水電站增容改造方案及自動化技術研究

范建軍（博樂農五師全新勘測設計有限公司，新疆 博樂 833400）

水電站增容改造方案及自動化技術研究

范建軍
（博樂農五師全新勘測設計有限公司，新疆 博樂 833400）

隨著水力發電生產規模的擴大，水電站內部運行層次實現了優化升級，這對水電站發電生產效率提出了更高要求。為了改變早期小規模生產帶來的不足，水電站開始對發電機組實施增容改造，以進一步擴大站內發電生產的運行能力。本文以具體工程為例，分析了水電站機組設備運行存在的問題，以水電站自動化為技術改革方向，提出水電站實現“少人值班、無人值守”工作模式的綜合對策。

水電站；增容改造；自動化；研究

發電機組是決定水電站生產能力的關鍵設備，機組運行狀態影響著整個水電站的生產效率。現狀電站均位于水能資源都是較為豐富位置，但由于早期機組發電效率較低、機組老化等問題，發電效益較低，因此，我國水電站必須提出可行的增容改造方案，在現有機組基礎上增容改造實現良好的經濟收益。在增容改造方案實施期間，可采用自動化技術輔助項目運行，以確保獲得最佳的機組改造成效。

1 工程概述

溫泉火炬電站隸屬于博州水力發電廠，位于溫泉大橋水文站下游4.18km的博河南岸，博格達水電站下游2.7km處，地理坐標東經81°04′56.76″，北緯44°58′59.16″，火炬電站于1987年11月投產使用，電站裝機容量2500kW（現狀廠房共計3臺機組，其中1#機組為預留機組，設計水頭24.14m，設計流量15.0m3/s，年發電量1000萬kW.h，年利用小時數4000h。

2 水電站機電設備存在問題

博州地區缺煤少電，資源匱乏，故必須大力發展可再生能源。同時由于水電增效擴容不需移民，不增加環境負擔，開發成本和電能質量均優于風電、太陽能等同類清潔能源。水電站水輪機設備存在的問題:發電機絕緣老化，溫升增加、滑環嚴重冒火，水輪機經過多年運行，轉輪等過流部件磨損、變形現象嚴重，雖經補焊但葉片變厚、變粗糙與原設計誤差較大，機組效率嚴重下降，自動化程度較低。水輪機等水力機械設備由于受到當時技術等方面的制約，水輪發電機組綜合效率較低，加上多年運行，效率逐年下降。目前機組綜合效率多在65%以下，其附屬電氣設備自動化程度較低，能耗高，故障多，部分設備屬國家明令淘汰產品，備件已無從購買。

3 水電站增容改造自動化技術及方案

科學技術是推動水電站自動化建設的根本保障，機組增容改造必須結合信息科技，才能擬定更加完整的生產調度方案。自動化技術主要是實現“少人值班、無人值守”的目的，主要改造方法:

3.1 調度系統

根據計算機信息系統處理所得結果，發電控制室傳遞相關的指令信號，為發電配送與控制提供明確的指令。現代化發電調度操控中心要設定多種傳輸路徑，避免信號傳輸過于集中而影響到控制效率。比如，選擇智能化傳輸路徑為主控模式，由服務器自動選擇路徑完成信號傳輸命令，減小了人工操作作業的難度。

3.2 控制系統

電力控制系統實現了電氣設備運行的優化配置，為發電設備調度提供了多元化作業平臺。電力信號是傳輸用電指令的主要載體，借助電力信號可實現系統調控的自動化模式，幫助企業解決發電設備調度運行的不足。基于自動化科技改良趨勢下，電力企業開始把用電信號與智能系統聯用，擴大了電信號工作范圍及調控領域。對發電數據實施跟蹤采集，及時收錄于發電相關的數據信息，為控制室調度提供真實的參考。

3.3 監控系統

對機組數據及時存儲是信息系統的主控功能，機組控制室人員有選擇地存儲數據信息，為發電站發電使用與分配提供參考。水電站采用事故報警技術，實現故障的自動化報警與處理，這也是增容改造中不可缺少的一部分。例如，為了適應水電站自動化平臺的傳輸要求，需做好水電站內部用電、用水、用氣的安全監控，科學地利用智能化口令完成事故報警操作。

4 水輪機增容綜合改造方案

更換水輪機轉輪及附屬設備改造。將現有水輪機轉輪更換為H L J F 3017-L J-120，更換原發電機原線圈，采用云母復合薄膜材料纏裹導線，復合絕緣紙作襯墊，占用空間較小。絕緣材料的更新不僅使絕緣等級提高到F級，增設機前蝶閥，型號為D 941X -0.6，DN 1800，對電站自動化控制系統改造。

4.1 水輪機參數

水電站先用水輪機型號為 H L 240-L J-120，依據H L 240-L J-120機組型譜圖可知，發電機效率η電=95%，則水輪機單機出力為:

N=N裝/η電=1250/0.95=1316k W根據電站的設計水頭及水頭變化范圍，查H L 240-46模型綜合特性曲線見圖1。

圖1 H L 240-46模型綜合特性曲線

（1）確定水輪機轉輪直徑

根據H L 240系列轉輪綜合特性曲線上查得模型最優單位轉速η11m=72.0γ/m i n，模型最高效率η m a X=91.5%，自η11m點作水平線與5%出力限制線相交，交點相應的單位流量Q11=1240L/s。此工況對模型機效率為η m=90.4%，假設效率修正系數取2.0%，則水機效率

η水=η m-2.5%=90.4%-5.0%=87.9%，則水輪機轉輪直徑為:

根據轉輪直徑尺寸確定D1=1.2m（與原機組轉輪直徑一致）。

（2）計算效率修正值

對混流式水輪機，當H＜150m時，用下式計算，其中 D1M=0.46m，ηM·maX=91.5%，D1= 1.20m，故:

采用工藝修正值Δ η3=2.5%，則效率修正值為:由此時的水輪機在限制工況的效率為:

ηmaX=ηM·maX+Δ η=91.5%-1.02%=90.48%

（3）計算單位轉速

故單位轉速不予修正。

（4）計算水輪機轉速n

選擇現狀水輪發電機同期轉速，300γ/m i n，與現狀一致。

（5）計算允許吸出高度Hs

在設計水頭時，水輪機實際工作點為轉速73.3γ/m i n，流量990L/s，在綜合特性曲線上查得氣蝕系數σ=0.19，同時Δ σ=0.042，則吸出高度

4.2 替代水輪機轉輪參數

根據電站的設計水頭及水頭變化范圍，查《反擊式水輪機轉輪暫行系列型譜》，選用 H L J F 3017系列。依據H L J F 3017-35機組模型綜合特性曲線可知，見圖2，發電機效率η電=95%，則水輪機單機出力為:

圖2 H L J F 3017-35機組模型綜合特性曲線

（1）計算轉輪直徑D1

根據H L J F 3017系列轉輪綜合特性曲線上查得模型最優單位轉速 n1′0=72.0γ/m i n，最高效率ηM=94.06%，單位流量采用與n1′0相應出力限制線上（5%）的單位流量Q1′=1400L/s，此工況對模型機效率ηm=87.8%，假設效率修正系數Δ η=2.5%，則水機效率初步計算可采用η=ηm+Δ η=90.3%，故水輪機轉輪直徑為:

取直徑D1=1.2m。

（2）計算效率修正值

對混流式水輪機，當H＜150m時，用下式計算，其中D1M=0.35m，ηM·maX=94.06%，D1= 1.2m，故:

采用工藝修正值 Δ η3=2.5%，則效率修正值為:

Δ η值與原假設值基本相符，故D1轉輪直徑選擇正確，

（3）計算單位轉速

故單位轉速不予修正。

（4）計算水輪機轉速n根據水輪發電機同期轉速，選用n=300γ/m i n。（5）計算允許吸出高度H s

在設計水頭時，水輪機實際工作點為轉速74.6γ/m i n，流量1190L/s，在H L J F 3017-35機組模型綜合特性曲線上查得σ=0.103，則吸出高度1.2*0.103*23.27=5.79m現狀吸出高度為 1.85m，滿足最小吸出高度的要求。

4.3 更換新型轉輪的型式增容比較

根據電站現狀及存在的主要問題，為充分利用水能和提高設備利用率，保證機組安全、穩定、高效運行，必須對水輪發電機組改造方案進行認真分析、論證。更換新型高效水輪機轉輪的型式增容根據電站的具體條件與技改目標優化設計采用新型的水輪機轉輪替代現狀水輪機轉輪，理論上可是電站增容20%左右。施工工期短，投資較低，對電站正常運行影響不大。

（1）H L 240與H L J F 3017轉輪的性能比較

溫泉縣火炬電站 H L 240機組，在限制工況點單位轉速為 72r/m i n，額定出力時的單位流量912.0L/s，而改造后的轉輪，限制單位流量期望值為1400L/s。經分析，在已有幾何參數相近、性能較優的轉輪篩選后，初選H L J F 3017轉輪，二者參數對比見表1。

表1 兩種轉輪參數對比表

（2）機組預期最大出力

根據HLJF3017綜合特性曲線，在設計工況單位轉速74.6r/min時，單位流量Q1′=1190L/s，效率η為89.35%，根據計算可知，機組出力可達到1600kW，增幅在3%左右，可使水輪發電機組得到比較充分的利用。

（3）空化系數的比較

一般來說，空化系數隨著比轉速的增加而增加，由表1可見，HLJF3017轉輪與H L240轉輪相比，HLJF3017的過流能力大于HL240，而空化系數σ卻小于HL240，說明HLJ F3017轉輪的優越性。

HL240機組的單位轉速為73.3r/min，限制單位流量為1240L/s，空化系數為0.19；而HLJF3017的限制單位流量為1400L/s，空化系數為0.103。由此可見，HLJF3017轉輪比HL240轉輪，過流能力大為提高，空化系數不但沒有增加反而有大幅度的下降。

（4）效率特性比較

根據H LJF3017轉輪和HL240轉輪模型特性曲線，得出兩轉輪在轉速為74.3r/min時，模型效率對比表見表2。

表2 兩種轉輪模型效率對應的單位流量值

由表2可知，當1.095m3/s＜Q＜1.4m3/s的運行區域，H L J F 3017的效率要比H L 240的高出4%左右，在小流量運行時，H L J F 3017能保證在枯水期的運行，也就是說，更換轉輪后，除增加單位流量帶來的發電量外，還能額外獲得水力效率提高增加的發電量。單機流量由原設計7.5m3/s增加至8.0m3/s（上述計算含第三章水能計算均按單機流量8.0m3/s計算）。根據上述比較，可以看出采用H L J F 3017轉輪替代現有H L 240轉輪，可使機組出力從1250kW增加至1600kW。

因此，根據電站現狀及存在的主要問題，為充分利用水能和提高設備利用率，保證機組安全、穩定、高效運行，必須對水輪發電機組改造方案進行認真分析、論證。更換新型高效水輪機轉輪的型式增容根據電站的具體條件與技改目標優化設計采用新型的水輪機轉輪替代現狀水輪機轉輪，理論上可使電站增容20%左右。施工工期短，投資較低，對電站正常運行影響不大。

5 結論

對水電站機組實施增容改造，不僅擴大了電站內部作業的生產效率，也實現了機組運行模式的優化轉變，創建“少人值班、無人值守”的工作模式。可消除壩體漂浮雜物進水輪機組造成工程安全隱患，保證電站正常引水發電，減少因雜物進入機組，致使水翻過壩頂水淹毀廠房，導致運行人員安全運行的隱患，同時也是保障下游農田灌溉及水利設施安全的前提條件。

［1］黃益生.獅子灘電站改造水輪機轉輪的研制［J］.四川電力技術，1992（04）.

［2］晏峻峰.新疆疏附縣吾庫薩克水電站機組增容改造［J］.黑龍江水利科技，2010（03）.

［3］陸大為，林環興.小型水電站增容改造的體會［J］.中國農村水利水電，2007（03）.

TV 73

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：1672-2469（2015）03-0052-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.020

范建軍（1981年—），男，工程師。