周濤，陳韶光，胡華麗

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530023）

老舊小水電站增效擴(kuò)容的自動化改造
——以所略一級水電站為例

周濤，陳韶光，胡華麗

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530023）

以廣西巴馬縣所略一級水電站為例，分析老舊農(nóng)村小水電站長期運(yùn)行后存在的安全隱患及主要問題，結(jié)合現(xiàn)代水電站自動化控制要求，介紹水電站機(jī)電技術(shù)改造的具體措施和主要內(nèi)容。

水電站；技術(shù)改造；自動化

廣西地處亞熱帶，水力資源豐富，其中集雨面積50 km2以上的河流有937條，水力資源理論蘊(yùn)藏量達(dá)17 518.3MW，居全國第8位[1]。據(jù)了解，改革開放以來，廣西農(nóng)村水電建設(shè)蓬勃發(fā)展，至2013年已建成農(nóng)村水電站2 349多座，裝機(jī)容量4 050 MW，年發(fā)電量近126億kW·h，約占全區(qū)水電的40%.據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣西1995年年底前建成投運(yùn)且具有增效擴(kuò)容改造潛力的農(nóng)村水電站有856座，裝機(jī)容量1 210 MW[2].

對于1995年前建成投運(yùn)的農(nóng)村水電站，設(shè)備運(yùn)行已超過二十年，有的甚至達(dá)四十年以上，超出了設(shè)備的生產(chǎn)周期，現(xiàn)已普遍出現(xiàn)性能大幅下降，水能利用效率低下，設(shè)備故障頻發(fā)；電氣設(shè)備老化嚴(yán)重，可靠性低，存在明顯的缺陷和安全隱患；電站監(jiān)控、保護(hù)設(shè)備故障率高，相當(dāng)一部分自動控制功能已缺失，以手動操作為主；繼電保護(hù)的速動性、靈敏性、可靠性明顯降低，很大程度上影響到主設(shè)備的安全和穩(wěn)定運(yùn)行；調(diào)速器、斷路器、變壓器已屬于淘汰的產(chǎn)品。老舊農(nóng)村小水電站急需進(jìn)行技術(shù)改造，以提升機(jī)組的效率，恢復(fù)并提升自動化水平，以滿足現(xiàn)代水電站“無人值班（少人值守）”的要求。

2011年，財(cái)政部、水利部出臺政策支持并要求廣西等6省區(qū)1995年底前建成農(nóng)村水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，以消除電站安全隱患，提高水能利用效率，提升電站的自動化水平，達(dá)到現(xiàn)代水電站的要求。在國家政策和資金的支持下，老舊農(nóng)村水電站如何改，改什么，改造的目標(biāo)是什么，改造方案能否達(dá)到改造目標(biāo)均值得電站業(yè)主認(rèn)真研究和思考。

1 所略一級水電站概述

所略一級水電站位于廣西河池市巴馬瑤族自治區(qū)縣西部所略鄉(xiāng)六能村坤屯所略水庫大壩壩后右岸端，距離巴馬縣城33 km，屬壩后式水電站，是所略水庫壩后4座梯級水電站中的第一級，共安裝2臺水輪機(jī)，型號為HL220-WJ-71，發(fā)電機(jī)型號為TSWN630-143/36-12的水輪發(fā)電機(jī)組。總裝機(jī)容量為2×630 kW=1 260 kW，電站設(shè)計(jì)水頭27 m，最大水頭34 m，最小水頭20 m，單機(jī)額定流量3.05 m3/s，年利用小時(shí)2 790 h，年發(fā)電量378萬kW·h.電站于1995年9月投產(chǎn)并網(wǎng)發(fā)電，改造前實(shí)際年發(fā)電量282.5萬kW·h.

所略一級水電站電氣主接線如圖1所示，發(fā)電機(jī)額定電壓6 kV，1#、2#機(jī)采用擴(kuò)大單元接線經(jīng)1#主變升壓至35 kV母線。電站設(shè)有一坡、所二2回35 kV出線，分別接至巴馬電業(yè)公司35 kV一坡變電站和所略二級水電站。因?yàn)殡娬驹诎婉R縣供電網(wǎng)中屬于“π”形結(jié)點(diǎn)，為了近區(qū)農(nóng)村供電，電站還安裝了2#主變，并經(jīng)那勤、所圩2回10 kV出線送至附近農(nóng)村。站用電取自35 kV母線，經(jīng)站用變降壓至400 V供站內(nèi)用電。

圖1 所略一級水電站電氣主接線

2 電站改造前存在問題分析

（1）機(jī)組效率低，安全隱患大

電站機(jī)組經(jīng)過十多年運(yùn)行，已出現(xiàn)設(shè)備老化、性能下降、故障頻發(fā)等問題；發(fā)電機(jī)的定子線棒和轉(zhuǎn)子線棒絕緣老化嚴(yán)重，定子線圈絕緣電阻已接近正常要求下限6 MΩ；受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)制造條件制約，機(jī)組效率較低，在額定水頭下已無法達(dá)到額定出力。

（2）機(jī)組附屬設(shè)備技術(shù)落后，自動化失效嚴(yán)重

水輪機(jī)調(diào)速器采用的是YT-600型機(jī)械液壓調(diào)速器，不僅調(diào)節(jié)反應(yīng)慢，精度低，液壓元件易卡阻，漏油嚴(yán)重，用油量大，而且在90年代末已屬于淘汰產(chǎn)品，技術(shù)落后，自動化程度低，過多依賴人工手動調(diào)節(jié)控制。發(fā)電機(jī)采用的KGLF31-I型勵(lì)磁系統(tǒng)經(jīng)過十多年運(yùn)行，不僅自動化程度低，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度慢，而且電氣產(chǎn)品的壽命周期已到，運(yùn)行中故障頻發(fā)，在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)其無功功率增不到額定值，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)cosφ達(dá)不到0.8的要求。機(jī)組進(jìn)水主閥控制元件已嚴(yán)重老化，可靠性低，只能現(xiàn)地操作，一旦發(fā)生機(jī)組過速等事故都只能靠人工來關(guān)閉。

（3）電氣設(shè)備老化嚴(yán)重，效率低下

電站改造前主要電氣設(shè)備型號規(guī)格見表1，其中3種類型的變壓器均為油浸式變壓器，能耗高，其中S7和SJ3系列變壓器已列入工信部高耗能落后機(jī)電產(chǎn)品淘汰目錄，S9系列變壓器也正被更節(jié)能的S11系列變壓器所替換。35 kV和6kV斷路器及室內(nèi)GG-1A-04型開關(guān)柜均屬于已淘汰的高壓電氣設(shè)備，2#主變低壓側(cè)及2回10 kV近區(qū)線路沒有斷路器，僅設(shè)有跌落式熔斷器保護(hù)，線路故障無法自動跳開斷路器，熔斷器經(jīng)常燒毀。

表1 所略一級站改造前主要電氣設(shè)備型號規(guī)格

（4）公用輔助設(shè)備老化失效嚴(yán)重，基本靠手動控制

電站油系統(tǒng)設(shè)備老化嚴(yán)重，故障率高，維護(hù)工作量大，油處理設(shè)備布置不符合防火規(guī)范要求，管道布置零亂，影響到運(yùn)行人員安全；電站技術(shù)供水系統(tǒng)采用固定式濾水器，在汛期很容易因泥沙和雜物進(jìn)入，淤泥沉積而造成供水管路堵塞，從而導(dǎo)致整個(gè)技術(shù)供水不能正常工作，威脅機(jī)組運(yùn)行安全；電站滲漏排水采用老式離心泵，電器元件老化嚴(yán)重，上世紀(jì)80年代的水位控制器早已失效，滲漏排水靠運(yùn)行人員定時(shí)手動排水；電站高低壓氣系統(tǒng)均采用活塞式空壓機(jī)，設(shè)備老化，噪音大，故障頻發(fā)，維護(hù)工作量重，已基本處于手動控制狀態(tài)。

（5）電站監(jiān)控設(shè)備已處于失效狀態(tài)

電站采用的是繼電器邏輯硬布線集中監(jiān)控方式，沒有集控臺和模擬返回屏，二次回路接線復(fù)雜，原來的自動控制功能因電器元件損壞且為已淘汰產(chǎn)品，無元件可更換，自動控制已處于失效狀態(tài)；電磁式繼電保護(hù)裝置整定值不準(zhǔn)確且常發(fā)生漂移，多次出現(xiàn)保護(hù)誤動、拒動現(xiàn)象，保護(hù)可靠性低，嚴(yán)重影響到主設(shè)備的安全。

3 改造方案與實(shí)施

3.1 水輪機(jī)改造

在本次電站技改前所略水庫已進(jìn)行過除險(xiǎn)加固，水庫壩高及各設(shè)計(jì)水位未發(fā)生變化，引水壓力鋼管預(yù)埋在大壩之內(nèi)，管徑無法擴(kuò)大，因此在技改中電站機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)沒有變化。經(jīng)過方案論證和比較，選擇HL551-WJ-71型轉(zhuǎn)輪更換原有的HL220-WJ-71轉(zhuǎn)輪，新轉(zhuǎn)輪的葉片采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼材料，轉(zhuǎn)輪輪轂采用ZG20SiMn材料，且明確要求水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片型線必須采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，保留原水輪機(jī)的大軸，轉(zhuǎn)輪加工后必須與原水輪機(jī)大軸校好同軸度同時(shí)配鉆銷釘。新轉(zhuǎn)輪在額定水頭下，最高效率不低于91.5%，出力可達(dá)到700 kW，比原轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)出力增加23 kW，起到了增效的目的。

對水輪機(jī)活動導(dǎo)葉的前、后封水面采用鋪焊不銹鋼板再精加工的工藝，確保達(dá)到導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的密封驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，更換主軸密封平板橡膠。對水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、主軸密封的修復(fù)及更換后的機(jī)組擺度應(yīng)該不超過GB8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》的允許值。

3.2 發(fā)電機(jī)改造

發(fā)電機(jī)原軸頭的永磁發(fā)電機(jī)主要用于給機(jī)械液壓調(diào)速器的測速裝置提供電源，本次改造將去掉永磁發(fā)電機(jī)部分，保留余下的發(fā)電機(jī)軸系、轉(zhuǎn)子中心支架、定子機(jī)座及定子鐵芯，全部更換絕緣已嚴(yán)重下降的發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子線圈，同時(shí)將發(fā)電機(jī)絕緣由B級絕緣升至F級絕緣。

在更換定轉(zhuǎn)子線圈前，通過絕緣測試及鐵芯損耗試驗(yàn)，檢查確認(rèn)定子鐵芯片間絕緣沒有損壞，鐵芯損耗也在允許范圍之內(nèi)，鐵芯各部溫升未超過標(biāo)準(zhǔn)值。更換定轉(zhuǎn)子線圈后，經(jīng)過絕緣測試及耐壓試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子線圈良好。

3.3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改造

為配合電站的綜合自動化改造，實(shí)現(xiàn)全站計(jì)算機(jī)監(jiān)控，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改造采用微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置替換原來的電子勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，在發(fā)電機(jī)出口端安裝勵(lì)磁專用變壓器，將發(fā)電機(jī)出口電壓降低，再經(jīng)晶閘管整流調(diào)節(jié)變成可控直流電后，送至轉(zhuǎn)子線圈給發(fā)電機(jī)提供正常工作的勵(lì)磁電源，發(fā)電機(jī)起勵(lì)則取自廠用直流電源并配有相應(yīng)的限流裝置。

勵(lì)磁系統(tǒng)改造后，可直接接受機(jī)組的監(jiān)控命令實(shí)現(xiàn)起勵(lì)、電壓及無功調(diào)節(jié)、停機(jī)滅磁等控制，同時(shí)其運(yùn)行狀態(tài)及故障信息也可通過網(wǎng)絡(luò)及狀態(tài)量接口上傳至電站監(jiān)控級，從而與電站綜合自動化系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體。

3.4 水輪機(jī)調(diào)速器改造

采用PLC控制的YWT-600-16型高油壓微機(jī)調(diào)速器整個(gè)替換原來的機(jī)械液壓調(diào)速器，同時(shí)更換改造調(diào)速器接力器安裝支座，安裝新的高油壓接力器以及導(dǎo)葉開度反饋測量裝置、導(dǎo)葉行程開關(guān)。改造后的調(diào)速器采用PLC為控制器，以標(biāo)準(zhǔn)的電磁閥作為控制執(zhí)行元件，技術(shù)成熟，工作可靠，成本低，同時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口也很便于和電站綜合自動化系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體。

3.5 主要電氣設(shè)備改造

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，電站改造后的主要電氣設(shè)備型號規(guī)格見表2，主變?nèi)坎捎肧11系列卷鐵芯全密封型變壓器，其鐵芯無接縫，可大減少空載損耗及空載電流，相比S9系列空載損耗平均降低30%，節(jié)能效果明顯，同時(shí)噪聲小、溫升低、維護(hù)量少。主斷路器全部采用真空斷路器并配彈簧儲能式操動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，操作電流小，工作可靠。6 kV采用XGN2-12型開關(guān)柜，既是考慮到6 kV高壓開關(guān)室內(nèi)空間有限，又是考慮到此開關(guān)柜相比手車式開關(guān)柜，具有較高的絕緣水平和防護(hù)等級并配備有“五防”裝置。35 kV隔離開關(guān)主刀閘配備CJ6型電動操作機(jī)構(gòu)，接地刀閘配備CS17型手操機(jī)構(gòu)，可方便與電站綜合自動化系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)的遙控分合閘，隔離開關(guān)主刀閘與斷路器和接地刀閘的電氣聯(lián)鎖，提高自動化程度，減少誤操作的機(jī)率。

表2 所略一級站改造后主要電氣設(shè)備型號規(guī)格

3.6 電站綜合自動化控制及保護(hù)的改造

（1）水輪發(fā)電機(jī)組控制及保護(hù)改造

每臺機(jī)組設(shè)一塊發(fā)電機(jī)保護(hù)測控屏，也簡稱機(jī)組LCU屏，屏內(nèi)配置1臺三菱FX2N系列PLC，1塊觸摸屏，1套發(fā)電機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置，1套自動準(zhǔn)同期裝置，1套手動準(zhǔn)同期裝置，1塊計(jì)量電能表以及1組控制開關(guān)、1組指示燈等元器件，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動控制、監(jiān)視與保護(hù)，包括機(jī)組開機(jī)控制、停機(jī)控制、事故停機(jī)控制、緊急事故停機(jī)控制、同期并列控制，機(jī)組運(yùn)行方式切換，機(jī)組現(xiàn)地/遠(yuǎn)方控制切換以及發(fā)電機(jī)主保護(hù)、后備保護(hù)等，其可接受主控室來的調(diào)節(jié)控制命令，也及時(shí)將機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息上傳至主控室的監(jiān)控主機(jī)上。

（2）機(jī)組測溫制動控制改造

每臺機(jī)組設(shè)1塊測溫屏，屏內(nèi)配置3臺溫度顯控儀負(fù)責(zé)發(fā)電機(jī)前導(dǎo)軸瓦、后導(dǎo)軸瓦和推力軸瓦溫度的監(jiān)測，1臺溫度巡檢儀負(fù)責(zé)軸承排油口油溫、發(fā)電機(jī)定子鐵芯、定子線圈以及推力軸承油溫的監(jiān)測，配置1套轉(zhuǎn)速信號裝置采用發(fā)電機(jī)殘壓測頻的方式負(fù)責(zé)監(jiān)測機(jī)組轉(zhuǎn)速并發(fā)出≤5%ne（機(jī)組停機(jī)過程中判斷機(jī)組全停信號）、≤35%ne（機(jī)組停機(jī)過程中投入制動控制信號）、≥90%ne（機(jī)組開機(jī)過程中用于起勵(lì)控制信號）、≥115%ne（機(jī)組轉(zhuǎn)速升高事故停機(jī)信號）、≥140%ne（機(jī)組轉(zhuǎn)速過高緊急事故停機(jī)信號）接點(diǎn)信號至機(jī)組PLC用于機(jī)組的運(yùn)行控制。

對于機(jī)組的制動，考慮到電站機(jī)組臺數(shù)少，單機(jī)容量小，又是臥式機(jī)組，因此在調(diào)速器處設(shè)機(jī)組制動電磁閥，調(diào)速器壓力油源經(jīng)制動電磁閥及減壓閥后直接控制發(fā)電機(jī)制動器，從而取消了電站原來的氣系統(tǒng)。

（3）主變及線路保護(hù)改造

設(shè)2塊主變及線路綜合保護(hù)屏，各屏安裝主變主保護(hù)、后備保護(hù)裝置各1套，安裝2回線路保護(hù)各1套以及主變和線路的計(jì)量電能表3塊，其中1#綜合保護(hù)屏用于1#主變和2回35 kV線路，2#綜合保護(hù)屏用于2#主變及2回10 kV線路。主變及線路保護(hù)全部采用微機(jī)保護(hù)裝置，另外，考慮電站公用設(shè)備的安裝位置，將電站GPS衛(wèi)星時(shí)鐘安裝于1#綜合保護(hù)屏內(nèi)，其接收到的衛(wèi)星時(shí)鐘信息經(jīng)監(jiān)控主機(jī)再發(fā)至各計(jì)算機(jī)裝置，實(shí)現(xiàn)全站計(jì)算機(jī)裝置的對時(shí)；將電站UPS（逆變電源裝置）安裝于2#綜合保護(hù)屏內(nèi)，其輸入一路廠用交流電和一路廠用直流電，逆變輸出的交流電源供給主控室的監(jiān)控主機(jī)，以確保監(jiān)控主機(jī)電源供電可靠性。

（4）公用測控部分改造

公用測控包括除機(jī)組外的同期并列、電站水頭監(jiān)測、除機(jī)組部分外的公用機(jī)電設(shè)備的自動控制等，因此設(shè)1塊公用LCU屏，配1臺三菱FX2N系列PLC，1塊觸摸屏，1套水位測量儀，1套自動準(zhǔn)同期裝置，1套手動準(zhǔn)同期裝置，負(fù)責(zé)完成電站集水井排水、大壩進(jìn)水閘門及隔離開關(guān)等公用設(shè)備的自動控制及位置監(jiān)測，負(fù)責(zé)除機(jī)組出口斷路器之外的斷路器同期并列操作控制等。

考慮到機(jī)組及廠房尺寸較小，主控室與發(fā)電機(jī)在同一高程，為便于操作維護(hù)及管理，發(fā)電機(jī)保護(hù)測控屏、機(jī)組測溫屏、主變及線路綜合保護(hù)屏、公用LCU屏以及勵(lì)磁屏、廠用直流屏、廠用交流電屏以及主控臺、監(jiān)控主機(jī)等全部集中安裝于主控室內(nèi)。

3.7 改造效果

所略一級水電站技術(shù)改造自2012年4月開工，2012年10月竣工投產(chǎn)，改造完成后，水電站的安全隱患得以消除，機(jī)組開停機(jī)操作、運(yùn)行監(jiān)視及主要的電氣倒閘操作均可在主控室的監(jiān)控主機(jī)上完成，電站的綜合自動化水平達(dá)到了“無人值班（少人值守）”的自動化運(yùn)行管理要求，機(jī)組出力在額定水頭下可超過額定出力，在各工況下運(yùn)行平穩(wěn)，噪音明顯降低，開機(jī)發(fā)電及并網(wǎng)均可在監(jiān)控主機(jī)上一鍵操作并在1 min內(nèi)完成，運(yùn)行人員也由原來的每班組4人降至2人，實(shí)現(xiàn)了增效的目的，達(dá)到了技術(shù)改造的目標(biāo)。經(jīng)過近4年多的運(yùn)行，現(xiàn)運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)束語

所略一級水電站具有農(nóng)村小水電的典型特征，也是國家“十二五”期間重點(diǎn)推進(jìn)的農(nóng)村小水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目，其技術(shù)改造前存在的主要問題，改造的方案、內(nèi)容、措施以及改造之后消除了電站安全隱患，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了電站機(jī)電設(shè)備的再制造和電站自動化技術(shù)的升級換代，其經(jīng)驗(yàn)具有很好的代表性，可供廣大農(nóng)村小水電站借鑒。

[1]廣西水利學(xué)會.廣西自治區(qū)水電資源及其開發(fā)利用現(xiàn)狀[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/4d52692ded630b1c59 eeb5bf.html，2017-03-10.

[2]周敏.廣西262座老舊農(nóng)村水電站增效擴(kuò)容改造全面啟動[EB/OL].http：//www.gx.xinhuanet.com/newscenter/2013-08/ 02/c_116780731.htm，2018-08-02

Capacity Expansion and Efficiency Improvement and Automative Transformation to Old Hydropower Station——take Suolve 1 Hydropower Station as an example

ZHOU Tao，CHEN Shao-guang，HU Hua-li
（Guangxi Vocational College of Water Resources and Electric Power，Nanning Guangxi 530001，China）

This paper analyses the potential safety danger and main problems of old and small hydropower stations，taking suolve 1 hydropower station as an example.According to the automatic control standard of modern hydropower station，this paper introduces the main measures and content of electromechanical technology transformation to hydropower station.

hydropower stations；technology transformation；automation

TV742

A

1672-545X（2017）03-0093-04

2016-12-07

周濤（1977-），男，廣西恭城人，本科，講師，主要從事水電站機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)以及教學(xué)和培訓(xùn)工作。