龜石水庫電站增效擴容改造若干技術分析

張 紅，麻山紅

（廣西賀州市龜石水利工程管理處，廣西 賀州 542600）

龜石水庫電站增效擴容改造若干技術分析

張 紅，麻山紅

（廣西賀州市龜石水利工程管理處，廣西 賀州 542600）

龜石水庫電站1964年建成發電，機電設備運行50多年，存在設備陳舊老化，安全性能差，主要性能參數較低，運行維護困難等問題。論述了該電站增效擴容技改設計及機電設備選型。通過改造后，消除了安全隱患，多年平均發電量比現狀實際發電量增加589.4萬kW·h，同比提高了17％。

水電站；增效擴容；機電設備；技術分析；龜石水庫

1 水庫概況[1]

龜石水庫位于鐘山縣龜石村以北的富江中游，富江為賀江上游，發源于湘桂交界的都疣山，是西江的一級支流，水庫系多年調節，集雨面積1 254km2，多年平均經流9.59億m3，總庫容5.95億m3，有效庫容3.48億m3，正常蓄水位為182m，是一座以灌溉為主集防洪、發電、城鎮供水于一體的綜合利用工程，屬大（2）型水庫。電站始建于1959年10月，1964年4月正式投入運行，電站為壩后式，裝機容量4×3 000 kW，年設計發電量6 600萬kW·h，年利用小時數4 562h。

2 電站存在的主要問題

電站的機電設備經過50多年的運行，已顯得陳舊，加上當時設備制造水平及設計要求標準較低，相對現時標準已顯得安全性能差，設備主要性能參數較低，有些設備已為淘汰產品，運行維護困難，主要體現在：

（1）發電機。發電機定子線圈雖然在1986年改造過，但至今已有30年，目前表現為定子線圈老化，絕緣開裂，測溫元件失效。水輪機頂蓋和控制環由于當時制造的工藝和材料的制約，經過50年的運行，設備出現了裂紋和疲勞，2#機組2006年在大修時，緊固螺栓產生較大的崩裂，使得整個頂蓋報廢，且1998年對水輪機轉輪技改后，出力可達到45 10 kW，但由于資金問題，發電機沒有同步改造，致使整套機組效益沒有得充分利用。

（2）3＃號發電機勵磁裝置。本機裝置1995年改造過，但由于控制部分無功調節波動較大，無法進行控制，經常將機組轉為徑向運行，一定程度影響了運行安全，且與1＃、2＃、4＃號勵磁系統生產廠家及型號不同，維修不便。

（3）開關柜部分。開關柜為GG1A-10型，柜體形式陳舊屬淘汰產品，柜內斷路器為油式且開斷電流容量小，維護困難。

（4）升壓站部分。設備為20世紀60～70年代生產的DW1_35等多油斷路器，隔離開關為GW2-35和GW1-10型，且龍門架等開關設備支架水泥脫落，部分鋼構暴露，并產生嚴重的銹蝕。1＃主變是1995年產品的S7系列，是國家要求更換的系列，且主要分接頭已不能調節，滲漏油嚴重，運行溫度高，損耗大。

（5）直流系統。鉛酸蓄電池為1994年的產品，占地多維護工程量大，且電池出線頭已經嚴重老化，經常出現由于出線頭斷裂直流電源消失，導致全廠停運，嚴重威脅機組安全。

（6）監控保護系統。監控系統為控制臺加返回屏模式，保護為許繼電氣1989年產品，裝置維護工作量大，調試時間長，元件特性不穩定，由于使用年限長，部分零配件很難買到，且保護誤動率大，不利于安全運行。

水電站經多年運行，機電設備技術陳舊、老化嚴重，嚴重影響了發供電安全生產，為消除安全隱患，提高生產效率，增加發電效益，亟需對水電站進行增效擴容改造。

3 水電站增效擴容技改設計及機電設備選型

3.1 水電站增效擴容技改思路

根據本電站機電設備陳舊落后的實際情況，在不改變電站引水、壓力管道的情況下，通過更換發電機定子以達到增效擴容的目的。同時全面更換機電設備老化產品，以提高電站的運行水平，保證發供電安全。

3.2 水電站增效擴容技改的確定和選擇

根據水利部《關于印發農村水電增效擴容改造項目機電設備選用指導意見》，結合電站實際情況進行設備選擇。

（1）發電機定子。針對發電機定子磁性變差及線圈老化問題，在發電機轉子不改變的情況下，將定子鐵芯和線圈全部更換，定子鐵芯采用高導磁率、低損耗、無時數機械性能優良的優質冷軋薄硅鋼片疊成，且鐵芯單位損耗不應大于1.2 W/kg。并且增大定子線圈線徑截面，提高線圈絕緣等級，使其達到F級絕緣等級，發電機定子線圈改造后，可充分發揮水輪機轉輪的最大出力，提高機組效率及水能利用系數。

（2）10（6）kV配電裝置。設備全部為鎧裝移開式金屬封閉開關柜，戶內布置，選用KYN28A-12（2）型，柜內裝置極柱固封手車式真空斷路器，開關柜額定電壓12（7.2）kV，額定電流1 600 A和630 A，額定動穩定電流100 kA，開關柜配彈簧操作機構，外殼保護等級為IP4X，運行更安全。

（3）35 V配電裝置。采用戶內鎧裝型移開式金屬封閉開關柜，型號為KYN61-40.5型，柜內裝置真空斷路器為極柱固封手車式真空斷路器，開關柜額定電壓40.5 kV，額定電流1 250 A，額定動穩定電流63 kA，整柜電氣性能比原戶外敞開式設備有明顯提高，且操作維護簡單方便，運行更安全。

（4）主變壓器。1＃號主變壓器是1995年產品，型號為SFS7-8000／35／10／6容量8000kVA，而2＃號主變壓器型號為SFS-12500kVA／35／10／6容量為12 500 kVA，由于1＃號主變壓器與原2＃號主變壓器容量不匹配，在2～3臺機組運行且供電負荷不平衡情況下，會出現一臺主變壓器上網，一臺主變壓器倒供（計量在兩臺主變出口）以及原主變運行溫度損耗高等問題，將1＃號主變更換為與2＃號主變相近的變壓器，型號為SFS11-12500/35/10/6型節能三圈變壓器，更換后變損可降低20％以上，且可以解決因容量不匹配造成的一臺上網一臺倒供的問題。

（5）監控保護系統。按照“無人值班，少人值守”的模式，采用技術成熟運行穩定可靠的測控保護一體化式微機綜合自動化監控系統，微機綜合自動化系統為分層分布式結構，全面監控全站設備運行，實時反映設備工況，運行數據記錄、事件記錄報警、數據上傳等，從而保證機組高效運行，降低工人勞動強度，改善工作環境。

4 調速器選型計算

4.1 發電機組的參數

發電機組和原有調速器及設計參數見表1。

表1 電機組參數表

4.2 水輪機所需調速功計算

根據經驗公式：水輪機調速功Wg＝（20-25）×Qr×（Hmax×Dr）0.5

計算結論：根據估算結果和水輪機調速器系列型譜規定，考慮調速功變量，選取調速功率為3000kg·m。

4.3 接力器容積計算

根據國標《水輪機控制系統技術條件》4.5.1項規定，最低操作壓力PR（MPa）根據要求的接力器調速功率和所用的接力器容積V（m3），求得：

4.4 油壓裝置選型計算

4.4.1 油壓裝置壓力罐選型計算

油壓裝置的壓力罐容量選型實際上是確定壓力容器的容積，壓力容器的容量計算方法是根據《水輪機控制系統技術條件》4.5.2項規定，壓力油罐可用油體積，在正常工作油壓下限和油泵不打油時，壓力罐容積至少應能在壓力下降不超過正常工作油壓下限和最低操作油壓之差的條件下提供規定的各接力器行程數，對混流式水輪機為3個接力器行程，也就是說壓力罐的可用油容積Vu應滿足下列要求Vu≥3V（V――接力器總容積），則可用油容積應為

最終取Vu＝10 L

4.4.2 計算壓力罐容量

（1）根據絕熱過程方程PVK＝C（常數），調速器在運行過程中，壓力罐內的壓縮空氣既不是按等溫規律變化，也不是按絕熱規律變化，而是介于二者之間的中間狀態變化。

根據經驗一般取指數K＝1.25～1.4之間，故取1.3

根據工作油壓的上限Pmax＝16MPa

工作油壓的下限Pomin＝14MPa

最低操作油壓PR＝10.5MPa

由公式：PominVair＝PR（Vair+Vu）K

其中：Vair為工作油壓下限Pomin時的氣體容積

Vu為可用油體積

計算得Vair＝45.45 L

最低工作油壓時氣體容積VRair＝Vair+Vu

＝45.45+10

＝55.45 L

（2）壓力罐容積計算。根據《水輪機控制系統技術條件》4.5.3項規定，在正常工作油壓上限，非隔離式壓力罐內油和空氣體積比通常為1/3～1/2，高壓隔離式壓力罐內預充壓力為0.9PR，罐內氣體容積即所需蓄能罐容積VH為：

按《水輪機調速器及油壓裝置系列型譜》選擇系列標準，蓄能罐樣本及預留一定余量可選2×40 L。

4.4.3 油壓裝置油泵電機選型

（1）根據《水輪機控制系統技術條件》4.5.4項規定，每臺泵每分鐘的輸油量不大于接力器容積的0.65倍。

（2）正常工作油壓上限時的蓄能器氮氣體積Vair-max為：

油泵將油壓從正常工作油壓下限打致正常油壓上限的時間為30s～60s，即油泵輸油量Q

根據機械油泵樣本的選型標準,選取8.5 L/min的油泵,按電機選型選取3 kW的電機。

4.5 內置式和外置式接力器的選擇

（1）內置式接力器。接力器的少量漏油直接進入回油箱中，避免環境污染和操作油損失，解決水輪機組旁安裝空間較少，調節通過調速軸傳遞，接力器在回油箱內，受橫向力作用，必須增加回油箱的強度。

（2）外置式接力器。由于接力器不在回油箱內，回油箱內不受橫向力作用，回油箱尺寸和強度相比內置式減少，安裝固定簡單，油壓裝置可根據廠房布置安裝在較合理、美觀的位置，調速直接由外接力器傳遞，減少調速軸，且外置接力器直接觀察檢修接力器。缺點是外置接力器需增加固定支架，且接力器必須通過高壓油管與回油箱連接。

（3）根據內置和外置接力器的優、缺點，結合水輪機組處的位置，采用外置式調速器，增加一套支架將原水輪機組的控制環推拉桿與高壓接力器固定連接即可，調速器控制柜安裝在油壓裝置回油箱上，整體安裝在原調速器位置上，接力器通過高壓油管與回油箱聯接。

（4）龜石水庫電站采用調速功為3 000kg·m，蓄能器容積為2×40 L，油泵為8.5 L/min，電機為3 kW，工作油壓為16MPa，外置式調速器。技改后調速器經過半年的使用試行，各項技術指標都達到設計要求，調速器改造達到預期的目標。

5 電站增效擴容改造效益

電站通過改造后，淘汰落后技術和設備，解決了電站在生產過程中的安全隱患，實現了電站的自動化管理，改造后，多年平均發電量比現狀實際發電量增加589.4萬kW·h,同比提高了17％，顯著增加了電站的經濟效益。目前電站增效擴容改造已完成,各改造設備運行良好,每臺機組發電功率都達3 750 kW以上,且自動化程度大大提高，實現少人值班，同時減輕生產人員的勞動強度，大大的提高了勞動效率。電站增效擴容改造達到了預期的目的。

通過水電站增效擴容改造，電站由原來的12 000 kW增容至14 400 kW，增容量為2 400 kW。并進行設備技術改造和自動化控制改造，水電站改造前后主要特性見表2。

表2 水電站技改前后主要特性表

6 結語

廣西賀州龜石水庫電站增效擴容改造方案和機電設備的選型，依據水利部《農村水電增效擴容改造項目機電設備選用指導意見》，結合電站現場實際情況，確保了農村水電增效擴容改造項目設備選用的質量和效果，淘汰落后的技術和設備，提高了綜合能效，促進安全生產，實現了電站增效擴容改造目標。

[1] 廣西梧州水利水電設計院.廣西賀州龜石水庫電站增效擴容改造初步設計[R].梧州：廣西梧州水利水電設計院，2012.

（責任編輯：劉征湛）

Efficiency and capacity upgrade of hydropower station at Guishi Reservoir

ZHANG Hong,MA Shan-hong
（Guishi Water Engineering Administration Department,Hezhou 542600,China）

The hydropower station at Guishi Reservoir was put into operation in 1964.After operating for more than 50 years,it’s mech-electrical equipment were aged with poor safety performance,low-level parameters,rendering much difficulties for operation and maintenance.A discussion was made on the design of efficiency and capacity upgrade as well as the selection of mech-electrical equipment.After the upgrade,hidden safety trouble was eliminated,the mean annual power output increases by 5.894×106kW·h,corresponding to a rise of 17％.

Hydropower station;efficiency and capacity upgrade;mech-electrical equipment;technical analysis;Guishi Reservoir

TV734

B

1003-1510（2016）04-0080-04

2016-06-12

張 紅（1969-）男，云南昆明人，廣西賀州市龜石水利工程管理處工程師，主要從事水電站發電設備維護管理工作。