銀盤水電站機電設計

華北水利水電學院畢業(yè)設計PAGE銀盤水電站機電設計（趙鑫王建華）摘要:銀盤水電站水輪機正常運行水頭變化范圍為13～35.12m，額定水頭為26.5m，屬于運行水頭變幅較大的電站。根據(jù)該電站水頭條件，選擇軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機組。論述了銀盤水電站機電設計技術(shù)方案和解決的主要技術(shù)問題，包括水輪發(fā)電機組選型設計和輔助設施的配套選擇、電氣設計、監(jiān)控、消防等內(nèi)容。關(guān)鍵詞:機電設計;電氣設計;監(jiān)控;消防;銀盤水電站;中圖分類號:TV734文獻標識碼:A1概述銀盤水電站位于烏江下游河段，地處重慶市武隆縣，是烏江干流水電開發(fā)規(guī)劃的第11個梯級，上游與彭水水電站銜接，下游為規(guī)劃的白馬梯級，是具有兼顧彭水水電站反調(diào)節(jié)任務和渠化航道的樞紐工程。該工程的開發(fā)任務是以發(fā)電為主，其次為航運。銀盤水電站主要由擋水建筑物、泄洪建筑物、電站廠房和通航建筑物等組成。大壩壩型采用混凝土重力壩，壩頂高程227.5m，最大壩高約78.5m，壩頂長度約600.10m，從左至右分別為左岸非溢流壩段、廠房壩段、泄洪壩段、船閘壩段及右岸非溢流壩段。廠房為河床式廠房，電站裝機容量為600MW（4×150MW），保證出力161.7MW，多年平均發(fā)電量27.08億kW?h。銀盤水電站機電設計的主要內(nèi)容有:水輪發(fā)電機組的選型設計和輔助設施的配套選擇、電氣設計、監(jiān)控與保護、通信、消防、泄水閘門和通航設施的電氣拖動與控制等，采用的技術(shù)方案和解決的主要技術(shù)問題簡要論述如下。2水輪發(fā)電機組2.1水輪機型式及參數(shù)水平銀盤水電站水輪機正常運行水頭變化范圍為13～35.12m。電站運行水頭屬低水頭范圍且水頭變幅大，可供該水頭段選擇的機型有軸流轉(zhuǎn)槳式和混流式?？紤]到該水頭段可供選擇的混流轉(zhuǎn)輪較少，且該水頭范圍是軸流轉(zhuǎn)槳式機型較理想的運行范圍，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的主要優(yōu)點是效率曲線平坦、單位轉(zhuǎn)速高、穩(wěn)定性較好，更適用于低水頭段且水頭范圍變化較大的電站。經(jīng)綜合分析比較，軸流轉(zhuǎn)槳方案優(yōu)于混流方案，因此，本電站選用軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組。根據(jù)對國內(nèi)外大型軸流式水輪機性能參數(shù)的統(tǒng)計分析，結(jié)合銀盤水電站的基本參數(shù)及運行特點，本階段確定的銀盤水電站水輪機的性能參數(shù)水平如下:比轉(zhuǎn)速ns520m?kW左右比速系數(shù)k2700左右最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n′10132r/min左右最優(yōu)單位流量Q′101.1m3/s左右限制點單位流量Q′11.63m3/s左右模型最優(yōu)效率ηOM≥92.8%真機最高效率ηOT≥94.7%模型空化系數(shù)σm≤0.642.2機組容量選擇根據(jù)銀盤水電站基本參數(shù)及運行特點，在前期設計成果的基礎上（楊家沱壩址，裝機容量600MW），分別對單機容量150MW（裝機4臺）和單機容量200MW（裝機3臺）兩個方案進行綜合分析、比較。技術(shù)方面，兩方案的水輪機在設計、制造、施工、運輸、運行維護等方面均是可行的，兩方案的水輪機參數(shù)水平相當，但4臺機方案機組制造難度遠小于3臺機方案，運行靈活性明顯優(yōu)于3臺機方案，廠房施工強度和施工難度也小于3臺機方案。經(jīng)濟方面，4臺機方案與3臺機方案相比，節(jié)省投資3040萬元，初期運行少發(fā)電1.45億kW?h，正常運行期每年多發(fā)電0.012億kW?h，兩方案總體經(jīng)濟指標基本相當。因此，綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，推薦4臺機方案，單機容量為150MW。2.3水輪發(fā)電機組主要技術(shù)參數(shù)（1）機組額定轉(zhuǎn)速選擇。根據(jù)國內(nèi)主要水輪發(fā)電機組制造廠推薦的方案，機組額定轉(zhuǎn)速有75、79、83.3r/min和88.2r/min4種，因75r/min和88.2r/min兩種方案的比速系數(shù)k值、最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速不滿足要求不予選用，83.3r/min轉(zhuǎn)速方案與79r/min轉(zhuǎn)速方案相比，發(fā)電機重量輕、定子槽電流更合適，其技術(shù)經(jīng)濟指標均優(yōu)于79r/min轉(zhuǎn)速方案，故轉(zhuǎn)速選用83.3r/min。（2）水輪機安裝高程。按相關(guān)規(guī)范的要求及適用本電站的水輪機空蝕性能，比較了水輪機最大水頭、設計水頭、額定水頭、最小水頭以及最小通航流量等工況的吸出高度和安裝高程，控制本電站水輪機安裝高程的工況為發(fā)額定功率工況，確定的水輪機安裝高程為176.4m（以導葉中心高程計）。（3）推薦方案的機組參數(shù)。推薦方案機組主要技術(shù)參數(shù)如下:水輪機額定功率152.6MW最大水頭35.12m最小水頭13.00m加權(quán)平均水頭29.66m額定水頭26.50m轉(zhuǎn)輪直徑8.8m額定流量635.8m3/s額定轉(zhuǎn)速83.3r/min額定效率92.5%最高效率94.7%安裝高程（導葉中心線）176.4m比轉(zhuǎn)速541.2比速系數(shù)2786飛逸轉(zhuǎn)速210r/min轉(zhuǎn)輪重量300t水輪機總重量1400t發(fā)電機額定容量166.7MVA額定功率150MW功率因數(shù)0.9額定效率98.3%額定轉(zhuǎn)速83.3r/min額定電壓13.8kV額定電流6973A額定頻率50Hz發(fā)電機冷卻方式全空冷轉(zhuǎn)子重量680t發(fā)電機總重量1350t2.4機組結(jié)構(gòu)（1）水輪機。水輪機為立軸軸流轉(zhuǎn)槳式，混凝土蝸殼。從發(fā)電機頂部俯視，旋轉(zhuǎn)方向為順時針。水輪機轉(zhuǎn)輪由輪轂體、槳葉、槳葉操作機構(gòu)和泄水錐組成。槳葉采用具有良好抗空蝕、磨損性能的不銹鋼材料VOD精煉制造，五軸數(shù)控機床加工而成。轉(zhuǎn)輪室由上、中、下環(huán)組成，采用不銹鋼材料制造，適當位置設置1個檢修進入門。機組主軸由水輪機主軸和發(fā)電機主軸組成，水輪機主軸采用低合金鋼整體鍛造而成，中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)設有槳葉接力器操作油管。水輪機主軸與轉(zhuǎn)輪的連接采用摩擦傳遞力矩的方式。水輪機主軸與發(fā)電機主軸采用法蘭連接方式。（2）發(fā)電機。水輪發(fā)電機為具有上、下2個導軸承的立軸半傘式結(jié)構(gòu)，冷卻方式為密閉自循環(huán)全空冷。發(fā)電機上端軸和發(fā)電機主軸上端均與發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心體連接，發(fā)電機主軸下端與水輪機主軸用螺栓連接。推力軸承置于下機架上或推力支架上，上導軸承位于上機架上，下導軸承置于下機架上。發(fā)電機上、下機架上均鋪有鋼蓋板，構(gòu)成發(fā)電機風罩。發(fā)電機定子機座采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，分瓣運至工地，在工地主廠房安裝場拼裝組圓焊接，并在安裝場疊片，然后整體吊運至機坑，在機坑內(nèi)安裝定子線棒及連線。發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用剛度大、通風損耗小、無軸的圓盤式支架焊接結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子中心體為整體結(jié)構(gòu)。發(fā)電機主軸采用低合金鋼整體鍛造而成，中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)設有槳葉接力器操作油管。3電氣設計電氣設計主要包括電站與電力系統(tǒng)的連接、電氣主接線和廠用電接線、樞紐電氣總體布置、電氣設備選擇、過電壓保護及接地、照明等，主要內(nèi)容論述如下。3.1電氣主接線2006年6月14日重慶市電力公司主持召開了銀盤水電站接入電力系統(tǒng)專題審查會，會議確定銀盤水電站接入電力系統(tǒng)方案為:銀盤水電站出線采用220kV一級電壓接入系統(tǒng)，220kV出線二回，落點均為張家壩500kV變電站220kV母線，每回線路長約30km，導線型號暫按LGJ-2×630考慮。按上述系統(tǒng)條件并保證電站安全運行的前提下進行銀盤水電站電氣主接線的設計，對發(fā)電機和變壓器的組合方式進行了單元接線、聯(lián)合單元接線和擴大單元接線方案比選，因擴大單元接線方式投資相對較低，電站只有兩臺主變壓器，布置比較簡單，操作運行維護也較方便，且每臺機端裝設了發(fā)電機斷路器，對廠用電源和機組的運行較為有利，因此，推薦采用擴大單元接線方案，即:發(fā)電機和變壓器的組合方式采用兩機一變的擴大單元接線。220kV側(cè)接線進行了雙母線接線、內(nèi)橋接線、單母線接線、四角形接線方案比選，分析4種接線方案可知:內(nèi)橋接線配置斷路器最少，投資最省，在電氣設備投資方面該方案具有較大優(yōu)勢，但運行靈活性及安全可靠性最差，故不選用此方案;雙母線接線和單母線接線、四角形接線相比，雙母線接線配置斷路器數(shù)量多，投資相對較高，而運行可靠性及靈活性相對一般，因此也不宜選用此方案。單母線和四角形方案投資相當，且單母線接線簡單清晰，但考慮銀盤水電站為上游彭水電站的反調(diào)節(jié)電站，利用小時較高，若故障導致停機，會造成大量棄水及電能損失，故電站的主接線方案應安全可靠且運行靈活;因此，結(jié)合本電站的特點，從主接線方案應安全可靠且運行靈活的設計原則考慮，本電站220kV側(cè)接線采用四角形接線。3.2主要電氣設備選擇銀盤水電站主要電氣設備有220kV配電裝置、主變壓器、大電流母線等，其選型和主要技術(shù)參數(shù)介紹如下。（1）220kV配電裝置。220kV配電裝置型式通常有全封閉組合電器（GIS）、敞開式電器（CS）、混合式電器（H-GIS）3種。受銀盤水電站周圍地形條件限制，混合式配電裝置開關(guān)站需在岸邊山坡上平整出場地，因此土建費用加大，其總體投資高于GIS方案，而可靠性卻比GIS要低，另外國內(nèi)實際投入運行的此類設備甚少，運行經(jīng)驗不多，因此在銀盤水電站配電裝置選型時不考慮混合式電器，重點比較、研究GIS配電裝置布置和普通敞開式配電裝置兩種方案。通過比較可知，GIS配電裝置方案的運行可靠性、使用壽命、設備檢修、運行維護等多方面均優(yōu)于敞開式配電裝置方案;另外，根據(jù)武隆縣氣象資料記載和統(tǒng)計，武隆縣屬于多冰雹地區(qū)，平均每年出現(xiàn)3～4次冰雹天氣，冰雹最大直徑達20余毫米，氣候條件較差。敞開式配電裝置受到冰雹襲擊受損的概率遠大于GIS方案，敞開式設備大部分為瓷套管，容易受冰雹襲擊而損壞，顯然，采用GIS配電裝置具有明顯的優(yōu)勢。而在經(jīng)濟比較中，敞開式配電裝置方案雖然電氣設備投資較少，但土建工程量及投資很高，整個方案的投資比GIS配電裝置方案高出3640萬元，其經(jīng)濟性較差。故綜合考慮，銀盤水電站220kV配電裝置采用GIS，其主要技術(shù)參數(shù)如下:額定電壓252kV額定電流2000A額定短路開斷電流（有效值）交流分量40kA直流分量百分比≥40%額定短路關(guān)合電流（峰值）100kA首相開斷系數(shù)1.3額定操作循環(huán)分-0.3s-合分-180s-合分額定短時耐受電流（有效值）40kA額定短路持續(xù)時間3s額定峰值耐受電流100kA絕緣水平相對地隔離斷口雷電沖擊耐受電壓（峰值，1.2/50μs）950kV1050kV工頻耐受電壓（有效值）395kV460kV（2）主變壓器。銀盤水電站發(fā)電機和變壓器組合采用擴大單元接線，增大了發(fā)電機電壓短路容量，為了限制短路電流，電站主變壓器低壓側(cè)可以考慮采用分裂線圈。經(jīng)過向國內(nèi)大型變壓器生產(chǎn)企業(yè)咨詢，了解到目前大型低壓分裂升壓變壓器尚處于課題研究階段，生產(chǎn)制造技術(shù)還不成熟，實際運行經(jīng)驗缺乏，目前不推薦采用，故本電站主變壓器選用普通雙卷升壓變壓器。銀盤水電站單機容量150MW，采用擴大單元接線，220kV主變壓器額定容量選擇340MVA。根據(jù)電站的地理位置和交通情況，主變壓器的選型需要考慮運輸條件。340MVA的三相雙卷變壓器運輸重量約為200t、運輸尺寸約為9.5m×3.5m×4.3m（長×寬×高），當采用鐵路運輸時，根據(jù)廠家提供的資料，可以使用210t凹型車運輸。若不用鐵路運輸，可采用水陸聯(lián)運方式，經(jīng)過長江運入，然后轉(zhuǎn)烏江，直到工地重件碼頭上岸。初步了解電站至烏江口的航道現(xiàn)有狀態(tài)，每年的4～10月部分時間可通行運輸三相主變壓器的船只，故選擇三相主變壓器。主變壓器的冷卻方式選擇，需考慮主變壓器的布置位置。本電站主變壓器布置在廠房尾水平臺上，主變壓器的通風、散熱條件比較好，故冷卻方式采用強迫油循環(huán)風冷卻方式。主變壓器的主要參數(shù)如下:型式三相、雙卷、強迫油循環(huán)風冷升壓變壓器額定容量340MVA額定電壓（242±2）×2.5%/13.8kV阻抗電壓13%～15%額定頻率50Hz高壓出線方式油/SF6套管中性點接地方式直接接地或不接地連接組別YN，d11（3）發(fā)電機電壓設備。發(fā)電機電壓設備主要由發(fā)電機主回路母線、發(fā)電機斷路器等組成。根據(jù)《水力發(fā)電廠機電設計技術(shù)規(guī)范》DL/T5186-2004的規(guī)定，100MW及以上發(fā)電機組應選用全連式離相封閉母線。銀盤水電站單機容量150MW，功率因數(shù)0.9，發(fā)電機回路出線額定電壓13.8kV，額定電流為7321A，發(fā)電機機端短路電流系統(tǒng)側(cè)為114.28kA，推薦發(fā)電機至變壓器間的引出線型式采用全連式離相封閉母線，與三相主母線連接的分支回路亦相應地選用全連式離相封閉母線;主回路中的發(fā)電機保護斷路器選用目前通用的24kV大電流SF6開關(guān)，主要參數(shù)如下:封閉母線型式自冷、離相封閉式額定電壓18kV額定電流16000（8000）A額定頻率50Hz額定短時耐受電流（有效值，3s）120kA額定峰值耐受電流340kA（注:括號內(nèi)參數(shù)為單回路母線參數(shù)。）發(fā)電機斷路器型式戶內(nèi)SF6額定電壓24kV額定電流10kA額定頻率50Hz額定短時耐受電流（有效值，3s）120kA額定短路開斷電流交流分量120kA額定峰值耐受電流324kA3.3電氣總體布置根據(jù)推薦的電氣主接線、配電裝置型式及開關(guān)站位置，在滿足電氣設備性能要求的基礎上，考慮節(jié)省占地、運行維護方便和總體布局合理性等因素，確定了銀盤水電站電氣總體布置。其中，在主廠房水輪機層（186.0m高程）主要布置有發(fā)電機引出線和中性點設備;在副廠房發(fā)電機層，每個機組段布置3臺單相勵磁變壓器;在200.0m層，每個擴大單元的設備有單相電壓互感器及避雷器柜、高壓廠用單相變壓器、發(fā)電機斷路器等;220kV設備布置在下游尾水平臺上，包括2臺室外220kV主變壓器、220kVGIS配電裝置室。220kV高壓出線設備選擇在左岸非溢流壩段下游、靠近主廠房安Ⅰ段的一塊平地上，出線設備與GIS配電裝置之間采用SF6管道母線連接，220kVSF6管道母線經(jīng)223m高程樓板下的固定支架引至戶外出線設備區(qū)，再由戶外出線設備引出架空線至線路終端塔。4大件運輸銀盤水電站位于西南高山峽谷地區(qū)，在設計中落實機電設備大件運輸條件、選擇運輸方式十分重要，事關(guān)水輪機轉(zhuǎn)輪、主變壓器等主要設備的選型。銀盤水電站工程所需運輸?shù)臋C電設備重大件尺寸及重量見表1。由于重大件運輸受公路橋涵、隧道等的限制，部分重大件陸路運輸至工地困難，涪陵→壩址的烏江航道為Ⅴ級，中水期可通行載運水輪機轉(zhuǎn)輪體、主變壓器等大件設備的船舶。機電設備重大件運輸選擇每年的4～10月適當時間通過水運至壩址重大件碼頭卸船、起坡，然后用平板車運至工地現(xiàn)場。銀盤上游梯級彭水水電站（5×350MW）已采用相同的水運方式運輸大件至工地。5電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)考慮到銀盤水電站在系統(tǒng)中所處的地位以及電站廠房型式特點，為保證電站安全可靠、經(jīng)濟運行，提高電站運行和管理的自動化水平，最大限度地發(fā)揮樞紐的綜合效益，電站采用全計算機監(jiān)控，即電站集中監(jiān)控和現(xiàn)地監(jiān)控單元均采用計算機監(jiān)控，不另設常規(guī)自動監(jiān)控系統(tǒng)。電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)電力系統(tǒng)要求及電站設備的運行條件，完成對電站設備的自動監(jiān)控，主要包括:（1）準確、及時地對整個電站設備運行信息進行采集及處理;（2）對電站機組及主要機電設備進行實時監(jiān)控，保證電站安全運行并實現(xiàn)電站運行與管理自動化;（3）根據(jù)上級調(diào)度和電站運行要求，進行電站最佳控制和調(diào)節(jié);（4）按照電網(wǎng)要求對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行監(jiān)控，保證系統(tǒng)安全運行;（5）樞紐內(nèi)外通信，并能與廠內(nèi)錄波系統(tǒng)、工業(yè)電視、直流系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、機組局放氣隙系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等系統(tǒng)實現(xiàn)通信。電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有較強的實時性、高可靠性、高可利用率等技術(shù)性能，滿足系統(tǒng)開放性、可擴充性及運行靈活性等方面的要求，可實現(xiàn)電站無人值班（少人值守）。電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計算機監(jiān)控系統(tǒng)分為電站廠站層和現(xiàn)地控制級兩層，廠站層采用功能分布結(jié)構(gòu)，硬件配置包括系統(tǒng)主計算機（信息管理工作站）、操作員工作站、工程師工作站、中控室大屏幕投影設備（不設置模擬屏）、路由器及通信服務器等?，F(xiàn)地控制級按監(jiān)控對象的分布設置現(xiàn)地控制單元，共配置6套現(xiàn)地控制單元，其中4套機組現(xiàn)地控制單元（LCU1～4）;1套全廠公用設備現(xiàn)地控制單元（LCU5），1套220kV交流開關(guān)站現(xiàn)地控制單元（LCU6）。6電力拖動與控制為滿足水工對泄洪閘門的控制要求，溢流閘門控制設置1套集中控制裝置，并結(jié)合工業(yè)電視系統(tǒng)，對閘門啟閉機運行情況等進行集中監(jiān)視。集中控制系統(tǒng)采用2臺工業(yè)控制機作為集中控制主機互為備用，對現(xiàn)地控制設備進行集中監(jiān)視、控制和管理。該方案的特點是配置簡單，操作控制方便，控制、監(jiān)視和管理功能強，通過集控監(jiān)視器可以直接顯示現(xiàn)地設備運行情況，同時對現(xiàn)地設備進行操作控制，并與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊，實現(xiàn)信息上傳和接受電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)控制調(diào)度指令。為了使船閘運行過程可靠、