水利工程：中小型水电站水力机械新技术应用研究.doc

　简介：本课题结合桃林口水电站的实际情况和中小型水电站水力机械新技术的发展趋势，针对水力机械技术的应用现状，立足于研发创新。主要研究成果有：微机调速器、新型不等高桥式起重机、高压二级压力供气系统、水轮机流量监测装置，以及供排水系统、油系统新技术、新设备、新型自动化监测元件的应用研究等。　　关键字：中小型水电站，水力机械，新技术，新设备，应用研究　　1工程概况　　桃林口水库位于河北省秦皇岛市青龙县三道河村北的滦河支流青龙河上，是一座具有供水、灌溉、发电等综合效益的大型水利枢纽工程。　　桃林口水库工程分两期建设，一期工程坝顶高程146.5m，最大坝高74.5m，坝顶长500m，正常蓄水位143.4m，总库容8.95亿m3。二期工程坝顶高程163.6m，最大坝高91.3m，坝顶长526.64m，正常蓄水位158.8m，总库容17.8亿m3。　　桃林口水电站一期工程装机容量为2×10MW，多年平均发电量6275万kW·h。二期工程水电站装机容量为3×10MW，多年平均发电量9330万kW·h。水轮机型号为HLA208－LJ－180，设计水头45.0m，设计流量25.62m3/s。发电机型号SF10－20/3250，额定电压6.3kV。桃林口水电站采用微机监控系统。　　2专题研究成果　　2．1微机调速器　　桃林口水电站微机调速器型号为SKYWT－7500AF/4.0，调速功为75000kN·m，油压装置额定油压4.0MPa。　　SKYWT－7500AF/4.0型调速器是专门为满足桃林口水电站特殊需要而研制开发的新产品。其容量介于大型和中型调速器之间，其自动化程度和用于事故保护的装置与大型调速器相同，而结构布置与中型调速器相同。该调速器装设有事故配压阀，这是其他任何一种中型调速器所不具备的功能。　　SKYWT－7500AF/4.0型调速器系采用高性能芯片作为主控制器，以电液压随动系统为执行机构的PID型调速器。正常情况下，可对机组进行转速调整、负荷调整、负荷自动分配、频率的自动控制等，并可满足跟踪并网的要求。在非正常情况下，具有自动保护功能，如当电源或测频信号消失时，通过事故电磁阀动作保持原开度并发出信号。在事故情况下，紧急停机电磁阀动作，保证机组安全。　　2．2新型不等高桥式起重机　　长期以来，水电站起重设备一直选用传统的等高式起重机，近来出现了一种技术含量高、性能优良的不等高式起重机，更适合于机组的安装及检修。　　桃林口水电站起重设备选择中，经技术经济比较，采用了这种新型不等高桥式起重机，它和传统的等高式起重机相比具有以下优势：　　（1）起升速度慢，主钩起升速度为0.7m/min，副钩起升速度为1.0m/min，更适宜水电站机组安装、检修要求。　　（2）大车和小车运行均采用硬齿面驱动装置，使大修由传统的3～4年延期到8～10年，可增加使用寿命，并减少检修费用。　　（3）大车和小车车轮组的装配，均采用机械镗孔工艺，且确保了大、小车四车轮水平着轨，并采用车轮箱45°剖分法兰连接及小车轨道无接头技术，更换车轮极为方便。因此，新型不等高起崐重机解决了传统起重机的“啃轨”及小车的“三角落地”问题，从而也消除了因车轮“啃轨”摩擦增加负荷而烧毁电机的事故隐患。　　（4）桥架采用四梁式分体不等高连接法，主端梁拼接不采用焊接而是用法兰螺栓联接，运输安装方便，如果在使用过程中主梁或端梁不能修复，可单独更换，不至于整台起重机报废。　　2．34.0MPa油压装置和6.0MPa高压供气系统　　2．3.1高压供气系统设计模式及优点　　高压供气系统的作用是向调速器油压装置充气或补气。《小型水力发电站设计规范》（GBJ71－84）第4.4.2条规定：“供油压装置压力油罐的高压空气压缩系统的压力，应为20～30kg/cm2” 。目前小型水电站调速器油压装置额定油压一般为2.5MPa。因此，对于小型水电站高压供气系统，规范规定应为一级压力供气方式。　　桃林口水电站如采用调速器与油压装置合为一体的布置方式，由于调速器体积较大，不仅给主厂房内机电设备布置带来困难，而且接力器布置于水轮机层的机墩内，加之采用油压操作，使控制系统变得复杂，将给今后的运行、检修增加困难。因此，高压供气系统采用二级压力供气方式。　　在高压供气系统设计中，采用6.0MPa减压至4.0MPa的二级压力供气方式。油压装置的油压从2.5MPa提高到4.0MPa，从而使调速器体积减小，造价降低，并省掉了复杂的控制系统和附属设备（漏油箱），给主厂房布置带来方便，同时有效地减少了压缩空气中的水分，提高了供气质量。使配压阀和接力器的锈蚀减少，更有利于调速器的安全、可靠运行，同时也给今后的运行、检修带来了方便。　　2．3.2空压机运行方式　　长期以来，对于中小型水电站高压供气系统，一般均采用手动操作。为满足全厂微机监控的需要，并为水电站“无人值班（少人值守）”打下坚实的基础，空压机运行方式采用自动操作。　　油压装置压力油罐采用自动补气方式，由装于压力油罐上的液位信号器和自动补气装置来自动控制。该自动补气装置是一种新型自动化元件，它由两个二位二通电磁阀（一个常开、一个常闭），三个手动阀，一个单向阀及管路组成，本身带有空气过滤器，既可实现自动补气，又可实现手动补气，必要时还可将压力油罐中的多余气体排出。　　2．3.3新型空压机选择　　空压机选用CZ0.43/60A型。该空压机为立式、单列、三级级差式。它具有结构紧凑、体积小、重量轻的特点。空压机本身自带油水分离器，能有效地去除空气中的水分和杂质。　　2．3.4结论　　在桃林口水电站高压供气系统设计中，采用二级压力供气方式，?且空压机为自动操作方式，这种设计模式，突破了中、小型水电站高压供气系统设计只采用一级压力供气的模式，为中、小型水电站高压供气系统设计积累了宝贵的经验。　　2．4水轮机流量监测计量装置　　为满足现场监测及全厂微机监控的要求，选用了YLX－03型微机差压流量效率监测计量装置。　　2．4.1用途及目的　　（1）实现机组输入能量（发电流量、日用水量、累计用水量、开机耗水量和蜗壳进口压力、尾水管出口压力、工作水头）、输出能量（机组出力、日发电量、累计发电量）和利用效率（机组崐效率、发电耗水率、日均耗水率、平均耗水率）的在线监测与计量，提高水电站管理水平和节水增能效益。　　（2）作为微机监控系统的子系统。　　（3）指导机组经济运行，使机组运行在高效区（低耗水率），提高发电效益，达到水电站最优化运行的目的。　　2．4.2装置构成　　整套装置由3部分组成：①4台采样变送器及稳压、阻尼、排气等附件；②YLX－03型微机监测计量仪。它是本装置的核心部分，包括电源板、数据采集和处理板、显示板和通讯接口。③通讯软件。通讯软件采用C语言开发，主要的软件有：15个动能参数的格式化数据表、机组流道图及相应的主要运行参数、日负荷过程线、日流量过程线、日耗水量过程线、日效率过程线。　　2．4.3工作原理　　根据蜗壳差压测流的原理，利用差压、压力和功率变送器，将水轮机蜗壳内外压差、进口压力、尾水管出口压力、机组有功功率，转换为4～20mADC信号输出。此信号经变换后，将模拟量转换为数字量。然后送入CPU进行数据处理，根据预制的程序和数据，计算所需的参数值，由LED数码管可以显示发电流量、累计用水量等15个参数，通过RS－232标准通讯接口和软件，将数据送至上位机进行屏幕显示和打印。　　2．4.4装置功能 　　（1）数字显示功能。采用LED数码管由功能键选择分组显示发电流量、累计用水量、机组效率、蜗壳压力、工作水头、机组出力、累计发电量、发电耗水率等15个参数。　　（2）通讯输出功能。具有RS－232串行接口，实现与全厂微机监控系统联网，进行屏幕显示和打印，且本身具有打印功能。　　（3）自动控制功能。可在设定时刻自动起动上位机和自身打印机，打印数据报表和过程线，完全实现无人管理。并可供随时查询和打印输出，而不影响装置的正常工作。　　（4）数据掉电保护功能。在电源中断时，装置内存的数据不会丢失。　　（5）清零功能。可在任何时刻重新累计用水量和发电量。　　（6）装置精度：±0.5%。　　2．5供排水系统新技术、新设备　　2．5.1大口径电磁阀　　在水电站机组技术供水系统中，一般要求装设自动控制阀门，来实现机组运行自动化。多年来，一般采用DP型电磁配压阀和YY型液压操作阀系统。实际运用中，液压操作阀经常卡阻拒动，影响机组安全、可靠运行，加之阀门漏油，给电站运行检修带来不便。采用大口径电磁阀，较好地解决了上述问题。　　该阀是专为水电站机组冷却供水系统配套而设计的大口径电磁阀新产品，具有以下特点：①迷宫密封型式的不锈耐蚀钢阀塞结构，流量足、性能稳定、使用寿命长；②高性能的先导型式3次开阀结构，动作可靠、功率小、压力范围宽；③阀内控制系统有针型调节阀结构；可调节主阀的开闭动作时间；④阀内采用先进的自洁式过滤器结构，可清洁进入导阀内的控制介质，保证正常工作，并具有过滤器自身清洁的功能；⑤设置手动操纵机构；⑥阀体出口端侧面设有螺孔，可安装显示及控制元件；⑦考虑到该阀在较湿的环境下工作，采用了防潮型结构，密封性外罩，线圈环氧固封并采用了ISO4400国际标准的密封型电源接插座。　　ZCSTH型自保持电磁阀是根据水电站的特点设计的，它采用自保持结构，具有节能及不受信号故障而影响工作状态的优点，这种新型的电磁阀采用上、下2个线圈，引线为共线的3线制。此3线与原来DP型电磁配压阀的引线完全一致，为老电站的技术改造带来方便；另外，由于此阀本身结构的特点，无需配备高压操作油源，不会造成污染。　　桃林口水电站采用大口径电磁阀取代传统的DP型电磁配压阀和YY型液压操作阀系统，相应取消了漏油装置及供、排油管路，节省了投资，并为今后电站运行带来方便。　　2．5.2排水系统　　2．5.2.1原排水系统设计　　原排水系统设计，将厂房渗漏排水系统和机组检修排水系统合为一个共用系统。机组检修排水由长柄阀控制，将水轮机流道内的积水先排入排水廊道；厂内渗漏排水亦排入该廊道。然后再由设于排水廊道的水泵将积水排入尾水渠。由此可见，该共用排水系统的致命缺点是，存在尾水通过长柄阀倒灌水淹厂房的隐患。这种水淹厂房的事故，在我国所有采用长柄阀排水的水电站中，几乎均发生过，有的还不止一次的发生，给水电站的运行带来极大的不便。另外，长柄阀由于经常不用，加之维修不善，形成用时很难打开的现象。同时，阀盖提起时，由于一些小石子或杂物停留在阀盖周围，当阀盖下落时，关闭不严，以致出现经常漏水的现象。这样就增加了渗漏排水泵的运行时间，造成电能的浪费。　　2．5.2.2排水系统设计优化及特点　　通过分析和调查研究，对原排水系统进行优化设计。具体方案为，将厂房渗漏排水和机组检修排水分开设置。　　（1）机组检修排水系统。机组检修排水系统的作用是机组检修时，排除水轮机流道内的积水。在尾水检修平台处，对应每台机组，分别设置检修集水井。流道内积水先排入集水井，然后再由潜水泵排入尾水渠。 　　当机组检修排水时，将潜水泵出口与胶管的一端用铁丝或卡子固定好，胶管的另一端放入尾水渠，水泵潜入集水井中即面可工作。显然，该系统不需设置阀门等任何辅属设备。因此，操作运行简单，安全可靠。检修排水完毕后，即可将水泵从集水井中取出整理好，放入工具间或仓库内保存备用。　　本系统采用的潜水泵为机电一体式的排污泵，它具有节能效果显著、安全、防缠绕，无堵塞的特点。在排除固体颗粒和长纤维杂物方面，更具有独特的功效。因此，该泵尤其适合于排除水轮机流道内的积水。　　（2）厂内渗漏排水系统。厂内渗漏排水系统的作用是排除厂房内生产生活排水及各层的积水，该系统亦采用潜水泵。潜水泵为机电一体式，体积小，重量轻。　　2．5.2.3潜水泵取代离心水泵　　在水电站排水系统设计中，排水泵的选择是核心问题。长期以来，排水泵大多采用卧式离心泵。由于安装位置较低，与水泵配套的电机存在着潮湿和被水淹没的隐患，直接影响电机绝缘，并可形成事故。其是水泵底阀长期淹没于水中，检修困难，并容易被杂物卡住或密封失效而失去作用，使水泵不能运转。用小型潜水泵取代离心水泵，能较好地解决离心水泵存在的问题，使得排水系统更加安全、可靠、方便地运行。　　这种机电一体式的潜水泵和离心水泵相比较，有如下特点：①潜水泵起动前无需充水，这样就省掉了离心水泵笨重复杂的底阀；②离心水泵由于安装位置低，电机工作环境潮湿，且存在被水淹的危险。显然，这种机电一体式的潜水泵不存在上述问题；③潜水泵结构紧凑，外形尺寸小，重量轻。因而，安装检修十分方便，且泵房占地面积小。而离心水泵结构复杂，安装精度高，因而，检修也就不便；④潜水泵成套价格较离心水泵便宜的多。桃林口水电站采用潜水泵取代传统的离心水泵，不仅节省了投资，而且极大地方便了运行及检修。　　2．5.2.4吹气式水位控制器　　长期以来水泵自动控制装置一般选用液位信号器。实际运用表明，该信号器的浮子易出现卡阻拒动现象，并且误发信号，严重影响着排水系统安全、可靠运行，几乎所有的水电站将其更换。　　本水电站厂内渗漏排水系统采用吹气式水位控制器来自动控制运行。该控制器采用吹气式原理，在水中无浮子等可动部件，仪表不直接与水接触，不受水中污物的影响，工作条件好，加之调整方便，准确可靠。这就保证了排水系统的安全可靠运行。　　2．6油系统新设备　　在油系统设计中，采用新型的无滤纸滤油机取代传统的带滤纸的滤油机，不仅取消了烘箱及附属房间，而且从根本上根除了油处理室火灾的隐患。　　2．7新型自动化监测元件　　2．7.1超声波水位监测装置　　桃林口水电站上游水库水位变幅达40m，下游水位变幅达12m。水位监测采用HW－1000C组合型超声波水位监测装置。它利用超声波在空气中传播，遇到水面后被反射，以超声脉衡波往返于传感器探头到水面之间的时间间隔和传播速度，测得探头至水面的距离。　　这种装置由传感器、端机、测量控制器3部分组成，具有以下特点：①在测量过程中，没有任何部件触及水面，实现了非接触测量。因此，不受高速水流及漂浮物撞击，水草泥沙淤堵和水质电化反应的影响；②不需设置测井及相应的埋件；③无可动机械部件，不因部件磨损或锈蚀而产生故障，因此，运行安全可靠；④按标准模块设计，采用分布智能式和实时全变量效准或温度自动补偿，测量精度高且稳定可靠；⑤测量控制器配有操作键、显示器、打印机和输入、输出接口，可显示上下游水位，定时打印水位值，具有水位越限声光报警功能；⑥测量控制器经扩展后，具有多个输出接口，可满足多台机组监测的要求，这是其它水位计所不具备的优点；⑦能输出4～20mA的标准模拟信号，具有RS232标准串行接口，为全厂微机监控系统提供信号。　　压力变送器分别装于技术供水系统、低压供气系统、水力监测系统，用来监测各系统压力变化，并为全厂微机监控系统提供4～20mA的标准模拟信号。 　　压力变送器为LB100型，它采用最新硅传感技术：微细加工成的硅膜片技术以及小型不锈钢膜片技术，激光微调的温度补偿电阻技术。其中微细加工成的硅膜片技术保证了LB100具有其它同类产品无可匹敌的高精度0.1%；激光微调技术可以使温度补偿电阻值精确到1×10－4；小型不锈钢膜片技术，使变送器的体积大大缩小（外形尺寸80mm×106mm×130mm），并且重量轻（重量1kg）。由于采用无需开盖的零点量程外部调整结构，使日常的安装维修更加方便，并具有抗射频及电磁干扰功能及全天候结构，可广泛应用于恶劣的工业环境中。　　2．7.3差压变送器　　差压变送器为蜗壳差压测流提供4～20mA的差压标准模拟信号。差压变送器为1151DP电容式，由于无机械可动部件，几乎不需要维修。零点和量程的调整在不开盖情况下即可完成，非常方便。　　2．7.4振动监测装置　　为监测水轮发电机组的振动及摆度，在每台机组的发电机上导、下导轴承及水导轴承装设。　　振动监测装置由电涡流传感器和振动监视仪组成。振动监视仪为ZJXY型，是一种双通道振动监视仪，它采用智能处理单元，配用电涡流传感器实现非接触连续测量，能够在线监测机组运转时X、Y两个方向的轴径向振动（摆度）幅值，数字指示通频振动的峰峰值，并提供4～20mA的输出信号，当振动（摆度）超限时，可进行预警及危险两级报警。　　作为机组正常运行的振动测量装置，可替代运行人员的实时测量，实现自动监测。为运行人员及时诊断机组运行状况，提供详实数据，以保证机组安全运行。　　该装置以振动监测功能为主，但也兼有盘车和动平衡测量的辅助功能。盘车测量时，通过测量探头与轴之间的静态间隙，来代替盘车过程中的百分表测量，可减轻劳动强度，提高工作效率。动平衡测量时，通过测量机组变速过程及试加配重前、后的振动幅值，并且借助示波器观测振动信号，确定振动高点的位置（即不平衡方位）。　　3结语　　通过新技术、新设备的应用，桃林口水电站安全运行的可靠度大幅度提高，经济运行得到较大改善，使机组运行在高效区（低耗水率），每年可多发电量达3%～5%，一期工程年增加经济效益达56～94万元。另外，通过新技术、新设备的应用，降低设备、土建费用120万元。　　长期以来，我国中小型水电站水力机械新技术、新设备的开发和应用较少，普遍存在着设备和自动化元件技术陈旧、老化以及可靠性差等问题，严重影响着水电站安全、可靠的运行。特别是随着“无人值班（少人值守）”水电站的建设，在中小型水电站中开发、应用新技术、新设备是一项具有现实意义的课题。　　通过该项研究，可推动水力机械新技术、新设备在中小型水电站的应用和推广，并为水电站的技术改造提供成了成功经验。　　参考文献：　　[1]河北省水利水电勘测设计研究院．青龙河桃林口水库初步设计报告[R]．1989，10．　　[2]河北省水利水电勘测设计研究院．河北省桃林口水库一期工程优化设计报告[R]．1995，4．