活動(dòng)壩水電站增效擴(kuò)容改造淺析
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【摘要】為了增強(qiáng)水電減排能力，增強(qiáng)工程安全保障，有效發(fā)揮惠農(nóng)效應(yīng)，充分發(fā)揮水電事業(yè)在農(nóng)村中的作用，根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行情況，在不增加原有機(jī)組臺(tái)數(shù)的前提下，對(duì)活動(dòng)壩水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造設(shè)計(jì)。工程改造后總裝機(jī)容量為2400kW，比改造前擴(kuò)容480kW，擴(kuò)容率25%，水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組效率提高顯著。增效擴(kuò)容改造以提高綜合能效和安全性能、促進(jìn)水資源綜合利用、維護(hù)河流健康為目標(biāo)，為工程增效減排做出了貢獻(xiàn)。
【關(guān)鍵詞】活動(dòng)壩;水電站;增效擴(kuò)容;設(shè)計(jì)方案
1工程概況
江蘇省淮安市淮陰區(qū)活動(dòng)壩水電站，位于江蘇省楊莊閘北首350m處廢黃河舊河床上，與江蘇省楊莊閘平行，上游與淮河流域的廢黃河、淮沭河、大運(yùn)河、鹽河五河相連(見圖1)?；搓巺^(qū)活動(dòng)壩水電站始建于1976年10月，1980年1月并網(wǎng)發(fā)電，安裝12臺(tái)TSJ-160kW同步發(fā)電機(jī)，12臺(tái)ZDJ-IW-120水輪機(jī)，
2臺(tái)電力變壓器，總裝機(jī)容量
1920kW，電站設(shè)計(jì)水頭3.50m，上游正常水位11.50m，下游正常水位7.86m，正常流量5m3/s，實(shí)測(cè)6m3/s，屬于低水頭、大流量、徑流式電站。電站主要為淮陰區(qū)居民及城鎮(zhèn)供電，電站以1回10kV輸電線路直接送至10kV，并入地區(qū)10kV電網(wǎng)。非發(fā)電期可調(diào)相運(yùn)行，以提高附近地區(qū)用電質(zhì)量。
2增效擴(kuò)容必要性
電站在運(yùn)行過(guò)程中，不斷對(duì)機(jī)組設(shè)備、廠房、水工建筑物等進(jìn)行保養(yǎng)、維修和改造，做了很多工作，保持了活動(dòng)壩水電站長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全、可靠、高效的運(yùn)行，但由于歷史原因，受到了方方面面的制約，特別是資金不足，設(shè)備、廠房、水工建筑物等已不能滿足水電站運(yùn)行的要求，效率下降、效益滑坡，嚴(yán)重阻礙了活動(dòng)壩水電站的可持續(xù)發(fā)展(見表1)。
3改造方案
3.1水輪機(jī)選擇
活動(dòng)壩電站為低水頭電站，水頭變化很小。設(shè)計(jì)水頭5.00m條件下可采用軸流式水輪機(jī)。但因?qū)俑脑旃こ?，在不影響原電站水工結(jié)構(gòu)的前提下，改造優(yōu)先選用原軸流式水輪機(jī)?？晒┻x擇的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)有ZDL90/D120等，綜合考慮各機(jī)型的能量性能、汽蝕性能、機(jī)組造價(jià)以及運(yùn)行工況區(qū)等因素后，確定最適合本站采用的機(jī)型［2］(見表2)。通過(guò)以上兩個(gè)方案比較分析可知:兩個(gè)方案對(duì)應(yīng)的廠房土建造價(jià)基本相同，方案二的運(yùn)行效率最高，兩方案機(jī)組運(yùn)行高效區(qū)范圍均較優(yōu)越。機(jī)組造價(jià)方案一比方案二少1.2萬(wàn)元。兩個(gè)方案均可很好地用于本電站?？紤]到本站屬改造方案，土建不允許有較大改變，而且要便于檢修、更換。經(jīng)綜合比較并考慮到電站改造的特點(diǎn)，選用方案一的ZDT03-LMD-120機(jī)型，能很好滿足本站要求，因此采用ZDT03-LMD-120機(jī)型。
3.2電氣系統(tǒng)改造
3.2.1主接線設(shè)計(jì)。自10kV升壓站起的線路使用原變電所的輸電線路，全長(zhǎng)5km。電桿采用22.5m的等徑水泥桿，導(dǎo)線采用70mm2的鋼芯鋁絞線，輸送容量2400kW。10kV出線采用單母線線路、變壓器組成接線，為了運(yùn)行、檢修的可靠和方便，主變選用2臺(tái)，發(fā)電機(jī)400V電壓由2臺(tái)變壓器升壓后，經(jīng)10kV母線并入地區(qū)電網(wǎng)。3.2.2站用電。電站站用電源取自發(fā)電機(jī)母線處，站用電壓采用380/220V三相四線制系統(tǒng)，由GCS屏經(jīng)廠用配電屏供給負(fù)荷和照明［3］。3.2.3主變壓器設(shè)計(jì)。發(fā)電機(jī)電壓由2臺(tái)1600kVA主變升高至10kV，而后經(jīng)10kV母線并入地區(qū)電網(wǎng)。主變型號(hào)為S11-1600/10/0.4，采用D/YO-11型連接，即高壓側(cè)繞組接成三角形，低壓繞組接成星形并中性點(diǎn)接地。主變高壓側(cè)為10kV，低壓側(cè)為0.4kV。站房?jī)?nèi)0.4kV低壓系統(tǒng)采用單母線分段接線，1～6號(hào)發(fā)電機(jī)接于第一段母線，7～12號(hào)發(fā)電機(jī)接于第二段母線，其優(yōu)點(diǎn)是安全可靠，運(yùn)行靈活，布置簡(jiǎn)單，維護(hù)檢修方便。主變保護(hù)設(shè)過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、低電壓保護(hù)、溫度保護(hù)等，采用GE公司的T60保護(hù)單元，安裝于主變開關(guān)柜內(nèi)。3.2.4其他電氣設(shè)備設(shè)計(jì)。電站電源由LGJ-70鋼芯鋁絞線接入，查標(biāo)準(zhǔn)該導(dǎo)線額定載流量為275A。該站12臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)其高壓側(cè)電流為184.6A，該站現(xiàn)有10kV線路載流能力亦能滿足要求。根據(jù)回路工作電流對(duì)主變0.4kV母線、電動(dòng)機(jī)回路0.4kV電纜的允許載流量進(jìn)行了復(fù)核并校驗(yàn)了其熱穩(wěn)定性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果現(xiàn)有導(dǎo)體載流量雖能滿足要求，但因?yàn)殇X排腐蝕嚴(yán)重，影響載流能力，故更新為銅排。3.2.5勵(lì)磁裝置。發(fā)電機(jī)直流勵(lì)磁裝置，設(shè)計(jì)方案選用微機(jī)型勵(lì)磁裝置，并與站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相配套。根據(jù)電站增容要求相應(yīng)增加勵(lì)磁變壓器容量。勵(lì)磁裝置選用WFL-10000型低壓發(fā)電機(jī)可控硅勵(lì)磁系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品滿足中小型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)基本技術(shù)要求。3.2.6廠房暖通。本站主廠房為半地下式單層廠房，開闊空間高大，但因半地下站房無(wú)足夠的通風(fēng)及采光窗戶，計(jì)劃在站房側(cè)安裝10臺(tái)軸流式風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)［4］。3.2.7消防設(shè)計(jì)。消防設(shè)計(jì)主要依據(jù)建設(shè)工程施工現(xiàn)場(chǎng)消防安全技術(shù)規(guī)范［5］及水利水電程設(shè)計(jì)防火規(guī)范等國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。消防設(shè)計(jì)以“預(yù)防為主、防消結(jié)合”和“確保重點(diǎn)、兼顧一般、便于管理、經(jīng)濟(jì)適用”為原則。在確保消防安全的前提下，盡可能利用常用設(shè)備，減少投資費(fèi)用，做到保證安全，方便使用，經(jīng)濟(jì)合理。設(shè)計(jì)方案采用以消防水為主的消防方式，再輔以化學(xué)滅火機(jī)方式消防。按水電站的廠房尺寸和機(jī)組間距及單個(gè)消火栓的消火范圍，按間距12m分別布置2個(gè)消火栓。本站室內(nèi)油桶直徑很小，不設(shè)油桶頂水噴霧頭。油類的消防采用以化學(xué)滅火機(jī)為主、水消火栓為輔的方式。
4電氣系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)
4.1繼電保護(hù)繼電保護(hù)的功能是及時(shí)查明運(yùn)行中電氣設(shè)備的故障，并能將故障部分自動(dòng)斷開。為保證無(wú)故障部分的正常工作，要求繼電保護(hù)動(dòng)作迅速，具有選擇性，保護(hù)采用微機(jī)保護(hù)裝置。4.1.1過(guò)流速斷保護(hù)。過(guò)流速斷保護(hù)利用其速斷部分作為相間短路保護(hù)，用于瞬時(shí)跳閘，迅速關(guān)閉導(dǎo)葉及信號(hào)。瞬時(shí)動(dòng)作一次電流按發(fā)電機(jī)額定電流的1.4倍整定，該站發(fā)電機(jī)額定電流為362A，瞬時(shí)動(dòng)作一次電流為506.8A。4.1.2過(guò)負(fù)荷保護(hù)。過(guò)負(fù)荷保護(hù)由裝在中相的過(guò)電流繼電器構(gòu)成，當(dāng)發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷時(shí)繼電器經(jīng)一定時(shí)展動(dòng)作于信號(hào)。電流繼電器的整定電流為發(fā)電機(jī)額定電流的1.2倍，即434.4A，動(dòng)作時(shí)限為10s。4.1.3過(guò)電壓保護(hù)。過(guò)電壓保護(hù)由過(guò)速繼電器和過(guò)電壓繼電器構(gòu)成。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中突然甩掉負(fù)荷時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生飛車現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速大大超過(guò)發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，這么高的轉(zhuǎn)速，勢(shì)必會(huì)造成過(guò)電壓，此時(shí)過(guò)速和過(guò)電壓繼電器則動(dòng)作于迅速關(guān)閉導(dǎo)葉，后開關(guān)跳閘于信號(hào)并使水阻可靠地自動(dòng)接入電路。過(guò)電壓繼電器動(dòng)作電壓整定為額定值的1.2倍，即480V。
4.2防雷保護(hù)
4.2.1直接雷擊保護(hù)水電站防直接雷采用獨(dú)立的避雷針，主、副廠房利用裝設(shè)在屋頂?shù)谋芾讕ПＷo(hù)。為了保護(hù)變電所不受雷擊的破壞，在變電所出線架設(shè)2km避雷線，在10kV出線始端裝設(shè)3只10kV氧化鋅避雷器，為使站房不被直接雷損壞，在站房頂高出女兒墻30cm用φ10圓鋼裝置一圈環(huán)形避雷帶，并與女兒墻及屋面鋼筋焊接后引下。4.2.2接地裝置。本站裝設(shè)兩組獨(dú)立的接地網(wǎng)，一組為避雷針接地網(wǎng)，接地電阻不大于10Ω，另一組為電站的工作接地網(wǎng)，即主接地網(wǎng)，其接地電阻不超過(guò)4Ω，接地裝置應(yīng)盡量利用自然接地體，并與人工接地網(wǎng)、廠房鋼筋等用電焊牢固連接，成為整體。若不能滿足接地電阻要求，還需增設(shè)人工接地裝置或進(jìn)行降阻處理。為了將本站各種不同用途和各種不同電壓的電氣設(shè)備可接地，采用由帶形和棒形接地體聯(lián)合組成的接地裝置。棒形接地體用12根每根長(zhǎng)2.2m的φ25圓鋼打入地下，用40mm×4mm扁鋼連接成長(zhǎng)方環(huán)形，其接地回路總長(zhǎng)76.5m，水平鋪設(shè)在2.25m高程土層，與棒形接地體相焊接。接地電阻要求小于4Ω。接地網(wǎng)用12根φ16鋼筋沿中墻引伸至站房頂避雷網(wǎng)，在向上引伸過(guò)程中均需與水工建筑內(nèi)的構(gòu)造鋼筋焊接。另外，在主機(jī)層用40mm×4mm扁鋼與接地網(wǎng)引上鋼筋分別焊接引出作為電氣設(shè)備的保護(hù)接地與工作接地［6］。
5綜合評(píng)價(jià)
活動(dòng)壩水力發(fā)電站，利用主汛期有效水位可發(fā)電約4個(gè)月，豐水年可達(dá)到5～6個(gè)月，在目前水力資源條件下，增效擴(kuò)容改造設(shè)計(jì)方案實(shí)施后，水輪機(jī)效率提高近5%～8%;新葉輪水力模型效率可提高6%～9%，小功率節(jié)能型發(fā)電機(jī)效率比老高耗能發(fā)電機(jī)高出5%～7%，僅考慮水力發(fā)電機(jī)組性能，即可使效率提高11%～17%。通過(guò)更新節(jié)能型變壓器、載流體鋁排母線等配電設(shè)備，效率提高6%～9%，電站綜合效率可提高18%～27%，發(fā)電量及經(jīng)濟(jì)效益等明顯提高(見表3)。
6結(jié)語(yǔ)
淮陰區(qū)活動(dòng)壩水電站增效擴(kuò)容改造后，充分利用了過(guò)水流量，加快了電站持續(xù)高效發(fā)展的步伐，提高了水能的利用效率，生產(chǎn)了更多的清潔電力，為本地區(qū)以及周邊地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民的生活做出了重大貢獻(xiàn)，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
作者:張健 張巖 單位:淮陰區(qū)活動(dòng)壩水利工程管理所 淮陰區(qū)淮高水利服務(wù)站
