頭壩水電站增容改造工程增容改造設(shè)計(jì)方案

頭壩水電站增容改造工程增容改造設(shè)計(jì)方案TC"6增容改造設(shè)計(jì)"\fC1.1工程等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)TC"6.1工程等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)"\fC電站改造工程總裝機(jī)容量為2100kw(擬定方案)，屬小（2）型Ⅴ等工程。渠道及主要建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)。據(jù)1:400萬(wàn)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》（2001），工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g（相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度），地震動(dòng)反應(yīng)譜周期為0.40s，對(duì)應(yīng)地震設(shè)防裂度為8度。1.2增容改造的基本原則和設(shè)計(jì)依據(jù)TC"6.2增容改造的基本原則和設(shè)計(jì)依據(jù)"\fC1.2.1基本原則本次改造遵循切合實(shí)際，節(jié)約投資的原則，在保持電站原有水工結(jié)構(gòu)不作變動(dòng)、發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)不變、機(jī)組安裝高程不變、額定電壓和額定轉(zhuǎn)速不變、預(yù)埋部件基本不變的前提下，更換3臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、改造3臺(tái)發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子線圈。要求發(fā)電機(jī)額定功率由500kw增容至700kw，水輪機(jī)額定功率由550kw增容至824kw；在凈水頭為15.5m運(yùn)行時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行，且加權(quán)平均效率較高,有先進(jìn)可靠的性能參數(shù)，如出力、效率、空蝕和穩(wěn)定性等；機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程的調(diào)節(jié)保證計(jì)算值既滿足原引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)值的允許值，也滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。1.2.2設(shè)計(jì)主要依據(jù)(1)《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50071-2002)(2)《小型水電站初步設(shè)計(jì)編制規(guī)程》(SL/T179-96)1.3工程改造內(nèi)容TC"6.3工程改造內(nèi)容"\fC頭壩三號(hào)電站增容改造擬列入永昌縣農(nóng)村水電增效減排建設(shè)工程之一，工程所在地距縣城15km，裝機(jī)容量3×700kw，屬于小型水電工程，主要有50m尾水渠改建，500m輸水渠道改建，30m壓力前池溢流堰改建；三臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組定、轉(zhuǎn)子線圈和轉(zhuǎn)輪增容改造及附屬設(shè)備更換；35kv并網(wǎng)輸電線路改造等內(nèi)容。1.3.1水工建筑物改造（1）尾水渠改造原設(shè)計(jì)尾水出口端與尾水渠聯(lián)接處過(guò)水?dāng)嗝嫘?尾水渠漸變段渠底原設(shè)計(jì)偏高，漸變段渠底地板高程距河床高程相差1m,造成運(yùn)行期尾水出流不利,水面壅高,影響機(jī)組出力。本次改造將尾水渠漸變段渠底降低0.5m，將原漿砌石全部拆除,墊背采用40cm厚砂礫,表層用30cm厚C20砼現(xiàn)澆，同時(shí)拆除漸變段口防倒流閘墩，尾水渠水面線降底后，增加設(shè)計(jì)水頭0.5m，提高機(jī)組出力。（2）壓力前池溢流堰改造原設(shè)計(jì)壓力前池溢流堰頂垂直水流方向長(zhǎng)30m,采用可奧型曲線，為塊石砼重力式溢流壩，溢流堰頂高程2147m,溢流堰設(shè)計(jì)有排冰缺口，排冰缺口底板高程2141.57m，距溢流堰頂43cm,缺口長(zhǎng)197cm，冬季運(yùn)行時(shí)排凌排淤，正常運(yùn)行時(shí)電站為了抬高前池水位，有效利用排冰缺口棄水，用木板將缺口堵塞。隨著東大河上游梯級(jí)電站的陸續(xù)建成，有效地改變了下游電站冬季排冰發(fā)電的歷史，本次改造將溢流堰頂高程加高到2147.15m，排冰缺口底板高程加高到2147.07m，使前池設(shè)計(jì)水頭提高0.5m。采用C20砼現(xiàn)澆將30m長(zhǎng)的壓力前池溢流堰頂垂直增高15cm并填堵長(zhǎng)197cm、高43cm排冰缺口。提高設(shè)計(jì)水頭0.5m。不僅改造工程量小，易于實(shí)施，而且從技術(shù)上是完全可行的。上述兩項(xiàng)工程的實(shí)施，將設(shè)計(jì)水頭由14.5m提高到15.5m,為機(jī)組增容改造奠定了基礎(chǔ)。(3)引水渠道改造原渠道梯形斷面采用預(yù)制磚護(hù)面，經(jīng)多年運(yùn)行，部分渠段預(yù)制磚護(hù)面破損嚴(yán)重，直接影響輸水渠道的安全運(yùn)行。此次改造對(duì)輸水渠破損最嚴(yán)重的500m渠段進(jìn)行修復(fù)(樁號(hào)0+100——0+600號(hào)），跨度10.5m,原預(yù)制磚護(hù)面、渠底漿砌石全部拆除，墊背采用40cm厚砂礫石，梯形渠斷面用C20砼現(xiàn)澆護(hù)面。1.3.2機(jī)電部分改造（1）水力機(jī)械1）水輪機(jī)改造初步方案：A.在不改變流道尺寸的基礎(chǔ)上，將原來(lái)的ZD560-LH-100轉(zhuǎn)輪更換，保持轉(zhuǎn)輪直徑基本不變。在15.5m水頭段選一個(gè)合適的轉(zhuǎn)輪，對(duì)轉(zhuǎn)輪各部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足電站改造需要，轉(zhuǎn)輪材料采用全不銹鋼。B.更換活動(dòng)導(dǎo)葉，對(duì)固定導(dǎo)葉進(jìn)行修型。原有導(dǎo)葉為老式標(biāo)準(zhǔn)翼型，從水力設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，固定導(dǎo)葉翼型與活動(dòng)導(dǎo)葉翼型要保持一致，從而使水輪機(jī)具有較高的水力性能。由于固定導(dǎo)葉不能改變，所以必須設(shè)計(jì)較好的能適應(yīng)原固定導(dǎo)葉的新活動(dòng)導(dǎo)葉，同時(shí)保證與新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪匹配良好。2）轉(zhuǎn)輪選擇新型轉(zhuǎn)輪的選擇應(yīng)滿足下列條件：A轉(zhuǎn)輪推薦使用水頭應(yīng)滿足電站的工作水頭；B效率應(yīng)明顯高于原轉(zhuǎn)輪；C氣蝕系數(shù)應(yīng)與原轉(zhuǎn)輪相接近，以滿足電站實(shí)際的裝機(jī)吸出高程的要求。經(jīng)我院專業(yè)技術(shù)人員通過(guò)實(shí)地勘查，根據(jù)電站發(fā)電水頭15.5m、單機(jī)流量5.3m3/s等基礎(chǔ)資料進(jìn)行綜合分析和論證，將原ZD560-LH-100轉(zhuǎn)輪改造為ZDJP502-LH-100新型轉(zhuǎn)輪，機(jī)組效率能夠達(dá)到94%，水輪機(jī)出力較原機(jī)組提高30%左右，改造后發(fā)電機(jī)組能夠達(dá)到700kw。3）調(diào)速器改造方案調(diào)速器工作容量根據(jù)水輪機(jī)所需的接力器容量而選定。水輪機(jī)接力器容量根據(jù)下式計(jì)算：A=25Q(HmaxD1)0.5式中A-接力器的容量(kg.m);Hmax-最大水頭(m);Q-最大水頭下額定出力時(shí)水輪機(jī)的流量(m3/s);D1-水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑(m)。依據(jù)頭壩三號(hào)電站近10年內(nèi)發(fā)電用水狀況及下泄流量，電站增容設(shè)計(jì)水頭取15.5m,設(shè)計(jì)流量取5.3m3/s，系數(shù)取85%，通過(guò)計(jì)算:機(jī)組增容至700kw，機(jī)組接力器容量為523kg.m，調(diào)速器選用YBWT-600型微機(jī)調(diào)速器，調(diào)速功600kg.m。（2）發(fā)電機(jī)增容改造方案1）定子線圈采用二次模壓二次整形工藝，使線圈兩邊主絕緣均勻、密實(shí)，整體耐電壓水平提高。2）轉(zhuǎn)子線圈原采用B級(jí)云母帶隔匝間結(jié)構(gòu)，匝間絕緣不可靠，側(cè)面散熱能力差，改造后線圈采用的F級(jí)環(huán)氧玻璃坯布熱壓而成，具有耐溫高、不易老化、匝間耐壓高、散熱好和粘接力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。3）將定子線棒的銅線截面增大，額定負(fù)荷時(shí)定子繞組電流密度減小，定子線棒增容后較增容前溫升降低；4）轉(zhuǎn)子線圈銅排由四邊形截面改成七邊形截面，且截面積相同，同時(shí)線圈匝數(shù)增加1匝，轉(zhuǎn)子散熱面積增大約1倍，散熱能力增大約40%，散熱條件得以較大改善，使溫升降低；5）定子線棒股線選用不完全換位結(jié)構(gòu)，使股線間的環(huán)流降到最小，股線最高溫度下降；6）定子線棒、轉(zhuǎn)子線圈、端箍環(huán)、極間連線、銅環(huán)引線絕緣等級(jí)均由B級(jí)提高到F級(jí)。頭壩三號(hào)電站增容改造前后機(jī)電設(shè)備技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表6-3。表6-3名稱改造前技術(shù)參數(shù)改造后技術(shù)參數(shù)型號(hào)主要技術(shù)參數(shù)型號(hào)主要技術(shù)參數(shù)水輪機(jī)ZD560-LH-100550kwZDJP502-LH-100760kw發(fā)電機(jī)SF-500-12/1730500kwSF-700-12/1730700kw發(fā)電機(jī)繞組絕緣等級(jí)B級(jí)F級(jí)調(diào)速器YT-600電液調(diào)速器YBWT-600微機(jī)電液調(diào)速器勵(lì)磁設(shè)備KGLAF311-200A/75V相復(fù)勵(lì)式KWCL-1600微機(jī)機(jī)組勵(lì)磁裝置保護(hù)系統(tǒng)常規(guī)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)A主要機(jī)電設(shè)備型號(hào)參數(shù)增容改造后，主要機(jī)電設(shè)備參數(shù)如下：a水輪機(jī)型號(hào)ZDJP502-LH-100設(shè)計(jì)水頭15.5m 設(shè)計(jì)流量5.3m3/s 額定出力 760kw吸出高度-2.7m漿葉角度 ?=+50出力1720kw額定轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分 飛逸轉(zhuǎn)速1100轉(zhuǎn)/分引水形式 砼殼額定效率η=94%（修正值）b調(diào)速器型號(hào)YBWT-600（微機(jī)可編程） 額定容量600㎏·m工作油壓25㎏/㎝2 c發(fā)電機(jī)型號(hào)SF-700-12/1730額定功率875kva/700kw 額定電壓6300V 功率因數(shù)0.8(滯后)額定頻率50Hz 額定轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分額定效率η=95.2%（修正值）絕緣等級(jí)F/F d勵(lì)磁裝置型號(hào)KWCL-1600（微機(jī)可編程）1.3.4輔助設(shè)備改造（1）氣系統(tǒng)改造原電站在設(shè)計(jì)中沒(méi)有設(shè)計(jì)氣系統(tǒng)裝置，機(jī)組制動(dòng)采用手動(dòng)油壓裝置引來(lái)的壓力油進(jìn)行制動(dòng)；調(diào)速器補(bǔ)氣裝置采用一臺(tái)2v-0.6/7-A移動(dòng)式空氣壓縮機(jī)進(jìn)行補(bǔ)氣。在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，帶來(lái)了許多不便，并存在種種安全隱患。此次在對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行增容改造的同時(shí)，恢復(fù)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝，供調(diào)速器油壓裝置充氣，機(jī)組制動(dòng)，檢修和清掃用氣。其具體方案為：安裝高壓和低壓兩個(gè)氣系統(tǒng)。1）高壓壓縮空氣系統(tǒng)高壓系統(tǒng)工作壓力為2.5Mpa。用于調(diào)速器的油壓裝置充氣，設(shè)有VF-0.35/30型空氣壓縮機(jī)兩臺(tái)，互為備用，排氣量為0.35m3/min，排氣壓力為3.0Mpa，供壓油槽充氣。配1.0m3高壓貯氣罐一個(gè)。2）低壓壓縮空氣系統(tǒng)低壓系統(tǒng)工作壓力為0.8Mpa。服務(wù)對(duì)象為機(jī)組制動(dòng)，維護(hù)檢修中的風(fēng)動(dòng)工具，清掃用氣等，設(shè)兩臺(tái)SF-1.2/8型空氣壓縮機(jī)，互為備用，排氣量1.2m3/min，排氣壓力為0.8Mpa，配貯氣罐兩個(gè)，容積為1.5m3。分別用于風(fēng)動(dòng)工具及清掃用氣和機(jī)組制動(dòng)之用。（2）虹吸進(jìn)水口控制系統(tǒng)改造電站原設(shè)計(jì)的虹吸進(jìn)水口控制系統(tǒng)為老式80年代產(chǎn)品，為純手動(dòng)操作，大部分設(shè)備已老化接近癱瘓狀態(tài)，已到了非改不可的地步。電站虹吸式進(jìn)水口控制主要承擔(dān)以下工作任務(wù)：壓力管道充水，虹吸形成和真空破壞，其設(shè)備配置及控制方式為：1）壓力管道充水：設(shè)置電動(dòng)蝶閥，充水時(shí)開(kāi)啟，同時(shí)應(yīng)打開(kāi)虹吸體上部手動(dòng)閥排氣，充水完成后關(guān)閉充水閥及排氣閥。2）虹吸形成：設(shè)置2臺(tái)SK-1.5型真空泵，充水完畢后開(kāi)啟真空泵，待虹吸腔內(nèi)空氣排盡水體充滿即形成虹吸，可開(kāi)啟水輪機(jī)導(dǎo)葉，啟動(dòng)機(jī)組。3）真空破壞：配置自保持電磁閥1只，在機(jī)組停機(jī)時(shí)開(kāi)啟自保持電磁閥，大氣即進(jìn)入虹吸腔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速斷流。（3）壓力前池?cái)r污柵改造前池?cái)r污柵原為2.5х3.5m三扇，上游電站未建以前，輸水渠道內(nèi)的雜草雜物常堵塞攔污柵，清污操作頻繁，三扇攔污柵已變形，攔污柵啟閉使用手動(dòng)葫蘆懸掛在支架懸臂梁吊環(huán)上。此次改造一是校正或加工攔污柵柵體，二是攔污柵啟閉設(shè)備設(shè)計(jì)為電動(dòng)葫蘆。（4）水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造為掌握機(jī)組的運(yùn)行狀況，電站設(shè)置監(jiān)視性儀表，監(jiān)視有關(guān)參數(shù)，如電站上下游水位、攔污柵壓差、冷卻水壓力、蝸殼、水輪機(jī)頂蓋水壓、尾水管真空度、尾水管出口水壓、有效水頭等。1.3.5電氣工程頭壩三號(hào)電站原裝機(jī)3×500kw，原接入系統(tǒng)方式采用一回35kv線路，接入距離本電站593.2m的永昌縣頭壩變電所。電站增容改造后裝機(jī)增至3×700kw，原導(dǎo)線截面LGJ-70進(jìn)行更換。（1）電氣主接線方式原接線方式不變，詳見(jiàn)頭壩三號(hào)電站主接線下圖所示：（2）廠用電系統(tǒng)原廠用變壓器保持不變，接線方式按下圖布置:頭壩三號(hào)電站廠用電接線示意圖1.3KV38.5KV604甲FU41B42B41QF42QF42Q1）一次電氣設(shè)備改造A主變壓器改造水輪發(fā)電機(jī)組增容改造后，頭壩三號(hào)電站現(xiàn)主變總?cè)萘浚?×2000）kva不能滿足發(fā)電機(jī)運(yùn)行需要?，F(xiàn)擬定對(duì)主變進(jìn)行更換，將現(xiàn)容量為2000kva的主變更換為S11-3150/38.5±2的主變，主變總?cè)萘吭鲋?150kva。主變采用S11型變壓器，它具有體積小、重量輕、損耗低、噪音低、效率高的特點(diǎn)，其參數(shù)如下表：S11型有載調(diào)壓變壓器的容量等級(jí)及性能參數(shù)表表6-4額定容量

（kva）電壓組合（kv）聯(lián)結(jié)組

標(biāo)號(hào)空載損耗

（kw）負(fù)載損耗

（kw）空載電流

（%）短路阻抗

（%）高壓分接%低壓315038.5±3×2.51.3Yd112.9024.60.67B高壓配電設(shè)備改造a開(kāi)關(guān)柜及斷路器1.3kv開(kāi)關(guān)柜選用中置式開(kāi)關(guān)柜，開(kāi)關(guān)柜具有五防功能。斷路器采用手車式真空斷路器，真空斷路器切斷故障時(shí)間短，斷開(kāi)同時(shí)性好，手車的互換性能好，維修方便，備品備件少，絕緣強(qiáng)度高，火災(zāi)危險(xiǎn)性少。選用KYN28A-12-006型。高壓開(kāi)關(guān)柜配置真空斷路器型號(hào)為：ZN28-10I,技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓：10kv額定電流：630A額定短路開(kāi)斷電流：20kA動(dòng)穩(wěn)定電流：50kA4S熱穩(wěn)定電流：20kAb35kv戶外高壓斷路器型號(hào)：ZW7-40.5/D1250額定電壓：38.5kv最高電壓：40.5kv額定電流：1600A額定短路開(kāi)斷電流：25kv額定短路關(guān)合電流：63kA操作機(jī)構(gòu)：CT-10c電流互感器發(fā)電機(jī)出口及中性點(diǎn)電流互感器選LZZBJ9-10，變比為200/5。d勵(lì)磁裝置勵(lì)磁系統(tǒng)選用自并激可控硅微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，微機(jī)勵(lì)磁屏選型為KWCL-1600。該裝置具有自動(dòng)調(diào)節(jié)單元，能就地或遠(yuǎn)方進(jìn)行滅磁開(kāi)關(guān)跳合、起勵(lì)及勵(lì)磁電壓升降的操作。勵(lì)磁變選型:ZL-50/1.3/0.125。2)二次電氣設(shè)備改造A二次設(shè)備概況電站二次保護(hù)設(shè)備陳舊落后，自動(dòng)化水平低。已不能滿足現(xiàn)代電力安全運(yùn)行規(guī)范的要求。電站增容改造后采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，正常運(yùn)行時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組的開(kāi)、停機(jī)；有功無(wú)功功率的調(diào)節(jié)；機(jī)組事故的自動(dòng)處理；斷路器、滅磁開(kāi)關(guān)的自動(dòng)操作；以及電站運(yùn)行必需的反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的模擬量和開(kāi)關(guān)量的信息反饋均由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行處理。B計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的配置采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控信號(hào)綜合屏（BKF-WT-1600）。C繼電保護(hù)電站主設(shè)備和線路的繼電保護(hù)按《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》（GB14285-93）進(jìn)行配置，設(shè)備選用可靠性高、技術(shù)先進(jìn)的微機(jī)保護(hù)。D直流系統(tǒng)選用150Ah,直流220v高頻開(kāi)關(guān)電源裝置，采用閥控蓄電池，作為全站的繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、操作及信號(hào)、事故照明等電源。裝設(shè)一組65Ah,直流48v直流電源裝置，作為全站通信系統(tǒng)的備用電源。計(jì)算機(jī)電源采用～220v，上位機(jī)配置UPS電源一套，保證廠用電發(fā)生事故時(shí)，計(jì)算機(jī)及順序控制裝置電源不間斷。3)電站自動(dòng)化系統(tǒng)A自動(dòng)化系統(tǒng)概述本站裝機(jī)3×700kw，在電力系統(tǒng)中主要擔(dān)負(fù)部分基荷。電站現(xiàn)地控制，接受電力系統(tǒng)的通信調(diào)度管理。為適應(yīng)系統(tǒng)調(diào)度要求，根據(jù)國(guó)內(nèi)中小型水電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及發(fā)展方向，確定本站按“少人值守”方式設(shè)計(jì)，采用以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主的集中監(jiān)控方式，配置微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能如下：a對(duì)全廠設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)視與記錄。由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)完成全廠設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、處理及設(shè)備運(yùn)行狀況的自動(dòng)監(jiān)視與記錄。b對(duì)電站設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。根據(jù)電站運(yùn)行方式要求，對(duì)電站設(shè)備進(jìn)行操作或調(diào)節(jié)。c實(shí)現(xiàn)電站運(yùn)行管理的自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)運(yùn)行報(bào)表的自動(dòng)生成，運(yùn)行操作的自動(dòng)記錄，電站設(shè)備參數(shù)或整定值的記錄與保存，所有報(bào)表均可自動(dòng)或召喚打印。d對(duì)發(fā)電機(jī)、主變、母線、線路等主設(shè)備及輔助設(shè)備進(jìn)行保護(hù)與監(jiān)控。B自動(dòng)化系統(tǒng)改造改造為SJK-3000型電站微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，完成和實(shí)現(xiàn)電站機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視和控制操作、功率調(diào)節(jié)和運(yùn)行管理職能。C計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備配置a主控級(jí)操作員工作站1套。打印機(jī)：配置1臺(tái)24針寬行打印機(jī)。UPS：配置1套UPS電源，容量為3kva，后備時(shí)間為1小時(shí)。語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)：一套真人發(fā)聲的中文語(yǔ)音裝置。b單元控制級(jí)機(jī)組LCU開(kāi)關(guān)站LCU及公用LCU增容改造后電站主要電氣設(shè)備型號(hào)及規(guī)格見(jiàn)表6-5。頭壩三號(hào)電站電氣主要設(shè)備匯總表表6-5序號(hào)名稱型號(hào)及規(guī)格數(shù)量單位備注1水輪機(jī)ZDJP