增效扩容改造对农村小水电的重要作用

2015-03-16李成光

小水电 2015年5期

关键词：发电站微机水轮机

李成光

(盐井口水库管理处，重庆梁平 405200)

增效扩容改造对农村小水电的重要作用

李成光

(盐井口水库管理处，重庆梁平 405200)

增效扩容改造对农村小水电有两大主要好处：一是通过改造，可扩大装机容量，提高电力生产效率，创造良好的经济效益，发挥小水电站在国民经济中所占的重要作用；二是通过改造，可消除安全隐患，提高设备的保护性能，保障安全运行，实现水电站机组的微机自动化控制，改善工作环境，达到无人值班(少人值守)的目的。表3个。

农村小水电；增容改造；效益；安全

0 引言

农村小水电增效扩容改造是一件利国利民的大事，改造前后发电站的经济和设备有着相当大的变化；从经济收入上面来说，大幅度地提高了发电效益，创造了良好的经济效益；从设备上面来看，新、旧对比有着巨大的变化，从设备简单、设计落后的电站改造成为由计算机自动化系统控制的现代化发电站，消除了存在多年的安全隐患。

2011年，盐井口水库发电站列入水利部、财政部全国农村小水电增效扩容改造第一批试点项目，7月土建工程完成，10月完成设备的安装调试，2012年11月6日机组启动验收，通过72 h试运行后，投入正常的电力生产运行。对于一个不具备扩大装机容量条件的水电站来说，努力提高发电效率，实现计算机自动化控制，保证机组的安全运行，是一种很好的选择。

1 在提高经济效益上的作用

1.1 电站改造前后发电量的对比

在发电站改造前的4 a中(见表1)，水库的最低水位都控制在25 m左右，全年降水量都在1 200 mm左右，其中2010年降水量大约为800 mm。所以在正常条件下旧设备的全年发电量为115万kW·h。

表1 发电站改造前4 a的发电量

2014年的发电量是水电站历史上从未达到过的(见表2)，机组改造之后在同样的条件下发电量大幅度地提高，与机组设备的效率全面提高是分不开的，也是水电增效扩容改造后取得的重大成果。

表2 发电站改造后的发电量

1.2 提高经济效益的主要因素

减小水能损失，提高电力生产的效率，必须对电力生产的设备进行全面的改造换代，彻底淘汰效率低、能耗高的设备；主要包括水轮机、发电机、变压器、电缆线等。

(1)更换水轮机是提高发电站效率的基础

首先是对水电站的动力设备进行改造，采用新型号的水轮机。水电站在建站时，受到当时技术落后的特殊环境时期和计划经济的影响，水轮机生产厂家很少，品种单一，厂家不能根据用户的设计需要进行生产，而是用户根据厂家定型号的产品来建设水电站；盐井口水库发电站就是在这种情况下建成的(见表3)。

表3 新、旧水轮机的型号及参数

从型号的对比上可以看出，改造后的水轮机比转速降低了，在实际的电力生产中，水位在28 m时，机组出力就能达到400 kW，而旧的水轮机在这种情况下机组出力只能达到350 kW，甚至更低。在水头和出力相同的条件下，新型号的水轮机所需的流量减少了7.3%，考虑在其他有利因素的作用下，效率将提高10%以上。

水轮机的重要部件转轮设计品质、制造工艺以及选用的材料对提高效率有非常重要的作用。现在普遍采用计算机设计，选用优质不锈钢制作，使得水轮机工作转轮具有完美的线性和良好的抗气蚀性能。改造后的水机工作转轮就是使用了不锈钢材料制作的叶片，经过几年的运行后检查，转轮没有产生较大的气蚀现象，而旧机组早已发生转轮叶片穿孔现象，此时工作效率大幅度降低，出力迅速减小。所以，新型号转轮可靠地保证了水机效率的提高。

(2)变压器的改造是提高效率、降低损耗的重要环节

发电站改造前使用的是20世纪80年代生产的S5型普通配电变压器，能耗高，运行时发热量特别高。由于是Y—Y0接线组别，三次谐波电流大，空载损耗及空载电流大，加剧了电能的损耗。

改造后使用的是新型号的S11型变压器，是油浸自冷新型节能型产品，联接组别为DYN—11，有利于降低三次谐波电流，为卷铁芯全密封型变压器，是近几年研制的新一代低噪声、低损耗型变压器；其铁芯无接缝，较大地减少了空载损耗及空载电流，使空载电流降低60%～80%，高低压线圈在芯柱上连续绕制，绕组紧实，同心度好，而且使噪声下降10 dB以上，温升低16～20 K。由于铁芯(横截面为纯圆形)连续卷绕，充分利用了硅钢片的取向性，使空载损耗降低了20%～30%。

发电站现在采用的是扩大单元接线方式，一般正常水位时，单机发电运行，变压器负荷在50%时，输送电能的效率最高，全年在这种工况下运行时段最长。合理的运行调度对提高效率起到了充分的作用。

(3)更换新型发电机降低损耗对提高效率有一定的作用

改造前使用的是1982年生产的发电机，由同轴直流励磁机励磁，效率低下，维护工作量大，运行工作发热量很大。

现在更换的发电机为可控硅静止励磁方式，由微机励磁装置控制输入发电机转子的励磁电流，励磁转换效率高，励磁变压器同样采用S11型的节能型产品。

发电机定子由优质冷轧硅钢片制作，大大降低了磁滞损耗和涡流损耗，根据厂家的产品技术说明书，发电机的效率可达到96%。

(4)更换电力电缆线是增效降耗的首要因素

在水电站建造的时候，国家经济困难，物资短缺，作为电缆线的铜材料十分稀少，所用的电力电缆线全部采用铝芯电缆代替。

增效扩容改造后的水电站全部电力电缆线和各种连接导线都是铜材料的，我们知道线损的计算式为：△P=I×I×R，输送电能的损耗(△P)是输送电流(I)的平方与电缆线的电阻(R)成正比的；当电阻一定时，输送的电流越大，电能损耗就是平方数量级地增加。所以降低传输导线的电阻是提高效率的最基本、最有效的途径。

铜的电阻率(ΩM)1.75 ×10-8

铝的电阻率(ΩM)2.83 ×10-8

可以看出铜的电阻率比铝的电阻率要小61.7%，在输送电流不变的情况下，使用铜芯电缆线比铝芯电缆线的输送损耗降低61.7%，极大地降低了导线的发热量，提高了生产效率。

2 在设备运行安全上的作用

2.1 解决了水电站设备老化的问题

农村小水电站多数是七八十年代建设的，所有机电设备都全部严重老化，存在着非常大的安全隐患，电站效益不高，自身无法完成设备的更换改造，基本上是冒着极大的安全风险继续运行着。盐井口水库发电站就是其中的一例。

电站大坝1966年开工，1972年完工，1975年5月1日发电站建成投产。由于受到当时经济、技术条件的限制，电站整体设计方案较落后，设备简单、性能较差，且全部采用手动操作，可靠性极低，发电效率低。经过39 a的运行，设备已处于极其严重的老化状态，存在极大的安全隐患。

2012年11月完成增效扩容改造，彻底淘汰了原来的老式落后、完全老化的机电设备，彻底消除了安全隐患，成为了能够远程微机控制的现代化小水电站，改善了运行人员的工作环境和劳动强度，提高了机组运行的可靠性、安全性，减化了并网操作，杜绝了操作技能业务差的人员发生非同期合闸误操作的情况，同时也提高了发电运行的效率，达到了无人值班(少人值守)的目的。

2.2 提高了水电站的保护性能

2.2.1 继电保护方面

原小型机组普遍采用反时限过电流继电器作为发电机的主要保护，担负着当线路、发电机绕组、输出电缆线等出现过电流以及短路故障时，迅速动作跳开空气断路器的任务，以确保电机安全运行。如果短路故障发生在发电机绕组、出口空气断路器以内的线路时，因为发电机没有励磁系统，开关跳闸时，发电机将继续输出强大的短路电流，烧坏更多的电气设备，造成很大的经济损失。

变压器的惟一保护设备就是10 kV跌落式熔断器，另无其他任何保护设施，保护性能差，运行中也经常出现接触不良而跳火的现象。

改造后的水电站2台发电机保护采用DMP321F微机发电机保护测控装置，根据小型水轮发电机的继电保护设置规程，开通了两段式过电流保护、过电压保护、过负荷保护、失磁保护、转子一点接地等保护选项。

主变压器采用DMP321微机保护装置，开通设置两段式过电流保护、温度保护、瓦斯保护。

10 kV线路采用DMP311C1微机保护装置，开通设置三段过电流保护为主保护、过负荷保护。

现在机组出现故障时，微机保护器能非常可靠地动作，在跳开断路器的同时，跳开灭磁开关，发电机机端电压迅速消失，缩小故障范围，不会带来设备的再次损坏。新的微机保护系统完全满足了发电机继电保护所要求的选择性、灵敏性、速动性、可靠性，全面保证了发电设备运行的安全性。

2.2.2 水轮机调速方面

小型水轮机普遍采用机械手动的调速机构，完全手动调整发电机的转速，可靠性相当差，特别是小网或者单机运行时，随时会有跳闸停机的事件发生，同时极大增加了运行人员的工作强度。较大一点的机组采用的液压机械调速器，其调速性能也很差，不能很好地满足系统负荷快速变化的需要。

盐井口水库发电站就属于机械手动调速，当故障发生跳开断路器时，转速和电压会大幅度升高，危急发电设备和用电设备的安全，使用跳闸后接通水阻的方法可消除这一现象。但是也存在很大的安全风险，70年代曾经发生过发电机因故障跳闸后，连接水阻的交流接触器的触头未能断开，就并网发电运行，连接水阻的导线因过热而烧坏绝缘层发生短路，烧毁发电机控制屏的重大事故。

改造后的水电站水机调速机构选用微机控制的高压调速器，完成机组的自动开机、自动并网、自动调整负荷、关机的操作，其可靠性高,稳定性好,操作方便，极大地减轻了运行人员的劳动强度，同时保证了机组的安全运行。

2.2.3 系统自动化控制

改造前的水电站没有自动化的控制系统，改造之后，选用由PLC为中心的微机控制系统，完成发电机的自动控制、发电机的保护、发电机的二次测量以及水轮机的自动控制，并实现与后台计算机通讯，具有完善自动控制系统和手动控制系统，保证二次设备部分元器件有损坏时，能正常发电，达到无人值班(少人值守)的目的。