低，缺乏經(jīng)濟(jì)效益支撐。低壓機(jī)組水電站的設(shè)備選型優(yōu)化1）水輪機(jī)的優(yōu)選。 在小水電改造時(shí)，應(yīng)按現(xiàn)代化水輪機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠家的型譜性能重新進(jìn)行優(yōu)化選型。例如，大田縣香坪水電站1995年第一期投產(chǎn)2臺(tái)500kw機(jī)組，2000年又?jǐn)U裝了1臺(tái)500kw機(jī)組，都是選用cj-w-70/19型戽斗式手動(dòng)調(diào)節(jié)水輪機(jī)。由于水輪機(jī)效率低（只有0

3、.765），運(yùn)行中損壞較嚴(yán)重，業(yè)主決定對(duì)整個(gè)電站進(jìn)行改造。通過(guò)筆者優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用xje-w-55b/110型斜擊式手電動(dòng)調(diào)節(jié)水輪機(jī)，效率0.852。 配套sfw700-6/990型無(wú)刷勵(lì)磁低壓發(fā)電機(jī)，額定發(fā)電出力700kw。現(xiàn)代斜擊式水輪機(jī)相比原來(lái)的戽斗式水輪機(jī)，具有過(guò)流量大、轉(zhuǎn)速高、效率高等優(yōu)點(diǎn)。香坪水電站改造時(shí)優(yōu)選了斜擊式水輪，機(jī)組的性能大大提高，而造價(jià)卻大大降低，3套機(jī)組比原型號(hào)設(shè)備的造價(jià)降低了45萬(wàn)元。整個(gè)水電站改造共投資90萬(wàn)元，年發(fā)電量從原來(lái)630萬(wàn)kwh提高到800萬(wàn)kwh，經(jīng)濟(jì)效益大大提高。另外，小水電站使用的水輪機(jī)，選擇手電動(dòng)調(diào)速器，即可完全配合發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)

4、開停機(jī)及負(fù)荷調(diào)節(jié)。2）調(diào)速控制裝置的優(yōu)選。小水電站水輪機(jī)組運(yùn)行調(diào)速控制裝置的設(shè)計(jì)選型，要求簡(jiǎn)單、可靠、適用、造價(jià)低廉，只要在開機(jī)和跳閘時(shí)按需要自動(dòng)調(diào)節(jié)，在并網(wǎng)運(yùn)行中能根據(jù)水情需要，手動(dòng)或自動(dòng)增減出力就可以。 stk-w-3c微電腦控制器 能很好地滿足小型水電站的要求。該控制器利用水輪機(jī)的手電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，能在機(jī)組運(yùn)行的各種工況下完成所需要的調(diào)節(jié)操作，還兼有同期、過(guò)頻率保護(hù)和按前池水位自動(dòng)增減負(fù)荷、水情異常報(bào)警、顯示機(jī)組運(yùn)行的頻率和電壓等功能，且質(zhì)量可靠、操作簡(jiǎn)便、性價(jià)比高，適用于小型水電站。應(yīng)注意的是，該控制器要求機(jī)組在各種狀態(tài)下都要有可靠的交流電壓。3）發(fā)電機(jī)的優(yōu)選。 目前，小型水電站廣泛使用

5、的大多是早期生產(chǎn)的直流勵(lì)磁機(jī)、自勵(lì)恒壓或可控硅勵(lì)磁、b級(jí)絕緣、效率低的低壓發(fā)電機(jī)。現(xiàn)代農(nóng)村電網(wǎng)中的小水電站，應(yīng)該全面推廣使用無(wú)刷勵(lì)磁、f級(jí)絕緣的低壓發(fā)電機(jī)，其容量已經(jīng)可以做到1600kw，轉(zhuǎn)速可以低到100r/min。例如，香坪水電站在改造前是2臺(tái)直流機(jī)勵(lì)磁和1臺(tái)可控硅勵(lì)磁、500kw、990機(jī)座、b級(jí)絕緣、750r/min發(fā)電機(jī)。改造時(shí)選用3臺(tái)990機(jī)座、f級(jí)絕緣、1000r/min、額定出力700kw的無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。在原機(jī)座（990機(jī)座）位置上改裝使用（包括水輪機(jī)，整套機(jī)組的安裝改動(dòng)不大）。與2010年福建省某縣的一座同樣水力條件、同規(guī)模的水電站改造效果相比，香坪水電站節(jié)省投資45萬(wàn)元，

6、水能利用率和綜合發(fā)電效率又多了約27個(gè)百分點(diǎn)。4）勵(lì)磁裝置的優(yōu)選。自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置是水輪發(fā)電機(jī)組安全并網(wǎng)、優(yōu)化發(fā)電運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。它關(guān)系到機(jī)組能否隨有功出力變化、電網(wǎng)電壓變化，根據(jù)無(wú)功發(fā)電出力的要求進(jìn)行自動(dòng)智能調(diào)節(jié)，并且在開機(jī)并網(wǎng)前自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)電壓，跳閘后在一定頻率范圍內(nèi)保持額定電壓，使自動(dòng)調(diào)速器和事故照明正常發(fā)揮作用。筆者研發(fā)了幾種適應(yīng)無(wú)刷勵(lì)磁（或直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁）低壓機(jī)組的智能多功能勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置。第一種是用2個(gè)單相調(diào)壓器與控制變壓器組成手動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)，該裝置價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單實(shí)用。并網(wǎng)狀態(tài)下自行維持一定的功率因素，跳閘后又能自動(dòng)回復(fù)到空載勵(lì)磁的位置。第二種是用1個(gè)較簡(jiǎn)單的可控硅自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（具有

7、恒壓或兼有恒功率因素）與單相調(diào)壓器、控制變壓器組成手動(dòng)、自動(dòng)混合勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式。第三種是用更具智能化的可控硅自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（具有恒壓、恒勵(lì)磁電流、恒功率因素和恒無(wú)功功率）與單相調(diào)壓器、控制變壓器組成手動(dòng)、自動(dòng)混合勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式，適用于較大機(jī)組。第四種是利用igbt開關(guān)管的自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置。5）同期裝置的優(yōu)選?，F(xiàn)在，同期裝置的產(chǎn)品很多很雜，對(duì)小機(jī)組來(lái)說(shuō)，主要要求是可靠。為了增加可靠性，可考慮使用2個(gè)含有同期功能的綜合裝置，將2個(gè)同期裝置的同期合閘輸出回路串聯(lián)使用，并且不設(shè)手動(dòng)合閘開關(guān)，以防止誤操作。6）保護(hù)裝置的優(yōu)選。低壓機(jī)組的保護(hù)主要有過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)頻率三種，其中過(guò)電流保護(hù)應(yīng)分為速斷、過(guò)電流和

8、過(guò)負(fù)荷，整定值和延時(shí)都不同，過(guò)負(fù)荷可只用于報(bào)警。過(guò)電壓也最好分為兩種，偏高和偏低時(shí)報(bào)警，過(guò)高過(guò)低時(shí)跳閘。目前，一般水電站都并入大電網(wǎng)運(yùn)行，要求機(jī)組頻率在4951hz以外時(shí)跳閘和水機(jī)關(guān)閉即可。要實(shí)現(xiàn)這些功能，應(yīng)選用組合式微電腦綜合保護(hù)設(shè)備。目前已開發(fā)生產(chǎn)出jy和jyl系列過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)頻率保護(hù)等多種組合裝置，有的還結(jié)合同期并車用途，便于小水電站改造時(shí)選用。這些產(chǎn)品能在小水電可達(dá)到的最大電壓范圍內(nèi)可靠工作。7）顯示儀表的優(yōu)選。每臺(tái)機(jī)組安裝一個(gè)三相電力監(jiān)測(cè)數(shù)顯儀表，可將該儀表用作固定顯示某一主要關(guān)注的參數(shù)（如固定顯示發(fā)電功率，其他用切換顯示），其他參數(shù)則用普通指針式儀表查看。這里需要說(shuō)明的是，在

9、水電站使用的電子式儀表，與普通用電儀表有所不同，應(yīng)與廠家聯(lián)系改進(jìn)提高使用電壓范圍和抗雷擊過(guò)電壓等，否則就可能產(chǎn)生不利因素，反而降低了可靠性。8）配電屏及事故照明、機(jī)端操作測(cè)控顯示的優(yōu)選。低壓機(jī)組的配電屏一般都是一機(jī)一屏綜合設(shè)置，當(dāng)采用了（電腦）綜合控制保護(hù)裝置后，電氣元件大幅度減少。需要強(qiáng)調(diào)的是，電流互感器的額定電流要在發(fā)電機(jī)最大電流的2倍左右，二次側(cè)電流減小后對(duì)儀表和保護(hù)裝置的工作會(huì)更可靠?？諝鈹嗦菲鲬?yīng)選擇預(yù)儲(chǔ)能和電磁合閘，不要使用電動(dòng)合閘和接觸器合閘轉(zhuǎn)換方式?，F(xiàn)代并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的零線電流，一般會(huì)達(dá)到發(fā)電機(jī)額定電流的25%40%（特別是2臺(tái)以上發(fā)電機(jī)共用變壓器并網(wǎng)，零線電流會(huì)更大），應(yīng)在配電

10、屏的零線鋁排與發(fā)電機(jī)零線連接點(diǎn)串聯(lián)電抗器或單相400v電力電容器，將零線電流限制30a以下。用分散的保護(hù)裝置、自動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)化管理，比現(xiàn)有高壓機(jī)組集中用計(jì)算機(jī)控制，可節(jié)省大量投資。此綜合屏的造價(jià)只比常規(guī)配電屏高約20%30%，比現(xiàn)有廠家定型生產(chǎn)的低壓機(jī)組一體化自動(dòng)化屏節(jié)省了50%以上。又更適合農(nóng)村運(yùn)行管理人員掌握使用，工作性能更可靠，維護(hù)檢修也更方便。9）變壓器的優(yōu)選。水電站的變壓器一定要選用升壓變，現(xiàn)代的節(jié)能變壓器實(shí)際使用容量在40%左右時(shí)最節(jié)能，變壓器長(zhǎng)期工作的最大容量為額定容量的80%為宜。10）輸電線路及并網(wǎng)計(jì)量。輸電線路要考慮節(jié)能，線徑應(yīng)合理加大，因?yàn)楝F(xiàn)在導(dǎo)線的投資占線路總投

11、資比例較小，用小截面導(dǎo)線得不償失。在防雷上，不必過(guò)分追求很低的接地電阻，關(guān)鍵是要做好均壓等電位連接，并在升壓站高壓側(cè)加裝3個(gè)11kv單相對(duì)地的100150kvar電力電容器，或在低壓側(cè)安裝3個(gè)0.4kv單相對(duì)地的1525kvar電力電容器,既可補(bǔ)償無(wú)功又起防雷作用，能使發(fā)電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行中提高功率因素而節(jié)能。另外，并網(wǎng)計(jì)量箱電流變比應(yīng)大些，一般額定電流要在水電站最大輸送電流的1.2倍左右，這樣，計(jì)量準(zhǔn)確性和可靠性都比較好。低壓機(jī)組水電站的水工設(shè)計(jì)優(yōu)化1）壩、前池及進(jìn)水閘門。小水電站改造時(shí)應(yīng)盡量使引水壩能達(dá)到不完全日調(diào)節(jié)以上功能，以便使電站在枯水期間能用小機(jī)組進(jìn)行間斷開停機(jī)發(fā)電。現(xiàn)代的小水電站前池不要求太大，但應(yīng)在前池裝設(shè)水位傳感器，結(jié)合機(jī)組微電腦控制器使用，可實(shí)現(xiàn)按來(lái)水量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，有利于水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和多發(fā)電。2）壓力管道。管道的管徑應(yīng)適當(dāng)加大，以減少水頭損失。管道較長(zhǎng)且適宜采用地埋的要用復(fù)合纖維管，該管材不會(huì)結(jié)水垢，水頭損失小綜合造價(jià)比鋼管略低?，F(xiàn)在復(fù)合纖維管的承受壓力可達(dá)到300m水頭左右，管徑可做成0.31.2m左右。3）主機(jī)房布置及防洪排水?，F(xiàn)代低壓機(jī)組廠房的設(shè)計(jì)不能像以前那樣機(jī)房和值班室共用，應(yīng)把機(jī)房做得小些，水輪機(jī)安裝高程和廠房高度都應(yīng)適當(dāng)降低。把配電室兼值班室做的大些，地面也應(yīng)適當(dāng)提高。4）配電室值班室及生活區(qū)布置?，F(xiàn)在水電站的管理已趨于少人值守，而注重