峽山水庫(kù)水電站增效擴(kuò)容改造方案優(yōu)化研究

郭象赟，宋厚清

（1.濰坊市峽山水庫(kù)管理局，山東 濰坊 261325；2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

峽山水庫(kù)是山東省第一大水庫(kù)，坐落于山東省濰坊市，是一座集防洪、工業(yè)及生活用水、灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用于一體的大（1）型水庫(kù)。峽山水庫(kù)水電站位于主壩北首，水能開發(fā)形式屬于梯極開發(fā)，一級(jí)站為河床式，1958年開工，1960年12月建成。二級(jí)站為明渠引水式，1968年6月開工，1970年12月建成。一級(jí)站安裝2臺(tái)650 kW發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)500 kW發(fā)電機(jī)組，二級(jí)站安裝4臺(tái)200 kW發(fā)電機(jī)組，1臺(tái)75 kW發(fā)電機(jī)組，1994年增建1臺(tái)650 kW機(jī)組。工程投產(chǎn)運(yùn)行至今，發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。但由于機(jī)電設(shè)備陳舊落后、老化損耗嚴(yán)重，影響正常安全運(yùn)行，難以發(fā)揮生產(chǎn)效益。為保證電站正常安全運(yùn)行，充分利用水能資源，提高水電站運(yùn)行效率和發(fā)電效益，需進(jìn)行增效擴(kuò)容改造。

1 存在的主要問(wèn)題

1.1 主機(jī)及輔助設(shè)備

水電站水輪機(jī)性能落后，發(fā)電機(jī)效率低，B級(jí)絕緣，絕緣等級(jí)低。機(jī)組經(jīng)多年運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪汽蝕嚴(yán)重，水輪機(jī)出力下降，發(fā)電機(jī)絕緣老化嚴(yán)重，設(shè)備早已超過(guò)報(bào)廢年限，生產(chǎn)運(yùn)行存在很大的安全隱患。輔助設(shè)備已經(jīng)嚴(yán)重老化，管路銹蝕，進(jìn)口閘門不能正常關(guān)閉，難以滿足機(jī)組運(yùn)行需要。

1.2 電氣一次設(shè)備

電纜老化嚴(yán)重，變壓器型號(hào)為SJL鋁芯油浸自冷式，損耗高；3.15 kV高壓配電裝置采用GG-1A型高壓柜，無(wú)防護(hù)措施，柜內(nèi)使用SN10少油斷路器。以上電氣設(shè)備均列入國(guó)家公布的淘汰產(chǎn)品目錄中，不能滿足現(xiàn)有的規(guī)程規(guī)范要求，必需予以更換。其他電氣設(shè)備經(jīng)40多年的運(yùn)行，故障頻發(fā)，維修零部件無(wú)法購(gòu)置。

1.3 電氣二次設(shè)備

水電站電氣二次設(shè)備自建成以來(lái)，從未進(jìn)行更新改造，仍以老式的繼電器為主，主要結(jié)構(gòu)陳舊，性能落后，許多繼電器被列入國(guó)家淘汰產(chǎn)品目錄，電站事故頻發(fā)，不能發(fā)出正確的指令與信號(hào)，存在較大安全隱患，滿足不了最基本的運(yùn)行管理要求。

2 水機(jī)改造方案

2.1 機(jī)組選型和改造方案

根據(jù)水文計(jì)算進(jìn)行機(jī)組選型和機(jī)組改造方案對(duì)比，見表1。

由表1可知，一級(jí)電站方案一和方案二均可達(dá)到擴(kuò)容目的。方案二雖然機(jī)組效率和性能相比方案一略差一點(diǎn)，但機(jī)電設(shè)備投資節(jié)省225萬(wàn)元，根據(jù)電站目前實(shí)際情況，為節(jié)省投資，經(jīng)綜合比較，選用方案二更換葉輪和定子、轉(zhuǎn)子線圈方案。二級(jí)電站方案二原設(shè)備制造質(zhì)量差，改造困難，改造后機(jī)組性能差；方案一僅比方案二投資多70萬(wàn)元，但整機(jī)更換后，不但能達(dá)到擴(kuò)容目的，而且機(jī)組效率高、性能好，使用壽命長(zhǎng)，本站為明流機(jī)組，更換新機(jī)組極為方便。綜合比較，選用方案一整機(jī)更換方案。

表1 電站機(jī)組改造方案比較表

2.2 改造結(jié)果

1）一級(jí)電站主機(jī)改造結(jié)果。將水輪機(jī)葉輪更換為ZDJP502－LH－180型水輪機(jī)葉輪，采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)。設(shè)計(jì)水頭Hr=6.5 m、單機(jī)流量Qr=13.91 m3/s、葉輪直徑1 800 mm、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n=187.5 r/min、水輪機(jī)效率η=90%。按SF750-32/2840型號(hào)發(fā)電機(jī)更換原發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子線圈。發(fā)電機(jī)額定容量750 kW、發(fā)電機(jī)效率η=93%、電壓3 150 V、勵(lì)磁方式改為JL-12、調(diào)速器改為YWT-1000-G（組合式微機(jī)調(diào)速器，全部采用PLC控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，具有安全保護(hù)功能，高壓油系統(tǒng)同時(shí)滿足停機(jī)剎車要求）。改造機(jī)組3臺(tái)。

2）二級(jí)電站主機(jī)改造結(jié)果。將1#～4#原水輪機(jī)ZD760-LM-120更換為ZDT03－LM－120型水輪機(jī)，葉輪采用0Cr13Ni4Mo不銹鋼材質(zhì)。設(shè)計(jì)水頭Hr=4.7 m、單機(jī)流量Qr=6.5 m3/s、葉輪直徑1 200 mm、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n=250 r/min、水輪機(jī)效率η=89%、1#～4#原TSL173/17-24型發(fā)電機(jī)更換為SF250-24型發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)額定容量250 kW、電壓400V、發(fā)電機(jī)效率η=93%、勵(lì)磁方式改為可控硅勵(lì)磁、調(diào)速器改為YWT-600-G（組合式微機(jī)調(diào)速器，全部采用PLC控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，具有安全保護(hù)功能，高壓油系統(tǒng)同時(shí)滿足停機(jī)剎車要求），傳動(dòng)方式為直聯(lián)。5#原水輪機(jī)ZD760-LM-80更換為ZDT03-LM-80、設(shè)計(jì)水頭Hr=4.7 m、單機(jī)流量Qr=2.68 m3/s、葉輪直徑800 mm、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n=478 r/min、水輪機(jī)效率η=88%、5#原發(fā)電機(jī)T-75-6更換為SF100-8、額定容量100 kW、額定轉(zhuǎn)速750 r/min、額定電壓400 V、發(fā)電機(jī)效率η=92%、勵(lì)磁方式為可控硅、傳動(dòng)方式為直聯(lián)、調(diào)速器改為YWT-300-G（組合式微機(jī)調(diào)速器，全部采用PLC控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，具有安全保護(hù)功能，高壓油系統(tǒng)同時(shí)滿足停機(jī)剎車要求）。

2.3 輔助設(shè)備改造

1）起重設(shè)備。一級(jí)原手動(dòng)吊車更換為電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)LDA-10，起重量10 t，跨度Lk=8 m。二級(jí)原手動(dòng)吊車更換為L(zhǎng)DA-5型電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)，起重量5 t，跨度Lk=6.5 m，地面操作形式。2）油氣系統(tǒng)。原來(lái)油氣系統(tǒng)用于機(jī)組頂轉(zhuǎn)子、制動(dòng)，現(xiàn)在采用的YWT-1000-G、YWT-600-G型組合式微機(jī)調(diào)速器，通過(guò)中間油站裝置不但能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，還具有安全保護(hù)功能，其本身的高壓油系統(tǒng)能同時(shí)滿足停機(jī)剎車要求，故不再設(shè)氣系統(tǒng)。3）供排水系統(tǒng)。采用YQS200潛水泵接ACS510變頻調(diào)節(jié)器，同時(shí)在供水系統(tǒng)中加裝壓力報(bào)警器，一級(jí)排水采用自然排水和自動(dòng)系統(tǒng)排水相結(jié)合，二級(jí)采用自然排水經(jīng)蝸殼到尾水。

3 電氣改造方案

3.1 一級(jí)水電站主接線

水電站3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量750 kW，發(fā)電機(jī)電壓3.15 kV，升壓變壓器1臺(tái)，容量為3 150 kVA。變壓器高壓側(cè)經(jīng)斷路器接入10 kV母線。10 kV母線為單母線接線。10 kV出線經(jīng)斷路器、電纜接、隔離開關(guān)接入10 kV架空線路終端桿。3.15 kV側(cè)配一臺(tái)站用電的變壓器，容量為80 kVA（裝柜內(nèi)）。站用電0.4 kV為單母線接線，并由二級(jí)水電站引來(lái)低壓電源電纜做備用電源。

3.2 二級(jí)水電站主接線

水電站共5臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，4臺(tái)250 kW、1臺(tái)100 kW水輪發(fā)電機(jī)，總?cè)萘? 100 kW，發(fā)電機(jī)電壓0.4 kV，升壓變壓器2臺(tái)，4臺(tái)250 kW機(jī)組設(shè)1臺(tái)容量為1 600 kVA變壓器，變比為10/0.4 kV，1臺(tái)100 kW機(jī)組接1臺(tái)容量為160 kVA變壓器（含站用電），變比為10/0.4 kV。變壓器低壓側(cè)經(jīng)低壓電纜（低壓母線）、斷路器接入0.4 kV母線，0.4 kV母線為單母線。10 kV出線1回，經(jīng)隔離開關(guān)接入10 kV架空線路。

3.3 主要電氣設(shè)備選擇

1）一級(jí)水電站設(shè)備選擇。變壓器選擇S11-3150-10.5±5%/3.15新型油浸升壓變壓器1臺(tái)，發(fā)電機(jī)高壓柜采用KYN28A-12（G）型，低壓配電系統(tǒng)采用GGD2系列成套低壓柜。3.15 kV及10 kV高壓電纜選用YJV22型銅芯交聯(lián)聚乙稀絕緣鎧裝電力電纜。低壓電纜采用YJV型銅芯交聯(lián)聚乙稀絕緣聚氯乙稀護(hù)套電力電纜。控制電纜選用KVV型銅芯聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電纜。

2）二級(jí)水電站設(shè)備選擇。變壓器選擇S11-1600-10.5±5%/0.4新型油浸升壓變壓器1臺(tái)，選擇SC11-160-10.5±5%/0.4新型油浸升壓變壓器1臺(tái)。5臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組均選用三合一型發(fā)電機(jī)控制柜。該控制柜將發(fā)電機(jī)控制、勵(lì)磁、同期設(shè)備等集中于同一柜內(nèi)，每臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組均配設(shè)1塊三合一控制柜。

低壓配電系統(tǒng)采用GGD2系列成套0.4 kV開關(guān)柜。高壓柜采用XGN-10型，10 kV高壓電纜選用YJV22型銅芯交聯(lián)聚乙稀絕緣鎧裝電力電纜。低壓電纜采用YJV型銅芯交聯(lián)聚乙稀絕緣聚氯乙稀護(hù)套電力電纜?？刂齐娎|選用KVV型銅芯聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電纜。

4 改造特點(diǎn)

4.1 主機(jī)改造

一級(jí)電站充分利用原來(lái)發(fā)電機(jī)外殼，將原來(lái)TSL284/19-32發(fā)電機(jī)組定子和轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行了更換，將原來(lái)的絕緣等級(jí)由B級(jí)提高到F級(jí)，大大提高了設(shè)備的絕緣水平和抗老化能力，發(fā)電機(jī)效率達(dá)到93%，水輪機(jī)效率為90%。二級(jí)水電站將原75 kW發(fā)電機(jī)T-75-6更換為SF100-8，額定容量100 kW；水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)效率分別為89%、93%。一、二級(jí)站不銹鋼轉(zhuǎn)輪的使用，大大增強(qiáng)了輪葉抗汽蝕能力，進(jìn)一步降低了轉(zhuǎn)輪的維護(hù)成本。

4.2 勵(lì)磁方式

一、二級(jí)站由勵(lì)磁機(jī)自并激和三相橋式硅整流改變?yōu)榭煽毓鑴?lì)磁，徹底改變了原來(lái)勵(lì)磁方式不穩(wěn)定、失磁、故障率高的問(wèn)題。

4.3 新型調(diào)速器

一、二級(jí)電站調(diào)速設(shè)備由原來(lái)XT-1000及電動(dòng)渦輪蝸桿調(diào)速器改為YWT-1000-G、YWT-600-G、YWT-300-G型組合式微機(jī)調(diào)速器，全部采用PLC控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，具有安全保護(hù)功能，高壓油系統(tǒng)同時(shí)滿足停機(jī)剎車要求。

4.4 電動(dòng)行車

一、二級(jí)站將原手動(dòng)吊車更換為電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)LDA-10，LDA-5，起重量10 t和5 t，為便于安裝將吊車加裝變頻調(diào)速，大大提高了吊車的運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.5 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用開放分層分布式結(jié)構(gòu)，IEEEC802.3以太網(wǎng)（TCP/IP）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，具有先進(jìn)、開放、標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，滿足無(wú)人值班、少人值守要求。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)電站的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。人機(jī)接口功能強(qiáng)，人機(jī)界面采用中文，操作控制方便、靈活。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件安全可靠，能適應(yīng)電站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

峽山水庫(kù)水電站增效擴(kuò)容改造完成后，一級(jí)電站機(jī)組綜合效率達(dá)83.7%，二級(jí)電站達(dá)82.77%，增效成果明顯。增效擴(kuò)容后2018年試車并投入運(yùn)行，2019—2021年完成發(fā)電量逐年攀升，發(fā)電量增效幅度達(dá)20%以上，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。改造后自動(dòng)化程度高，大大減少了運(yùn)行維護(hù)人員，節(jié)省運(yùn)行維護(hù)成本，提高工程運(yùn)行效率。