摘要：廈門(mén)筼筜湖第二排洪泵站在外海漲潮時(shí)通過(guò)引水流道將海水引入內(nèi)湖，退潮時(shí)將內(nèi)湖水排至外海，在納潮和排潮時(shí)，筼筜湖和外海側(cè)均存在潮位差。豎井貫流泵進(jìn)出水流道平直，可雙向過(guò)水，流道水力損失小，若采用水泵—水輪機(jī)機(jī)型，便為潮汐發(fā)電提供了可能性，將排洪和發(fā)電綜合利用起來(lái)，惠及民生。

關(guān)鍵詞：筼筜湖；排洪泵站；潮汐發(fā)電；納潮；排潮 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

1 廈門(mén)筼筜湖第二排洪泵站工程機(jī)電概況

筼筜湖位于廈門(mén)島內(nèi)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(shè)計(jì)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(shè)3臺(tái)豎井貫流泵，配套10kV高壓電動(dòng)機(jī)。本階段電氣設(shè)計(jì)主要簡(jiǎn)述供電電源、主要用電負(fù)荷、電氣接線方案、電氣設(shè)備布置方案、泵閘監(jiān)控監(jiān)視系統(tǒng)方案等方面內(nèi)容。

1.1 用電負(fù)荷等級(jí)

工程主要用電負(fù)荷為3臺(tái)1250kW主泵電機(jī)，根據(jù)《供配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50052-2009）、國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)電監(jiān)安全（2008）43號(hào)文件的相關(guān)定義及規(guī)定，確定本工程用電負(fù)荷按二級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)。

1.2 用電電源

為滿足二級(jí)用電負(fù)荷供電可靠性要求，本工程供電電源設(shè)計(jì)采用2路電源供電。2路電源互為備用，電源來(lái)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(jìn)入10kV用戶變電所，每回電源按泵站用電負(fù)荷100%備用。

1.3 電氣接線

本工程水泵電機(jī)為3臺(tái)，進(jìn)線電源為2回，設(shè)計(jì)采用10kV電源?？紤]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(yùn)行，不設(shè)分段開(kāi)關(guān)。對(duì)3臺(tái)主水泵電機(jī)采用10kV供電，2臺(tái)站用變電源也分別接自2段10kV母線，10kV母線上另接有并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置出線各1回。本工程采用計(jì)量方式為高壓計(jì)量。

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

1.4 應(yīng)急電源

根據(jù)《供配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50052-95）、國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)電監(jiān)安全（2008）43號(hào)文件的相關(guān)定義及規(guī)定，由于本工程設(shè)計(jì)已考慮按2路外接電源設(shè)計(jì)，滿足電力公司相關(guān)要求。對(duì)重要站用負(fù)荷，按2路配電回路設(shè)計(jì)，分別引自1#和2#站用變，部分負(fù)荷采用末端自動(dòng)切換。

1.5 主水泵配套電動(dòng)機(jī)

1.5.1 容量、轉(zhuǎn)速、形式及電壓等級(jí)。根據(jù)水泵軸功率并考慮一定的儲(chǔ)備系數(shù)，配套電機(jī)的額定功率確定為1250kW。電機(jī)通過(guò)齒輪轉(zhuǎn)速箱與水泵連接，考慮傳動(dòng)比的要求，電機(jī)同步轉(zhuǎn)速確定為750r/min。

異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)都比同步電動(dòng)機(jī)方便。本工程電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，如選用異步電動(dòng)機(jī)，其功率因數(shù)在0.8以上，所需補(bǔ)償容量也不大，綜合投資上也優(yōu)于同步電動(dòng)機(jī)，因此本工程水泵配套電動(dòng)機(jī)選用異步電動(dòng)機(jī)。由于供電電源采用10kV，如選用6kV電動(dòng)機(jī)，將增加變壓器及高壓開(kāi)關(guān)柜，顯然是不經(jīng)濟(jì)的，因此本工程選用10kV電動(dòng)機(jī)。

1.5.2 補(bǔ)償方式。對(duì)于泵站來(lái)說(shuō)，異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償有集中補(bǔ)償和現(xiàn)地補(bǔ)償兩種方式。集中補(bǔ)償在電動(dòng)機(jī)母線上并聯(lián)多組電容器，根據(jù)運(yùn)行的電機(jī)臺(tái)數(shù)和無(wú)功功率自動(dòng)投入不同組電容器；現(xiàn)地補(bǔ)償在每臺(tái)電動(dòng)機(jī)機(jī)端并聯(lián)一組電容器，每次機(jī)組投運(yùn)時(shí)電容器亦投入?？紤]到電容器投入運(yùn)行的可靠性，本工程采用現(xiàn)地補(bǔ)償?shù)姆桨浮？紤]到水位變化引起的所需無(wú)功補(bǔ)償容量的變化，電動(dòng)機(jī)母線在電動(dòng)機(jī)額定功率下運(yùn)行補(bǔ)償后的功率因數(shù)按0.95考慮，經(jīng)計(jì)算此時(shí)每臺(tái)電動(dòng)機(jī)所需的補(bǔ)償容量為460kVAR（額定電壓10/kV），由于電容器組中串聯(lián)電抗器的影響，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電容器組兩端的電壓約為11/kV，此時(shí)所需的補(bǔ)償容量為557kVAR，考慮到電動(dòng)機(jī)制造上的一些不確定因素，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及效率有可能達(dá)不到設(shè)計(jì)值，再加上電機(jī)在水泵低揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)很低，所需的無(wú)功補(bǔ)償量有可能比較大，所以每組容量為650kVAR（額定電壓為11/kV）。補(bǔ)償設(shè)備采用成套電容補(bǔ)償裝置，包括高壓熔斷器、避雷器、電容器、放電線圈、串聯(lián)電抗器等設(shè)備，設(shè)功率因數(shù)控制器，根據(jù)功率因數(shù)自動(dòng)投切。

1.5.3 啟動(dòng)方式。由于供電方式采用10kV直配供電，主電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)線路將造成沖擊，影響線路上其他負(fù)荷的供電。因缺乏系統(tǒng)及線路資料，啟動(dòng)時(shí)的壓降無(wú)法計(jì)算，如壓降過(guò)大也會(huì)影響本泵站電機(jī)的啟動(dòng)，因此現(xiàn)階段考慮采用降壓?jiǎn)?dòng)的方案以減少?zèng)_擊。

1.5.4 額定參數(shù)。根據(jù)某廠家資料，電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)值如下：額定功率：1250kW；額定電壓：10kV；同步轉(zhuǎn)速：750r/min；額定功率因數(shù)：0.82；絕緣等級(jí)：F級(jí)（按B級(jí)考核）；額定電流：90A；外殼防護(hù)等級(jí)：IP44；冷卻方式：IC81W；安裝方式：IMB3；效率：94%；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：0.7倍額定轉(zhuǎn)矩；最大轉(zhuǎn)矩：1.8倍額定轉(zhuǎn)矩；堵轉(zhuǎn)電流：6倍額定電流。

1.6 10kV高壓開(kāi)關(guān)柜

高壓開(kāi)關(guān)柜選用較為先進(jìn)可靠的金屬封閉鎧裝移開(kāi)（中置）式開(kāi)關(guān)柜，共15臺(tái)，其中進(jìn)線計(jì)量柜2臺(tái)、母線電壓互感器及避雷器柜2臺(tái)、進(jìn)線總開(kāi)關(guān)柜2臺(tái)、電動(dòng)機(jī)出線柜3臺(tái)、站用變出線柜各2臺(tái)、電容器柜2臺(tái)、隔離分段柜2臺(tái)。進(jìn)線總開(kāi)關(guān)柜及各出線柜配用真空斷路器，真空斷路器采用引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品。為限制真空斷路器的操作過(guò)電壓，在真空開(kāi)關(guān)柜內(nèi)配置過(guò)電壓保護(hù)器。真空斷路器額定電流630A，額定短路開(kāi)斷電流25kA。

1.7 0.4kV低壓開(kāi)關(guān)柜

低壓開(kāi)關(guān)柜均選用較為先進(jìn)可靠的MNS型低壓抽屜式開(kāi)關(guān)柜，共9臺(tái)，其中低壓進(jìn)線柜2臺(tái)、電容補(bǔ)償柜2臺(tái)、動(dòng)力柜3臺(tái)、照明柜1臺(tái)、分段開(kāi)關(guān)柜1臺(tái)。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)裝設(shè)國(guó)外引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的系列斷路器，額定短路開(kāi)斷能力大于計(jì)算短路電流的要求。0.4kV母線上設(shè)功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償電容器組，經(jīng)電容器補(bǔ)償后功率因數(shù)不低于0.9。

2 廈門(mén)筼筜湖第二排洪泵站潮汐發(fā)電研究

2.1 發(fā)電方式

潮汐發(fā)電有單向發(fā)電和雙向發(fā)電兩種型式，由于筼筜湖的水位大部分時(shí)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(fā)電。泵站在外海側(cè)的出水流道設(shè)置兩道閘門(mén)，一道工作閘門(mén)一道檢修閘門(mén)，進(jìn)水側(cè)設(shè)置一道快速閘門(mén)，可通過(guò)控制進(jìn)出水側(cè)工作閘門(mén)開(kāi)度控制引水流量，達(dá)到控制水泵轉(zhuǎn)速、控制發(fā)電輸出頻率。

2.2 發(fā)電并網(wǎng)方式

本泵站完全利用現(xiàn)有的水泵—同步電動(dòng)機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。發(fā)電工況水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速約為79.5r/min，遠(yuǎn)低于水泵工況運(yùn)行轉(zhuǎn)速159r/min，由于發(fā)電水頭低于抽水揚(yáng)程，并且發(fā)電和抽水時(shí)，進(jìn)出水流道的水力損失對(duì)運(yùn)行工況是不一樣的。發(fā)電時(shí)是水位差減水力損失，抽水時(shí)是水位差加水力損失，導(dǎo)致兩個(gè)運(yùn)行工況的水頭和揚(yáng)程差異增加，發(fā)電時(shí)的轉(zhuǎn)速低于抽水時(shí)的轉(zhuǎn)速。據(jù)調(diào)查，目前投入運(yùn)行的泗陽(yáng)一站和劉老澗站分別采取不同的變速運(yùn)行方式。泗陽(yáng)一站為變極機(jī)組運(yùn)行，即抽水為高轉(zhuǎn)速375r/min，16極；發(fā)電為低轉(zhuǎn)速187.5r/min，32極，發(fā)電和抽水的機(jī)組頻率均為50Hz，滿足電網(wǎng)要求。劉老澗站采取變頻機(jī)組運(yùn)行，即水泵電動(dòng)機(jī)（發(fā)電機(jī)）的磁極數(shù)不變，均為40極，但機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速和頻率均有變化。抽水時(shí)轉(zhuǎn)速為150r/min，運(yùn)行頻率50Hz，電壓6kV；發(fā)電時(shí)轉(zhuǎn)速90r/min，發(fā)電機(jī)（電動(dòng)機(jī)）的輸出頻率為30Hz，電壓3.6kV。通過(guò)變頻機(jī)組，使輸入電網(wǎng)的電壓達(dá)到6kV，頻率50Hz，滿足電網(wǎng)要求。

以上兩種發(fā)電方式分別在兩個(gè)泵站運(yùn)行多年。采用變級(jí)機(jī)組不僅電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸增大、重量增加，費(fèi)用也增加，而且對(duì)抽水工況的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率也有影響，一般要降低2%左右。對(duì)泵站基本是抽水工況運(yùn)行，顯得不太合適。采用變頻機(jī)組方式，對(duì)水泵和電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，主泵房的設(shè)備布置都無(wú)影響，主要是全站增加了一套變頻機(jī)組及其附屬設(shè)備。由于抽水和發(fā)電分開(kāi)，對(duì)運(yùn)行管理也比較方便。綜合各種情況分析，本泵站采用變頻機(jī)組發(fā)電方式最為合適。

本泵站增加一套發(fā)電變頻機(jī)組，變頻機(jī)組由啟動(dòng)電機(jī)、變頻電動(dòng)機(jī)、變頻發(fā)電機(jī)組成。泵站的接入系統(tǒng)的線路假定一回為35kV。根據(jù)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在本站處于發(fā)電工況運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電力將只通過(guò)35kV線路接入系統(tǒng)。

2.3 發(fā)電功率

根據(jù)潮位計(jì)算，最高運(yùn)行毛水頭為2.81m，平均運(yùn)行毛水頭2.05m，最低運(yùn)行毛水頭1m，水頭低于0.7m不發(fā)電，發(fā)電時(shí)間9h（一個(gè)換水周期內(nèi)，50h）。最高運(yùn)行水頭時(shí)，過(guò)流量接近16.7m3/s，效率約為70%，單機(jī)出力約為322kW。平均運(yùn)行水頭下，單機(jī)出力約為235kW，年發(fā)電量約為1.05萬(wàn)kWh，年總發(fā)電量約為3.16萬(wàn)kWh。

2.4 設(shè)備和泵房布置

變頻機(jī)組及其控制柜均布置在變頻發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)。變頻發(fā)電機(jī)房與主變壓器室相鄰。變頻發(fā)電機(jī)房可以直接對(duì)外交通，設(shè)備搬運(yùn)方便，可以布置起重設(shè)備，同時(shí)又利于自然通風(fēng)。在流道出口增加活動(dòng)攔污柵，在抽水時(shí)拉起以減少損失，發(fā)電時(shí)放下以擋住污物。

3 結(jié)語(yǔ)

潮汐能主要來(lái)自于海洋潮汐摩擦作用消耗的地球自轉(zhuǎn)動(dòng)能。作為一種蘊(yùn)藏量極大的可再生資源，潮汐能發(fā)電不排放廢水、廢渣和廢氣，對(duì)環(huán)境影響小，滿足用電需求的同時(shí)亦可降低對(duì)煤炭、石油等不可再生資源的消耗，減少環(huán)境污染，因此，潮汐能源的利用和開(kāi)發(fā)值得我們?cè)O(shè)計(jì)從業(yè)者在設(shè)計(jì)同類(lèi)項(xiàng)目時(shí)深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]崔領(lǐng)謙.水電站電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2013，（3）.

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

作者簡(jiǎn)介：郭曉君（1982-），男，山西忻州人，上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司電氣工程師，研究方向：水利水電。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）