廈門筼筜湖第二排洪泵站潮汐發電研究

摘要：廈門筼筜湖第二排洪泵站在外海漲潮時通過引水流道將海水引入內湖，退潮時將內湖水排至外海，在納潮和排潮時，筼筜湖和外海側均存在潮位差。豎井貫流泵進出水流道平直，可雙向過水，流道水力損失小，若采用水泵—水輪機機型，便為潮汐發電提供了可能性，將排洪和發電綜合利用起來，惠及民生。

關鍵詞：筼筜湖；排洪泵站；潮汐發電；納潮；排潮 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM312 文章編號：1009-2374（2016）02-0120-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.058

1 廈門筼筜湖第二排洪泵站工程機電概況

筼筜湖位于廈門島內西部，本工程由一孔（孔口寬3.5m）納潮閘、兩孔（孔口寬6m+6m）排潮閘和一座設計總流量為45m3/s的泵站組成。本工程主要用途為納排潮、排澇，泵站裝設3臺豎井貫流泵，配套10kV高壓電動機。本階段電氣設計主要簡述供電電源、主要用電負荷、電氣接線方案、電氣設備布置方案、泵閘監控監視系統方案等方面內容。

1.1 用電負荷等級

工程主要用電負荷為3臺1250kW主泵電機，根據《供配電設計規范》（GB 50052-2009）、國家電力監管委員會電監安全（2008）43號文件的相關定義及規定，確定本工程用電負荷按二級負荷設計。

1.2 用電電源

為滿足二級用電負荷供電可靠性要求，本工程供電電源設計采用2路電源供電。2路電源互為備用，電源來自附近不同的變電所或同一變電所的不同母線段。供電電源線路為10kV架空線路，至泵站附近采用電纜落地后進入10kV用戶變電所，每回電源按泵站用電負荷100%備用。

1.3 電氣接線

本工程水泵電機為3臺，進線電源為2回，設計采用10kV電源。考慮電源情況，10kV配電母線采用單母線分段接線、2段母線分段運行，不設分段開關。對3臺主水泵電機采用10kV供電，2臺站用變電源也分別接自2段10kV母線，10kV母線上另接有并聯電容補償裝置出線各1回。本工程采用計量方式為高壓計量。

0.4kV站用電采用單母線分段接線，全樞紐動力（包括泵站輔機、閘門動力、檢修負荷等）及照明負荷均接在0.4kV母線上。

1.4 應急電源

根據《供配電設計規范》（GB 50052-95）、國家電力監管委員會電監安全（2008）43號文件的相關定義及規定，由于本工程設計已考慮按2路外接電源設計，滿足電力公司相關要求。對重要站用負荷，按2路配電回路設計，分別引自1#和2#站用變，部分負荷采用末端自動切換。

1.5 主水泵配套電動機

1.5.1 容量、轉速、形式及電壓等級。根據水泵軸功率并考慮一定的儲備系數，配套電機的額定功率確定為1250kW。電機通過齒輪轉速箱與水泵連接，考慮傳動比的要求，電機同步轉速確定為750r/min。

異步電動機結構簡單，運行維護都比同步電動機方便。本工程電機轉速較高，如選用異步電動機，其功率因數在0.8以上，所需補償容量也不大，綜合投資上也優于同步電動機，因此本工程水泵配套電動機選用異步電動機。由于供電電源采用10kV，如選用6kV電動機，將增加變壓器及高壓開關柜，顯然是不經濟的，因此本工程選用10kV電動機。

1.5.2 補償方式。對于泵站來說，異步電動機的無功補償有集中補償和現地補償兩種方式。集中補償在電動機母線上并聯多組電容器，根據運行的電機臺數和無功功率自動投入不同組電容器；現地補償在每臺電動機機端并聯一組電容器，每次機組投運時電容器亦投入。考慮到電容器投入運行的可靠性，本工程采用現地補償的方案。考慮到水位變化引起的所需無功補償容量的變化，電動機母線在電動機額定功率下運行補償后的功率因數按0.95考慮，經計算此時每臺電動機所需的補償容量為460kVAR（額定電壓10/kV），由于電容器組中串聯電抗器的影響，實際運行時，電容器組兩端的電壓約為11/kV，此時所需的補償容量為557kVAR，考慮到電動機制造上的一些不確定因素，電動機的功率因數及效率有可能達不到設計值，再加上電機在水泵低揚程運行時功率因數很低，所需的無功補償量有可能比較大，所以每組容量為650kVAR（額定電壓為11/kV）。補償設備采用成套電容補償裝置，包括高壓熔斷器、避雷器、電容器、放電線圈、串聯電抗器等設備，設功率因數控制器，根據功率因數自動投切。

1.5.3 啟動方式。由于供電方式采用10kV直配供電，主電動機啟動時對線路將造成沖擊，影響線路上其他負荷的供電。因缺乏系統及線路資料，啟動時的壓降無法計算，如壓降過大也會影響本泵站電機的啟動，因此現階段考慮采用降壓啟動的方案以減少沖擊。

1.5.4 額定參數。根據某廠家資料，電動機的額定參數值如下：額定功率：1250kW；額定電壓：10kV；同步轉速：750r/min；額定功率因數：0.82；絕緣等級：F級（按B級考核）；額定電流：90A；外殼防護等級：IP44；冷卻方式：IC81W；安裝方式：IMB3；效率：94%；堵轉轉矩：0.7倍額定轉矩；最大轉矩：1.8倍額定轉矩；堵轉電流：6倍額定電流。

1.6 10kV高壓開關柜

高壓開關柜選用較為先進可靠的金屬封閉鎧裝移開（中置）式開關柜，共15臺，其中進線計量柜2臺、母線電壓互感器及避雷器柜2臺、進線總開關柜2臺、電動機出線柜3臺、站用變出線柜各2臺、電容器柜2臺、隔離分段柜2臺。進線總開關柜及各出線柜配用真空斷路器，真空斷路器采用引進國外先進技術生產的產品。為限制真空斷路器的操作過電壓，在真空開關柜內配置過電壓保護器。真空斷路器額定電流630A，額定短路開斷電流25kA。

1.7 0.4kV低壓開關柜

低壓開關柜均選用較為先進可靠的MNS型低壓抽屜式開關柜，共9臺，其中低壓進線柜2臺、電容補償柜2臺、動力柜3臺、照明柜1臺、分段開關柜1臺。開關柜內裝設國外引進技術生產的系列斷路器，額定短路開斷能力大于計算短路電流的要求。0.4kV母線上設功率因數自動補償電容器組，經電容器補償后功率因數不低于0.9。

2 廈門筼筜湖第二排洪泵站潮汐發電研究

2.1 發電方式

潮汐發電有單向發電和雙向發電兩種型式，由于筼筜湖的水位大部分時間低于外海水位，因此僅考慮水流由外海流入筼筜湖單向發電。泵站在外海側的出水流道設置兩道閘門，一道工作閘門一道檢修閘門，進水側設置一道快速閘門，可通過控制進出水側工作閘門開度控制引水流量，達到控制水泵轉速、控制發電輸出頻率。

2.2 發電并網方式

本泵站完全利用現有的水泵—同步電動機組進行發電。發電工況水泵運行轉速約為79.5r/min，遠低于水泵工況運行轉速159r/min，由于發電水頭低于抽水揚程，并且發電和抽水時，進出水流道的水力損失對運行工況是不一樣的。發電時是水位差減水力損失，抽水時是水位差加水力損失，導致兩個運行工況的水頭和揚程差異增加，發電時的轉速低于抽水時的轉速。據調查，目前投入運行的泗陽一站和劉老澗站分別采取不同的變速運行方式。泗陽一站為變極機組運行，即抽水為高轉速375r/min，16極；發電為低轉速187.5r/min，32極，發電和抽水的機組頻率均為50Hz，滿足電網要求。劉老澗站采取變頻機組運行，即水泵電動機（發電機）的磁極數不變，均為40極，但機組運行轉速和頻率均有變化。抽水時轉速為150r/min，運行頻率50Hz，電壓6kV；發電時轉速90r/min，發電機（電動機）的輸出頻率為30Hz，電壓3.6kV。通過變頻機組，使輸入電網的電壓達到6kV，頻率50Hz，滿足電網要求。

以上兩種發電方式分別在兩個泵站運行多年。采用變級機組不僅電動機的結構復雜、尺寸增大、重量增加，費用也增加，而且對抽水工況的電動機運行效率也有影響，一般要降低2%左右。對泵站基本是抽水工況運行，顯得不太合適。采用變頻機組方式，對水泵和電動機結構，主泵房的設備布置都無影響，主要是全站增加了一套變頻機組及其附屬設備。由于抽水和發電分開，對運行管理也比較方便。綜合各種情況分析，本泵站采用變頻機組發電方式最為合適。

本泵站增加一套發電變頻機組，變頻機組由啟動電機、變頻電動機、變頻發電機組成。泵站的接入系統的線路假定一回為35kV。根據接入系統設計，在本站處于發電工況運行時，發電機發出的電力將只通過35kV線路接入系統。

2.3 發電功率

根據潮位計算，最高運行毛水頭為2.81m，平均運行毛水頭2.05m，最低運行毛水頭1m，水頭低于0.7m不發電，發電時間9h（一個換水周期內，50h）。最高運行水頭時，過流量接近16.7m3/s，效率約為70%，單機出力約為322kW。平均運行水頭下，單機出力約為235kW，年發電量約為1.05萬kWh，年總發電量約為3.16萬kWh。

2.4 設備和泵房布置

變頻機組及其控制柜均布置在變頻發電機房內。變頻發電機房與主變壓器室相鄰。變頻發電機房可以直接對外交通，設備搬運方便，可以布置起重設備，同時又利于自然通風。在流道出口增加活動攔污柵，在抽水時拉起以減少損失，發電時放下以擋住污物。

3 結語

潮汐能主要來自于海洋潮汐摩擦作用消耗的地球自轉動能。作為一種蘊藏量極大的可再生資源，潮汐能發電不排放廢水、廢渣和廢氣，對環境影響小，滿足用電需求的同時亦可降低對煤炭、石油等不可再生資源的消耗，減少環境污染，因此，潮汐能源的利用和開發值得我們設計從業者在設計同類項目時深入研究。

參考文獻

[1]崔領謙.水電站電氣優化設計的幾點思考[J].水科學與工程技術，2013，（3）.

[2]張羽進.中小型水電站電氣設計的探討[J].河南水利與南水北調，2012，（12）.

作者簡介：郭曉君（1982-），男，山西忻州人，上海勘測設計研究院有限公司電氣工程師，研究方向：水利水電。

（責任編輯：黃銀芳）