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淺談小型水電站的更新改造方案
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1、水輪發(fā)電機(jī)組的改造


水輪機(jī)


水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪是水電站實(shí)現(xiàn)水能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的關(guān)鍵部件,不同的水頭,不同的流量就要用不同的轉(zhuǎn)輪。而且同一只轉(zhuǎn)輪在過流量發(fā)生變化時(shí)其效率也發(fā)生變化,如果轉(zhuǎn)輪選擇失當(dāng),即會(huì)導(dǎo)致效率下降,不但不能提高電站經(jīng)濟(jì)效益,反而會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響,如發(fā)生振動(dòng)、氣蝕等。上世紀(jì)七八十代,由于科技發(fā)展的限制,水輪機(jī)型譜的不全,需要的水輪機(jī)難以如意配套;也由于物資的缺乏,計(jì)劃經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下達(dá)的有限,設(shè)計(jì)水電站時(shí)有時(shí)只能勉強(qiáng)湊合,如桐坑溪二級(jí)電站設(shè)計(jì)水頭110米,選用的水輪機(jī)型號(hào)為XJ-W-55/1×12.5,較高效率的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是750轉(zhuǎn),但由于當(dāng)時(shí)物資缺乏,選用了1000轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī),造成效率低下,在更新改造時(shí)應(yīng)重新配套。因此,在進(jìn)行電站增容改造過程中,應(yīng)根據(jù)電站水頭、流量等條件進(jìn)行詳細(xì)分析,在保證各項(xiàng)參數(shù)相適應(yīng)情況下更換效率高、過流量大的轉(zhuǎn)輪,以滿足增容要求,同時(shí)選擇新型轉(zhuǎn)輪的流道和轉(zhuǎn)輪直徑與原機(jī)組基本相同。對(duì)反擊式水輪機(jī)中的軸流定漿式機(jī)組可通過調(diào)整葉片裝置角、修整葉片流線,對(duì)混流式水輪機(jī)則采用更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪,來(lái)達(dá)到滿足增大過流量加大機(jī)組出力之目的;對(duì)沖擊式水輪機(jī)則采用改變噴嘴口徑,改進(jìn)葉輪,加大流量,達(dá)到增加出力之目的。為滿足發(fā)電機(jī)改造的需要,增容后宜保持機(jī)組轉(zhuǎn)速不變。根據(jù)水輪機(jī)制造廠改造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的經(jīng)驗(yàn),一般出力可增加20%以上。

發(fā)電機(jī)


發(fā)電機(jī)定子的改造

要使發(fā)電機(jī)達(dá)到增容目的,對(duì)原繞組必須進(jìn)行改變,必須增大定子繞組線徑,達(dá)到降低定子繞組電阻,使定子繞組電阻發(fā)熱總量不高于原繞組,以此來(lái)達(dá)到電機(jī)增容。由于發(fā)電機(jī)定子線槽尺寸裕度限制,對(duì)增容所需增大線規(guī)存在一定局限性。對(duì)此,在改造過程中,可以采用以下技術(shù)措施:一是改變絕緣浸漆工藝,提高絕緣等級(jí)為F級(jí),采用耐電壓高介質(zhì)損耗低的絕緣材料,減薄絕緣層厚度,騰出空間;二是采用特有烘漆工藝填充線圈間和線圈與鐵芯的空隙,增加線圈的散熱能力降低溫升;對(duì)于小型機(jī)組還可通過改變勵(lì)磁方式,去掉電機(jī)附加繞組線圈,改為靜止可控硅勵(lì)磁;加大通風(fēng)量和提高功率因數(shù),裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置,提高有功輸出功率,保持定子繞組發(fā)熱總量不變。通過上述技術(shù)措施,一般發(fā)電機(jī)均可增加一個(gè)容量等級(jí)。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的改造

由于當(dāng)發(fā)電機(jī)容量增加20%-25%時(shí),其空載勵(lì)磁功率并沒有增加,一般只需增加10%左右的勵(lì)磁功率即可。轉(zhuǎn)子線圈常采用翻新改造的方案。將原舊線圈退火處理,一方面軟化銅排,另一方面燒去舊絕緣。轉(zhuǎn)子線圈重新熱壓,并將其絕緣等級(jí)提高為F級(jí)。由于老匝絕緣材料厚,一般線圈翻新時(shí)可增加10%-15%的匝數(shù)。通過增加匝數(shù),提高絕緣等級(jí)措施后,轉(zhuǎn)子繞阻一般可擴(kuò)容20%~25%。

發(fā)電機(jī)改造后的技術(shù)參數(shù)和烘漆工藝


發(fā)電機(jī)增容后,必須通過電磁計(jì)算和試驗(yàn)來(lái)提供發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù),如勵(lì)磁電流、電壓、發(fā)電機(jī)效率、定子電流、允許溫升、短路比、定子漏抗等,供發(fā)電站進(jìn)行短路計(jì)算、繼電保護(hù)計(jì)算及調(diào)整各種保護(hù)整定值。發(fā)電機(jī)增容改造中浸漆烘焙工藝也是發(fā)電機(jī)增容的關(guān)鍵技術(shù)措施之一。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中,定子線圈端部要承受很大的電磁力,如果浸漆不透,烘焙不干,定子線圈端部要受到很大的電磁力,會(huì)發(fā)生扭曲變形,造成匝間短路、甚至造成整臺(tái)發(fā)電機(jī)報(bào)廢的重大事故。采用強(qiáng)迫流動(dòng)浸漆工藝,使浸漆透徹,在烘焙上采用循環(huán)熱風(fēng)打入電機(jī)進(jìn)行循環(huán)加熱,達(dá)到整個(gè)電機(jī)線圈受熱均勻、固化程度高的工藝要求,保證烘漆質(zhì)量。


2、發(fā)電機(jī)磁裝置的改造

要使發(fā)電機(jī)安全和穩(wěn)定地運(yùn)行,發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的性能是關(guān)鍵,早些年使用的三次諧波式、相復(fù)勵(lì)變壓器式、雙繞組電抗分流式、可控硅半波整流等幾種勵(lì)磁裝置,由于調(diào)節(jié)性能差,易引起振蕩,不適應(yīng)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行,同時(shí)其故障較多影響機(jī)組安全運(yùn)行,所以必須加以更新改造。

勵(lì)磁裝置的改造應(yīng)根據(jù)原有勵(lì)磁方式進(jìn)行改造,如把雙繞組電抗分流式勵(lì)磁改造成可控硅分流的電抗分流,此裝置在雙繞組電抗分流式的基礎(chǔ)上增加了可控硅分流的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器,空載電壓調(diào)節(jié)范圍大,并網(wǎng)后運(yùn)行穩(wěn)定,無(wú)功功率調(diào)節(jié)方便。安裝在發(fā)電機(jī)上結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,不需另占地方。在主斷路器跳開后不失磁,發(fā)電機(jī)仍有端電壓。在電網(wǎng)停電時(shí)仍有電源供給調(diào)速器,能迅速將機(jī)組關(guān)閉,省去了備用電源。如原先的勵(lì)磁裝置是半波整流的則可改造成可控硅全波靜止勵(lì)磁裝置,其性能良好,但結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜。由于主斷路器跳開時(shí)聯(lián)動(dòng)跳開滅磁開關(guān),使機(jī)組無(wú)電壓,故這種勵(lì)磁裝置尚需備用交流電源或配置TC操作器。

3、水輪機(jī)調(diào)速裝置的改造


并網(wǎng)小型水電站一般不參與調(diào)頻,調(diào)速器僅作用于正常開、停機(jī)、調(diào)節(jié)正常有功負(fù)荷以及事故停機(jī)。所以普遍采用手、電兩用操作器,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資省而又隨機(jī)配套,操作與維護(hù)簡(jiǎn)單,但是如果與可控硅勵(lì)磁裝置配合,則因?yàn)槭鹿释C(jī)時(shí)發(fā)電機(jī)主開關(guān)聯(lián)動(dòng)跳滅磁開關(guān),發(fā)電機(jī)沒有機(jī)端電壓,其電動(dòng)操作器就失去操作電源無(wú)法關(guān)機(jī),造成飛車事故。

TC(彈簧蓄能型)水輪機(jī)操作器是一種技術(shù)較先進(jìn)的新型調(diào)速器,由電機(jī)(或手動(dòng))驅(qū)動(dòng),經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和蓄能彈簧推動(dòng)接力器活塞來(lái)控制機(jī)組開機(jī)、停機(jī)、并網(wǎng)、增減負(fù)荷等。當(dāng)接到各類事故信號(hào)和遠(yuǎn)方緊停命令時(shí)均能失壓脫扣,自動(dòng)關(guān)機(jī)。關(guān)機(jī)時(shí)間根據(jù)不同電站“調(diào)保計(jì)算”要求,可在2~28S內(nèi)整定。在無(wú)電源情況下,同小型調(diào)速器失去油壓一樣,可手動(dòng)開機(jī)升壓后即改電動(dòng)操作,而緊急停機(jī)則不必手動(dòng),仍可同有油壓時(shí)的小型調(diào)速器一樣,能自動(dòng)緊急關(guān)機(jī),并且按照先快后慢的關(guān)機(jī)模式,使大部份機(jī)組能滿足調(diào)保計(jì)算要求。同時(shí)可避免因木石卡塞和手動(dòng)關(guān)機(jī)過度損壞導(dǎo)水機(jī)構(gòu)問題;提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。再配上STK-W-3可達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的,是一種值得推廣使用的調(diào)速裝置。

4、主變的改造

水電站的低壓機(jī)組通常是經(jīng)主變升壓后與10kV農(nóng)村配電線路相連接,過去老電站選用的都是定型10±5%/0.4kV系列配電變壓器。由于電站地處偏遠(yuǎn)山區(qū),線路長(zhǎng)壓降大。發(fā)電機(jī)經(jīng)常需要在較高電壓下運(yùn)行,才能保證發(fā)送一定的無(wú)功負(fù)荷。有的電站電壓值高達(dá)440V及以上,其危害:一是在高壓下運(yùn)行使發(fā)電機(jī)、變壓器溫升提高、絕緣加速老化,絕緣薄弱環(huán)節(jié)容易擊穿;二是難以發(fā)足無(wú)功功率,并影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性,影響經(jīng)濟(jì)效益;三是老型號(hào)變壓器能耗大,且運(yùn)行年久老化,時(shí)常出現(xiàn)故障影響正常發(fā)電,需要及時(shí)更新、改造。

改造變壓器時(shí)應(yīng)采用低損耗的升壓變壓器,訂購(gòu)時(shí)向廠家特別提出,一般變比為11±5%/0.4kV,從而保證了水電站在正常電壓下運(yùn)行。

為了減少主變空載損耗,保證廠用電和生活區(qū)用電的電壓質(zhì)量,可另裝廠用變壓器,在電站停運(yùn)或運(yùn)行時(shí)相互切換。


5、配電設(shè)備和成套裝置改造

小水電站低壓機(jī)組使用的主斷路器有DZ10、DW10、DW15等空氣斷路器,DZ10塑料外殼式空氣斷路器由于封閉散熱差,易引起發(fā)熱故障,僅用在容量小的機(jī)組上。DW10框架式空氣斷路器普遍在使用中,但因短路斷流容量小,時(shí)有發(fā)生因短路不能有效斷流,而燒壞電器設(shè)備的事故。所以主斷路器應(yīng)選擇DW15型,機(jī)組容量大的宜選用DW17(ME)型,操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)選擇電動(dòng)機(jī)預(yù)儲(chǔ)能合閘型。電站需長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行,主斷路器和隔離開關(guān)按發(fā)電機(jī)額定容量選擇,但尚需一定的裕度,才能確保設(shè)備運(yùn)行的安全可靠。

定型的成套配電裝置把發(fā)電機(jī)的配電主回路和控制、保護(hù)及水輪機(jī)自動(dòng)回路等二次回路的設(shè)備安裝在同一屏內(nèi)。常用的BKSF型水輪發(fā)電機(jī)控制屏我們可以根據(jù)電站運(yùn)行的實(shí)際來(lái)進(jìn)行一些改進(jìn),如加裝屏頂保護(hù)罩和兩側(cè)的邊屏,加裝發(fā)電機(jī)電流速斷、過速和低頻保護(hù)等,還可裝設(shè)前池水位監(jiān)測(cè)(或能自動(dòng)按水位調(diào)節(jié))裝置,使機(jī)組運(yùn)行在最佳工況點(diǎn),發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。

6、提高自動(dòng)化水平

提高電站的自動(dòng)化水平是降低運(yùn)行成本的一個(gè)重要方面。在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)條件下建設(shè)的小水電站,初步設(shè)計(jì)中考慮自動(dòng)化水平時(shí),強(qiáng)調(diào)了“自動(dòng)化水平與電站規(guī)模相適應(yīng)”,客觀地起到了對(duì)其限制的作用。這是基于當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展水平和運(yùn)行人員素質(zhì)較低的情況所決定的。但是,科學(xué)技術(shù)是不斷發(fā)展的,新設(shè)備和新材料、新工藝層出不窮,敢于使用它們才能促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展。

隨著電力市場(chǎng)的發(fā)展,需要增加電站的競(jìng)爭(zhēng)能力,競(jìng)價(jià)就是要物美價(jià)廉。要做到這樣,除了提高供電質(zhì)量外,還要降低發(fā)電成本,其根本的出路就在于減員增效。關(guān)鍵是敢于使用先進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備。選擇適用小型水電站的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)設(shè)備,對(duì)其實(shí)行遙測(cè)、遙信、遙調(diào)和遙控,使電站運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,做到少人值班或無(wú)人值班,提高電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性,是技術(shù)更新改造的目的之一。

提高電站的自動(dòng)化水平目前也還有一些困難,比如廠家設(shè)備質(zhì)量不很穩(wěn)定;電站運(yùn)行工人素質(zhì)難于保障,人員更難精簡(jiǎn);設(shè)備價(jià)格較高難于承受等等。這些困難要逐步克服,電站的技術(shù)更新改造要上檔次、上水平,不能停留在原有技術(shù)水平上,這是毋容置疑的。

7、結(jié)語(yǔ)


小水電的技術(shù)更新改造,首先是更新已經(jīng)達(dá)到使用年限的機(jī)電設(shè)備和對(duì)年久達(dá)不到運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的水工建筑物進(jìn)行修復(fù),再就是根據(jù)現(xiàn)在變化了的水利電力環(huán)境,改造已不適應(yīng)現(xiàn)有條件的設(shè)備和建筑物。因此,電站的技術(shù)更新改造,不僅是在原來(lái)的技術(shù)水平上以新?lián)Q老,而是一個(gè)再創(chuàng)造的過程,實(shí)際上牽涉到水力資源配置的重新考慮以及合理利用問題,節(jié)約用水、電力市場(chǎng)需求、環(huán)境保護(hù)等問題,尋求適應(yīng)不斷發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)的需要問題。從這個(gè)角度看小水電站的技術(shù)更新改造就要以社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水電的要求為動(dòng)力,以先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)為依托,采取多種綜合技術(shù)措施,達(dá)到節(jié)省資金,見效快捷,提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。


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