象山水電站增效擴(kuò)容改造方案及效益分析

肖景賢

(黑河市地方水電管理站，黑龍江 黑河 164300)

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象山水電站增效擴(kuò)容改造方案及效益分析

肖景賢

(黑河市地方水電管理站，黑龍江 黑河 164300)

摘要：象山水電站設(shè)備老化，通過增效擴(kuò)容改造，將對電站水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器等設(shè)備進(jìn)行更換，改造后該電站裝機(jī)3×6600kW，從根本上解決電站機(jī)械設(shè)備、電氣、監(jiān)測、控制及保護(hù)系統(tǒng)存在的嚴(yán)重問題，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和二次設(shè)備的整體技術(shù)水平，最終實(shí)現(xiàn)電站“無人值班，少人值守”的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：象山水電站；增效擴(kuò)容；技術(shù)改造方案；效益分析

1電站概況

象山水電站是黑龍江支流法別拉河中游，距黑河市區(qū)72 km，是1座以發(fā)電為主，兼顧防洪、養(yǎng)魚和凈化水質(zhì)等綜合利用的水利樞紐工程。主要由攔河壩、溢洪道、引水隧洞、發(fā)電廠房、變電廠和110kV輸電線路組成。水庫屬大(2)型水庫，電站裝機(jī)容量3×6000kW，建設(shè)成于上世紀(jì)90年代初，電站機(jī)組設(shè)備為上世紀(jì)80年代末期產(chǎn)品。

運(yùn)行發(fā)電以來，電廠逐年對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行大修、小修實(shí)施技改項(xiàng)目15項(xiàng)，累計(jì)投入技改資金170萬元，基本保障機(jī)電設(shè)備安全，但限于當(dāng)時(shí)的整體技術(shù)研發(fā)和制造水平的制約，許多設(shè)備的性能參數(shù)指標(biāo)已達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，耗能高、效率低，全廠90%電氣一次設(shè)備屬于技術(shù)落后，性能指標(biāo)不穩(wěn)定和被列入國家公布的淘汰機(jī)電產(chǎn)品范疇。

電廠水輪機(jī)采用混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪適用于100 m水頭段，由于水電站自投產(chǎn)發(fā)電以來，水庫大部分時(shí)間處于低水位，水輪機(jī)在低水頭運(yùn)行，導(dǎo)致水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率低、出力不足。由于老化嚴(yán)重，有些設(shè)備機(jī)械和電氣故障頻發(fā)，存有安全隱患，使電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅，電廠在系統(tǒng)中的作用難以發(fā)揮，其經(jīng)濟(jì)效益受到嚴(yán)重影響。

2013年電站被列為農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目，2015年10月電站3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組全部更新改造完畢，并投入運(yùn)行。改造后電站裝機(jī)容量為3×6 600 kW,新增容量1 800 kW，多年平均發(fā)電量為4 082 萬 kW·h，裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)為2 268 h。水輪發(fā)電機(jī)組綜合效率提高15%，水電站發(fā)電效益增加，同時(shí)消除各類安全隱患[1]。

2增效擴(kuò)容改造技術(shù)方案

本次電站增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目是在原水工設(shè)施基本不動(dòng)的條件下進(jìn)行的，不改變原工程等級(jí)及建筑物級(jí)別，對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、主軸密封結(jié)構(gòu)、調(diào)速器、輔助機(jī)械設(shè)備、發(fā)電機(jī)繞組、電氣設(shè)備、自動(dòng)化元件、控制保護(hù)系統(tǒng)等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行更新或改造。

2.1水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換方案

象山水電站的運(yùn)行特點(diǎn)為參與電網(wǎng)調(diào)峰及事故備用，汛期有棄水。據(jù)此對機(jī)組進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，提高調(diào)峰容量和汛期水能利用率。根據(jù)象山水電站的基本情況，推薦采用HLJF2810型轉(zhuǎn)輪替換原HLD74型轉(zhuǎn)輪的技術(shù)改造方案，原水輪機(jī)通流部件保持不變，以最經(jīng)濟(jì)的手段達(dá)到技改目標(biāo)[2]。

2.2改造前后水輪機(jī)性能比較

原水輪機(jī)型號(hào) HLD74—LJ—140，額定轉(zhuǎn)速375r/min,額定流量16.31m3/s,額定出力6250 kW，吸出高度0.0m。5個(gè)典型工況點(diǎn)的水輪機(jī)平均效率為76.48%。推薦更換水輪機(jī)型號(hào)HLJF2810-LJ-140，額定轉(zhuǎn)速：375r/min，吸出高度Hs≤+1.3m，飛逸轉(zhuǎn)速720.7r/min，軸向水推力：331k。5個(gè)典型工況點(diǎn)的水輪機(jī)平均效率為92.7%。

HLJF2810型轉(zhuǎn)輪是利用現(xiàn)代水力學(xué)設(shè)計(jì)理念開發(fā)的導(dǎo)葉相對高度為0.28的“負(fù)傾角型葉片”高效轉(zhuǎn)輪。與HLD74-LJ-140轉(zhuǎn)輪相比，JF2810-LJ-140型轉(zhuǎn)輪具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)在主要運(yùn)行區(qū)效率較高。采用HLJF2810-LJ-140型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改造更換后，水輪機(jī)的預(yù)期綜合效率約可提高16.22%。兩種轉(zhuǎn)輪在典型工況下的水輪機(jī)效率對照情況見表1：

表1　兩種轉(zhuǎn)輪在典型工況下的水輪機(jī)效率對照表

2)在高水頭工況能夠提高機(jī)組出力。與HLD74-LJ-140型轉(zhuǎn)輪相比，HLJF2810-LJ-140型轉(zhuǎn)輪具有更寬的高效區(qū)，其出力限制線的單位流量與最優(yōu)單位流量之差明顯優(yōu)于前者。HLD74-LJ-140型水輪機(jī)在額定工況點(diǎn)的單位流量已接近該水輪機(jī)出力限制線，基本沒有出力裕度，而HLJF2810-LJ-140型水輪機(jī)則有較大的裕度。

3)空化性能較優(yōu)。在額定工況點(diǎn)，HLD74-LJ-140型轉(zhuǎn)輪的臨界空化系數(shù)為0.14，而HLJF2810-LJ-140型轉(zhuǎn)輪的臨界空化系數(shù)為0.12，優(yōu)于前者。并且，由于HLJF2810-LJ-140型轉(zhuǎn)輪葉片為“負(fù)傾角”，其葉片進(jìn)口處的局部空化性能也明顯優(yōu)于HLD74-LJ-140型轉(zhuǎn)輪。

4)吸出高度與安裝高程。由于水頭范圍沒有變化，新轉(zhuǎn)輪的空蝕性能優(yōu)于原轉(zhuǎn)輪，經(jīng)核算，水輪機(jī)吸出高度為+1.3m，滿足不改變水輪機(jī)安裝高程的改造要求。

5)滿足調(diào)節(jié)保證。本電廠共裝3臺(tái)6000kW混流水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為375r/min。引水系統(tǒng)為一洞三機(jī)布置型式。根據(jù)引水系統(tǒng)布置圖、機(jī)組流道尺寸，經(jīng)調(diào)節(jié)保證計(jì)算，小波動(dòng)干擾下，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，收斂性較好。調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果能夠達(dá)到原輸水系統(tǒng)的要求，能夠滿足不改變輸水系統(tǒng)的改造要求。計(jì)算成果見表2：

2.3機(jī)組其它部件改造

2.3.1主軸密封的改造

采用組合式聚四氟乙稀盤根密封。聚四氟乙稀被稱為塑料之王，具有優(yōu)良的力學(xué)、自潤滑、電絕緣、耐熱和耐化學(xué)腐蝕性能，被廣泛地應(yīng)用于國防、航天、電子、化工、機(jī)械、電器等行業(yè)。聚四氟乙稀盤根密封結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、造價(jià)便宜、封水效果好，使用壽命長，能夠保證機(jī)組長期安全運(yùn)行，在國內(nèi)很多電廠已得到成功運(yùn)用。

表2　調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果表

2.3.2推力、導(dǎo)軸瓦及軸瓦冷卻系統(tǒng)的改造

采用彈性金屬塑料瓦代替巴氏合金瓦。彈性金屬塑料瓦是由聚四氟乙烯(俗稱塑料王)和螺旋形青銅絲組成的復(fù)合材料，然后釬焊到瓦體上。其具有摩擦系數(shù)小、熱穩(wěn)定性高、不黏和自潤滑等優(yōu)良特性。冷卻系統(tǒng)的改造按照原來管路型號(hào)更換新設(shè)備。

2.3.3發(fā)電機(jī)制動(dòng)器的改造

采用新型GZD 制動(dòng)器，這種制動(dòng)器配有非金屬無石棉制動(dòng)塊，磨損量小，粉塵極少。活塞密封使用高級(jí)丁腈耐油橡膠模壓而成，中間無合模接縫，持久耐用。目前已在國內(nèi)幾十家水力發(fā)電廠成功運(yùn)用[3]。

2.4調(diào)速器及油壓裝置改造

采用基于液壓數(shù)字邏輯插裝技術(shù)的YCVT系列全容錯(cuò)直接數(shù)字控制的微機(jī)調(diào)速器，更換型號(hào)為YCVT-3000。該調(diào)速器在國內(nèi)很多電廠已經(jīng)成功運(yùn)用，能顯著提高象山電廠的自動(dòng)控制水平。更換新的油壓裝置，型號(hào)為HYZ-1.0-2.5。

2.5蝶閥油壓裝置及控制系統(tǒng)的改造

采用了DFK回轉(zhuǎn)型蝶閥控制系統(tǒng)。柜內(nèi)所有液壓換向閥均采用球閥結(jié)構(gòu)，對工作油源的清潔度要求不高，克服了以往滑閥結(jié)構(gòu)換向閥容易卡塞的現(xiàn)象，提高了工作的可靠性，延長了使用壽命；接力器二位四通球閥均采用球閥結(jié)構(gòu)，連接管路設(shè)置節(jié)流閥，通過調(diào)節(jié)開度實(shí)現(xiàn)蝶閥開、關(guān)時(shí)間的調(diào)整；蝶閥控制系統(tǒng)采用以PLC 為核心的控制單元,結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)開、關(guān)蝶閥過程中異常報(bào)警；液壓換向閥的閥體和閥芯均采用不銹鋼材料，確保換向閥長期可靠運(yùn)行。

2.6發(fā)電機(jī)改造

鑒于象山水電站3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組絕緣老化嚴(yán)重，絕緣耐熱等級(jí)低，綜合效率差等因素，為提高發(fā)電機(jī)的整機(jī)性能和效率指標(biāo)，減少損耗，在保持原發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，擬將3臺(tái)發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組全部更換為F級(jí)絕緣。3臺(tái)發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組全部更換為F級(jí)絕緣而溫升按B級(jí)絕緣控制后，單臺(tái)發(fā)電機(jī)的額定功率可由原6000kW提高至6600kW，擴(kuò)容10%。改造后電站裝機(jī)容量為19800kW，不僅能夠充分利用豐水期棄水多得電量，還能夠增加電網(wǎng)得調(diào)峰和事故備用容量[4]。

2.7主變壓器

鑒于水電站2臺(tái)主變壓器為7系列、高耗能淘汰產(chǎn)品，且存在著許多質(zhì)量缺陷和安全隱患，為提高電廠運(yùn)行的可靠性和節(jié)能增效，擬將其分別更換為S11-16000/110和SS11-8000/110型節(jié)能變壓器。更換變壓器后每年可為電廠節(jié)省電能約10.71×104kW·h。新舊型號(hào)變壓器的損耗指標(biāo)及每年可節(jié)省電能計(jì)算結(jié)果詳見表3：

表3　主變壓器全年電能損耗估算對比表

3增效擴(kuò)容改造后效益分析

水電站經(jīng)設(shè)備更新改造后，機(jī)組運(yùn)行效率提高，減少廠用電消耗，同時(shí)減少維護(hù)檢修的工作量。設(shè)備控制全面采用智能PLC ，控制邏輯主要依靠軟件程序?qū)崿F(xiàn)，電廠全面計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)備和系統(tǒng)配置采用智能化、數(shù)字化的控制，實(shí)現(xiàn)“無人值班”(少人值守)，全面提高電廠的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率。改造后，延長機(jī)電設(shè)備大修、小修周期和減少工作量，每年可節(jié)約維護(hù)費(fèi)約60萬元。電站機(jī)組增效擴(kuò)容改造后，裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)為1 956 h提高到為2 268 h，機(jī)組綜合效率達(dá)到90.62%。多年平均發(fā)電量由3101×104kW·h提高到4082×104kW·h，年可增加發(fā)電量981×104kW·h，發(fā)電量增幅為32%；年增加的售電收入340萬元。項(xiàng)目改造后每年可增加效益合計(jì)約400多萬元[5]。

5結(jié)語

農(nóng)村水電站增效擴(kuò)容改造,不僅是一次機(jī)電設(shè)備更新,而且一次解決電站運(yùn)行中的多項(xiàng)問題。即消除了設(shè)備運(yùn)行的安全事故隱患,大大改善電站的基礎(chǔ)設(shè)施,提高運(yùn)行安全性和可靠性,自動(dòng)化水平得到很大提高，經(jīng)濟(jì)效益明顯，實(shí)現(xiàn)“無人值班”，少人留守”的目標(biāo)，將電站人員重新科學(xué)分流到其他合適的崗位上，降低人力成本，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)效率提高，合理有效利用水能資源，達(dá)到節(jié)能增效的目標(biāo)，同時(shí)滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求，促進(jìn)農(nóng)村水電的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.象山水電廠增效擴(kuò)容改造初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2012.

[2]中華人民共和國水利部.Sl193—1997 小型水電站技術(shù)改造規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，1998.

[3]陳慧等.秀山縣鐘靈水庫壩后電站技術(shù)改造淺析[J].北京：中國水能及電氣化，2013(2)：65-66.

[4]蘭舟等.寶靈寺水電站發(fā)電機(jī)及其附屬設(shè)備增效擴(kuò)容改造分析[J].中國水能及電氣化，2013(7)：26-29.

[5]陳岳松.酒埠江水電站增效擴(kuò)容改造技術(shù)探討[J].中國水能及電氣化，2013(2)：90-93.

中圖分類號(hào)：TV734

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

[作者簡介]肖景賢(1973-)，女，黑龍江克山人，高級(jí)工程師，從事農(nóng)村水電管理工作。

[收稿日期]2016-01-12

文章編號(hào)：1007-7596(2016)03-0072-03