上關水電站技術改造設計研究

于洪亮

(河北省遵化市水利局，河北 遵化 064200)

1 水電站概況

1.1 基本情況

上關水電站位于遵化市馬蘭峪鎮上關村北500 m處，是上關水庫樞紐工程重要組成部分，為壩后式電站。該工程位于主閘放水洞右側，裝機容量3×250 kW，原設計年發電量為144.89萬 kW·h，設計年利用小時1 932 h，設計流量6 m3/s，最大水頭24.2 m，最小水頭11.2 m，設計水頭20.70 m。

水電站主要工程設施有引水建筑物及壓力管道、水輪機、發電機、升壓站及附屬設施。其中，1#水輪機組型號為HL260-WJ-60，2#、3#水輪機組性好為HL300-WJ-60；1#發電機組型號為TSWN85/39-10，2#、3#發電機組型號為TSWN99/29-12；升壓站由3臺320kVA和1臺50kVA廠用變壓器組成。水電站建成至今發揮了巨大的經濟效益，歷史最高發電量為1994年180.5萬 kW·h，截至2004年底已累計發電2 360.3萬 kW·h，實現安全生產1 345 d，于1999年通過省廳“安全運行一千天”驗收。

1.2 現存問題

1.2.1 廠房

廠房屋頂為坡屋面瓦結構，因年久失修，導致瓦面塌陷，損壞嚴重，雖歷經多次修繕仍有瓦面破損，墻皮脫落、裂紋影響電站形象。電站只有主廠房，沒有副廠房，機組控制、保護設備布置在安裝間，運行值班時噪音大、溫度高且運行環境惡劣，嚴重影響值班人員身心健康[1-3]。

1.2.2 壓力管道

壓力管道為集中供水方式，由放水洞岔接1根鋼筋混凝土主管，分為3根鋼筋混凝土支管，支管末端采用鋼管與水輪機蝸殼連接。隨著下游用水情況的變化，近年來在3臺機組壓力鋼管閥前各接了一根DN150鋼管向下游供水，導致電站管理混亂，影響機組正常發電。

1.2.3 水輪發電機組

水輪發電機組投入運行至今已40多年，超期服役，近幾年機組的運行狀況越來越差，早已超過機組的大修間隔周期，但是由于技術力量薄弱，經費有限，多年未曾安排過大修。機組軸承漏油嚴重，軸瓦嚴重磨損。

1.2.4 調速器

調速器型號為XT-300型機械液壓調速器，屬于70年代產品，由于已運行多年。目前，調速器的自動調節功能已喪失，出現頻率不穩定、測頻精度差、操作不靈活、丟步與失步的現象，因當時制造問題漏油嚴重，油泵啟動頻繁，已不能保證機組的穩定運行。

1.2.5 勵磁設備

電站1#機采用相復勵，2#、3#機采用TFKGL-200型可控硅勵磁。由于年代久遠，目前設備老化，技術落后，故障增多，存在勵磁不足、帶不起無功、運行不穩定、發生震蕩等現象。勵磁裝置使用已三十多年，達到《小型水電站機電設備報廢條件》，相復勵勵磁裝置超過15 a可予整套報廢的條件。

1.2.6 機組出口控制、保護及廠用電設備

電站裝設3臺250kW、400V低壓水輪發電機組，每臺機配置1面BSL-1-非型發電機配電盤，另配1面BSL-1-60型廠用電盤；1978年由天津開關廠生產，至今已使用40余年，開關柜為開敞式結構，不具備“五防功能”，元器件早已不生產，操作不靈活，絕緣性能差，運行中拒合、拒分或誤合、誤分現象越來越嚴多。柜內配置的DW10型框架斷路器已列入國家公布的淘汰機電產品目錄，屬已淘汰產品。

1.2.7 開關站設備

開關站設備主要包括3臺主變，1臺廠變及變壓器高、低壓側開關設備。其中，3臺主變為SJ3-320/10型，為配電變壓器，由于能耗高已列入小型水電站機電設備應淘汰的產品目錄。目前，變壓器漏油嚴重、介損超標，已不能正常使用；變壓器高壓側跌落式熔斷器為RW3-10型，經多年使用，年久老化，熔體斷裂，觸頭融化，不能正常動作；線路出線斷路器為DW5-10型多油斷路器，漏油嚴重，拒合、拒分、誤合、誤分現象時有發生。

1.3 改造必要性

上關水電站已經運行40多年，機電設備和建筑物等老化嚴重，當時主機設備制造廠家已經倒閉，無法進行設備的維護，機組長期帶病運行，即將停運，變壓器等機電設備非節能設備，不能滿足現在節能減排要求。為了充分利用上關水庫水能資源，促進地方經濟發展，緩解地方用電緊張局面，提高電站安全穩定運行可靠性，保障上關水庫防汛應急用電，急需對電站進行整體技術改造[5]。

2 技術改造設計方案

2.1 建筑物改造

2.1.1 廠房

擬對坍塌的部分坡架進行整修，瓦面進行更換，整修處理流程為：先檢查拆除原有坍陷、破損部分屋面瓦，然后對坍陷部分坡架進行整修，整修完成后采用水泥瓦對原有瓦片進行更換，整修面積共計350 m2。

廠房內外墻皮由于風雨侵蝕、脫落、裂紋，本次擬采用墻面漆對其進行重新粉刷。內墻面處理工藝流程為：鏟除原內墻裝修、清掃干凈、刮膩子、刷內墻漆。外墻面處理工藝流程為：清掃干凈、刷漆[6]。

2.1.2 新建控制室

電站只有主廠房，沒有副廠房，機組控制、保護設備布置在安裝間，運行時廠房內溫度高、噪音大，噪音已達危害人身健康的程度，最大噪音113 dB。本次擬在安裝間靠墻修建隔音、隔熱控制室1間，控制室尺寸(長×寬×高)為5 m×5 m×3.5 m；控制室采用雙層中空玻璃隔音、隔熱鋁合金修建。

2.1.3 壓力管道改建

將分別接于3臺機壓力管道上的3根DN150供水鋼管拆除封堵。將3#機蝶閥、短管、伸縮節更換，將短管加長并制作成DN1000/500的鋼制三通，加裝1臺DN500蝶閥，后接DN500鋼管引至廠房外左側。分別利用3個DN500/200的鋼制三通與原有3根供水管接通。

2.2 機電及金屬改造

2.2.1 水輪發電機組

技術改造擬對1#、2#、3#水輪發電機組進行大修，大修是對機組全面的檢查、清掃、測量和修理工作，要全面消除機組的缺陷，更換需要更換或已到期的零部件(主要是軸瓦及密封件)，要重新調整、組裝、試驗，使機組整舊如新，恢復運行性能。密封主要包括主軸密封和導葉密封，1#、2#、3#水輪機主軸密封磨蝕嚴重，密封腔內的密封材料已缺失，需要更換新的密封材料。1#、2#、3#水輪機導葉密封為橡膠材質，已老化失效，導致漏水，需要更換。

2.2.2 調速器

現有調速器為XT-300型自動調速器，工作容量300 kg-m，工作油壓25 kg/cm2，目前已喪失自動調節能力，操作不靈活，頻率不穩定，經常出現丟步與失步現象，因當時制造問題漏油嚴重，油泵啟動頻繁。本次擬對調速器進行更新，調速器主要功能應滿足以下要求：(1)調速器必須保證機組在空載及并網運行工況下穩定運行；(2)具有帶負荷運行、增減負荷、自動及手動開停機等功能；(3)結合永態轉頻差與差率，并網后可自動調整出力，實現無擾動、無條件地手動與自動的相互切換；(4)能采集并顯示自動、手動、接力器開度、網頻、機頻等運行狀態和主要參數，結合實際需求在線現地實現調速器運行參數的整定；(5)電氣故障的情況下，可以自動切換為手動工況，保持當前負荷并發出故障報警信號，此外手動工況對緊急停機的可靠動作不產生影響。

2.2.3 進水閥

由于壓力管道改造，需更換3#機組進水閥、短管及伸縮節。進水閥選擇D941X-10 DN1000型電動蝶閥，閥門直徑1 000 mm，公稱壓力1.0 MPa。短管布置在閥門上游，制作時需測量現場尺寸，短管上需帶DN500供水口一個。

2.3 電氣設備

電氣設備運行不僅能夠對電站的安全穩定性產生極大的影響，而且與電站的經濟合理性密切相關，因此在電氣設計過程中，所有電氣設備必須滿足安全穩定的要求，并具備較高的經濟運行指標，從而提高電站的整體效益實現運行能耗的有效控制。技術改造的主要內容：針對設備陳舊老化的現狀，通過與電站運行管理人員溝通，結合省補資金安排擬更新3臺機組出口控制保護設備為低壓機組一體化屏，更新廠用電柜1面，更新3臺機組勵磁裝置，更新3臺主變壓器，2臺10 kV戶外高壓斷路器，3組10 kV戶外隔離開關，4組10 kV戶外高壓跌落式熔斷器等。動力電纜經檢驗合格(每年進行試驗)，故不予更換。

2.3.1 電氣設備選擇

主要電氣設備的選擇，遵循可靠性高、維護檢修方便、技術先進、易于布置安裝等原則，并結合我國電器工業的目前水平合理選用[7]。

(1)機組出口控制、保護設備：機組出口控制、保護設備選擇低壓機組一體化屏，屏內設備包括機組控制保護測量調節裝置、低壓斷路器、隔離開關、電流/電壓互感器；可實現機組的控制、測量、保護、頻率調節、電壓調節、同期并網等功能。(2)廠用電設備：廠用電設備采用GGD型低壓開關柜。(3)變壓器：主變壓器選擇S11-315-10.5/0.4kV三相銅線圈低損耗節能型升壓電力變壓器，變壓器容量315 kVA，額定電壓10.5±2×5%/0.4kV，連接組別Y，d11。④高壓開關設備：10 kV戶外高壓斷路器選擇ZW8-12/630型，額定電壓12 kV，額定電流630 A。跌落式熔斷器選擇HRW10型，額定電壓10 kV，3臺主變用熔管電流50 A，熔絲電流30 A，廠變用熔管電流50 A，熔絲電流10 A。隔離開關選擇GW9-10/630型，額定電壓10 kV，額定電流630 A。(5)勵磁裝置：機組勵磁方式采用自并激靜止可控硅勵磁裝置，功率單元、調節單元、勵磁變組成1面勵磁屏。

2.3.2 電氣設備布置

電氣設備的布置仍按照目前的方式布置，機組一體化屏、勵磁屏、廠用電屏布置在主廠房內安裝間，主變布置在廠房右側后方變電站內水泥變臺上，高壓開關設備布置在變電站內桿上。

2.3.3 防雷接地

上關水電站防雷設施完善，滿足電站正常運行需求，故防雷設施不進行改造。上關水電站機電設備共用一處接地裝置，接地裝置采用敷設人工接地體型式，經多年運行，未出現因接地發生的事故及故障，本次改造因涉及到多臺電氣設備的更換，因此對接地系統應全面核查，并對接地電阻進行檢測，若不滿足要求，則應查明原因，立即處理。

改造后電氣設備布置基本按照原布置情況進行，接地亦可利用原有接地線，若有不可利用的情況，則應重新進行接地線的敷設及安裝。

3 改造效果

上關水電站機組更新改造項目總投資389萬元，機電設備及安裝工程345萬元；臨時工程20萬元；其它費用15萬元；預備費9萬元；上關水電站建筑工程和機電設備完全達到新建電站水平，每年可增加發電量71.1萬 KW·h，年增發電收益34.2萬元，年增稅后利潤31萬元，將為當地的社會進步和經濟發展做出更大的貢獻。

水電作為清潔可再生能源，是國家政策鼓勵與扶持的建設項目，該工程按照節水、節能、節材、節地、資源綜合利用要求，在設計過程中充分考慮節能降耗的主體思路，經分析論證，滿足現行節能降耗的基本要求。

4 結語

(1)經長期運行，上關水電站機電設備和建筑物等老化嚴重，機組長期帶病運行，即將停運，變壓器等機電設備非節能設備，已無法滿足線性節能減排要求。因此，急需對電站實行整體技術改造，為充分利用上關水庫水能資源，保障水庫防汛應急用電，提高電站安全穩定運行可靠性，緩解堤防用電緊張的局面提供保障。

(2)在電站投入運行，并進入穩定運行期間后，可充分運用電站運行管理系統對各運行期系統設備及參數進行合理配置，以實現整個水電站的經濟運行方式。