象山水电站增效扩容改造方案及效益分析

肖景贤

(黑河市地方水电管理站，黑龙江 黑河 164300)



象山水电站增效扩容改造方案及效益分析

肖景贤

(黑河市地方水电管理站，黑龙江 黑河 164300)

摘要：象山水电站设备老化，通过增效扩容改造，将对电站水轮机、发电机、调速器等设备进行更换，改造后该电站装机3×6600kW，从根本上解决电站机械设备、电气、监测、控制及保护系统存在的严重问题，提高设备运行的可靠性和二次设备的整体技术水平，最终实现电站“无人值班，少人值守”的目标。

关键词：象山水电站；增效扩容；技术改造方案；效益分析

1电站概况

象山水电站是黑龙江支流法别拉河中游，距黑河市区72 km，是1座以发电为主，兼顾防洪、养鱼和净化水质等综合利用的水利枢纽工程。主要由拦河坝、溢洪道、引水隧洞、发电厂房、变电厂和110kV输电线路组成。水库属大(2)型水库，电站装机容量3×6000kW，建设成于上世纪90年代初，电站机组设备为上世纪80年代末期产品。

运行发电以来，电厂逐年对机电设备进行大修、小修实施技改项目15项，累计投入技改资金170万元，基本保障机电设备安全，但限于当时的整体技术研发和制造水平的制约，许多设备的性能参数指标已达不到设计要求，耗能高、效率低，全厂90%电气一次设备属于技术落后，性能指标不稳定和被列入国家公布的淘汰机电产品范畴。

电厂水轮机采用混流式水轮机转轮适用于100 m水头段，由于水电站自投产发电以来，水库大部分时间处于低水位，水轮机在低水头运行，导致水轮机实际运行效率低、出力不足。由于老化严重，有些设备机械和电气故障频发，存有安全隐患，使电厂的安全稳定运行受到严重威胁，电厂在系统中的作用难以发挥，其经济效益受到严重影响。

2013年电站被列为农村水电增效扩容改造项目，2015年10月电站3台水轮发电机组全部更新改造完毕，并投入运行。改造后电站装机容量为3×6 600 kW,新增容量1 800 kW，多年平均发电量为4 082 万 kW·h，装机利用小时数为2 268 h。水轮发电机组综合效率提高15%，水电站发电效益增加，同时消除各类安全隐患[1]。

2增效扩容改造技术方案

本次电站增效扩容改造项目是在原水工设施基本不动的条件下进行的，不改变原工程等级及建筑物级别，对水轮机转轮、主轴密封结构、调速器、辅助机械设备、发电机绕组、电气设备、自动化元件、控制保护系统等机电设备进行更新或改造。

2.1水轮机转轮更换方案

象山水电站的运行特点为参与电网调峰及事故备用，汛期有弃水。据此对机组进行增效扩容改造，提高调峰容量和汛期水能利用率。根据象山水电站的基本情况，推荐采用HLJF2810型转轮替换原HLD74型转轮的技术改造方案，原水轮机通流部件保持不变，以最经济的手段达到技改目标[2]。

2.2改造前后水轮机性能比较

原水轮机型号 HLD74—LJ—140，额定转速375r/min,额定流量16.31m3/s,额定出力6250 kW，吸出高度0.0m。5个典型工况点的水轮机平均效率为76.48%。推荐更换水轮机型号HLJF2810-LJ-140，额定转速：375r/min，吸出高度Hs≤+1.3m，飞逸转速720.7r/min，轴向水推力：331k。5个典型工况点的水轮机平均效率为92.7%。

HLJF2810型转轮是利用现代水力学设计理念开发的导叶相对高度为0.28的“负倾角型叶片”高效转轮。与HLD74-LJ-140转轮相比，JF2810-LJ-140型转轮具有如下优点：

1)在主要运行区效率较高。采用HLJF2810-LJ-140型转轮进行改造更换后，水轮机的预期综合效率约可提高16.22%。两种转轮在典型工况下的水轮机效率对照情况见表1：

表1　两种转轮在典型工况下的水轮机效率对照表

2)在高水头工况能够提高机组出力。与HLD74-LJ-140型转轮相比，HLJF2810-LJ-140型转轮具有更宽的高效区，其出力限制线的单位流量与最优单位流量之差明显优于前者。HLD74-LJ-140型水轮机在额定工况点的单位流量已接近该水轮机出力限制线，基本没有出力裕度，而HLJF2810-LJ-140型水轮机则有较大的裕度。

3)空化性能较优。在额定工况点，HLD74-LJ-140型转轮的临界空化系数为0.14，而HLJF2810-LJ-140型转轮的临界空化系数为0.12，优于前者。并且，由于HLJF2810-LJ-140型转轮叶片为“负倾角”，其叶片进口处的局部空化性能也明显优于HLD74-LJ-140型转轮。

4)吸出高度与安装高程。由于水头范围没有变化，新转轮的空蚀性能优于原转轮，经核算，水轮机吸出高度为+1.3m，满足不改变水轮机安装高程的改造要求。

5)满足调节保证。本电厂共装3台6000kW混流水轮发电机组，机组额定转速为375r/min。引水系统为一洞三机布置型式。根据引水系统布置图、机组流道尺寸，经调节保证计算，小波动干扰下，机组运行稳定，收敛性较好。调节保证计算结果能够达到原输水系统的要求，能够满足不改变输水系统的改造要求。计算成果见表2：

2.3机组其它部件改造

2.3.1主轴密封的改造

采用组合式聚四氟乙稀盘根密封。聚四氟乙稀被称为塑料之王，具有优良的力学、自润滑、电绝缘、耐热和耐化学腐蚀性能，被广泛地应用于国防、航天、电子、化工、机械、电器等行业。聚四氟乙稀盘根密封结构简单、调整方便、造价便宜、封水效果好，使用寿命长，能够保证机组长期安全运行，在国内很多电厂已得到成功运用。

表2　调节保证计算成果表

2.3.2推力、导轴瓦及轴瓦冷却系统的改造

采用弹性金属塑料瓦代替巴氏合金瓦。弹性金属塑料瓦是由聚四氟乙烯(俗称塑料王)和螺旋形青铜丝组成的复合材料，然后钎焊到瓦体上。其具有摩擦系数小、热稳定性高、不黏和自润滑等优良特性。冷却系统的改造按照原来管路型号更换新设备。

2.3.3发电机制动器的改造

采用新型GZD 制动器，这种制动器配有非金属无石棉制动块，磨损量小，粉尘极少。活塞密封使用高级丁腈耐油橡胶模压而成，中间无合模接缝，持久耐用。目前已在国内几十家水力发电厂成功运用[3]。

2.4调速器及油压装置改造

采用基于液压数字逻辑插装技术的YCVT系列全容错直接数字控制的微机调速器，更换型号为YCVT-3000。该调速器在国内很多电厂已经成功运用，能显著提高象山电厂的自动控制水平。更换新的油压装置，型号为HYZ-1.0-2.5。

2.5蝶阀油压装置及控制系统的改造

采用了DFK回转型蝶阀控制系统。柜内所有液压换向阀均采用球阀结构，对工作油源的清洁度要求不高，克服了以往滑阀结构换向阀容易卡塞的现象，提高了工作的可靠性，延长了使用寿命；接力器二位四通球阀均采用球阀结构，连接管路设置节流阀，通过调节开度实现蝶阀开、关时间的调整；蝶阀控制系统采用以PLC 为核心的控制单元,结构简单，可靠性强，可实现开、关蝶阀过程中异常报警；液压换向阀的阀体和阀芯均采用不锈钢材料，确保换向阀长期可靠运行。

2.6发电机改造

鉴于象山水电站3台水轮发电机定、转子绕组绝缘老化严重，绝缘耐热等级低，综合效率差等因素，为提高发电机的整机性能和效率指标，减少损耗，在保持原发电机结构尺寸不变的前提下，拟将3台发电机的定、转子绕组全部更换为F级绝缘。3台发电机定、转子绕组全部更换为F级绝缘而温升按B级绝缘控制后，单台发电机的额定功率可由原6000kW提高至6600kW，扩容10%。改造后电站装机容量为19800kW，不仅能够充分利用丰水期弃水多得电量，还能够增加电网得调峰和事故备用容量[4]。

2.7主变压器

鉴于水电站2台主变压器为7系列、高耗能淘汰产品，且存在着许多质量缺陷和安全隐患，为提高电厂运行的可靠性和节能增效，拟将其分别更换为S11-16000/110和SS11-8000/110型节能变压器。更换变压器后每年可为电厂节省电能约10.71×104kW·h。新旧型号变压器的损耗指标及每年可节省电能计算结果详见表3：

表3　主变压器全年电能损耗估算对比表

3增效扩容改造后效益分析

水电站经设备更新改造后，机组运行效率提高，减少厂用电消耗，同时减少维护检修的工作量。设备控制全面采用智能PLC ，控制逻辑主要依靠软件程序实现，电厂全面计算机监控系统的总体设备和系统配置采用智能化、数字化的控制，实现“无人值班”(少人值守)，全面提高电厂的自动化水平和劳动生产率。改造后，延长机电设备大修、小修周期和减少工作量，每年可节约维护费约60万元。电站机组增效扩容改造后，装机利用小时数为1 956 h提高到为2 268 h，机组综合效率达到90.62%。多年平均发电量由3101×104kW·h提高到4082×104kW·h，年可增加发电量981×104kW·h，发电量增幅为32%；年增加的售电收入340万元。项目改造后每年可增加效益合计约400多万元[5]。

5结语

农村水电站增效扩容改造,不仅是一次机电设备更新,而且一次解决电站运行中的多项问题。即消除了设备运行的安全事故隐患,大大改善电站的基础设施,提高运行安全性和可靠性,自动化水平得到很大提高，经济效益明显，实现“无人值班”，少人留守”的目标，将电站人员重新科学分流到其他合适的岗位上，降低人力成本，创造更多的经济效益，机组运转效率提高，合理有效利用水能资源，达到节能增效的目标，同时满足电网调峰需求，促进农村水电的可持续发展。

参考文献：

[1]中水东北勘测设计研究有限责任公司.象山水电厂增效扩容改造初步设计报告[R].中水东北勘测设计研究有限责任公司，2012.

[2]中华人民共和国水利部.Sl193—1997 小型水电站技术改造规程[S].北京：中国水利水电出版社，1998.

[3]陈慧等.秀山县钟灵水库坝后电站技术改造浅析[J].北京：中国水能及电气化，2013(2)：65-66.

[4]兰舟等.宝灵寺水电站发电机及其附属设备增效扩容改造分析[J].中国水能及电气化，2013(7)：26-29.

[5]陈岳松.酒埠江水电站增效扩容改造技术探讨[J].中国水能及电气化，2013(2)：90-93.

中图分类号：TV734

文献标识码：B

[作者简介]肖景贤(1973-)，女，黑龙江克山人，高级工程师，从事农村水电管理工作。

[收稿日期]2016-01-12

文章编号：1007-7596(2016)03-0072-03