水利工程：中小型水電站水力機械新技術應用研究

1、簡介：本課題結合桃林口水電站的實際情況和中小型水電站水力機械新技術的開展趨勢，針對水力機械 技術的應用現狀，立足于研發(fā)創(chuàng)新。主要研究成果有：微機調速器、新型不等高橋式起重機、高壓二級壓 力供氣系統、水輪機流量監(jiān)測裝置，以及供排水系統、油系統新技術、新設備、新型自動化監(jiān)測元件的應 用研究等。關鍵字：中小型水電站，水力機械，新技術，新設備，應用研究1 工程概況 桃林口水庫位于河北省秦皇島市青龍縣三道河村北的灤河支流青龍河上，是一座具有供水、灌溉、發(fā) 電等綜合效益的大型水利樞紐工程。桃林口水庫工程分兩期建設，一期工程壩頂高程146.5m，最大壩高74.5m，壩頂長500m正常蓄水位143.4m，總庫

2、容8.95億m3二期工程壩頂高程 163.6m，最大壩高91.3m，壩頂長526.64m，正常蓄水位 158.8m，總庫容 17.8 億 m3桃林口水電站一期工程裝機容量為2 X 10MW多年平均發(fā)電量 6275萬kW- h。二期工程水電站裝機容量為3X 10MW多年平均發(fā)電量 9330萬kW- h。水輪機型號為 HLA208- LJ 180,設計水頭45.0m，設計流 量25.62m3/s。發(fā)電機型號 SF10- 20/3250，額定電壓6.3kV。桃林口水電站采用微機監(jiān)控系統。2 專題研究成果2 1 微機調速器桃林口水電站微機調速器型號為SKYW 7500AF/4.0，調速功為75000k

3、N -m,油壓裝置額定油壓 4.0MPa。SKYWT 7500AF/4.0 型調速器是專門為滿足桃林口水電站特殊需要而研制開發(fā)的新產品。其容量介于 大型和中型調速器之間，其自動化程度和用于事故保護的裝置與大型調速器相同，而結構布置與中型調速 器相同。該調速器裝設有事故配壓閥，這是其他任何一種中型調速器所不具備的功能。SKYWT 7500AF/4.0 型調速器系采用高性能芯片作為主控制器，以電液壓隨動系統為執(zhí)行機構的PID型調速器。正常情況下，可對機組進行轉速調整、負荷調整、負荷自動分配、頻率的自動控制等，并可滿 足跟蹤并網的要求。在非正常情況下，具有自動保護功能，如當電源或測頻信號消失時，通過

4、事故電磁閥 動作保持原開度并發(fā)出信號。在事故情況下，緊急停機電磁閥動作，保證機組平安。22新型不等高橋式起重機 長期以來，水電站起重設備一直選用傳統的等高式起重機，近來出現了一種技術含量高、性能優(yōu)良的 不等高式起重機，更適合于機組的安裝及檢修。桃林口水電站起重設備選擇中，經技術經濟比擬，采用了這種新型不等高橋式起重機，它和傳統的等 高式起重機相比具有以下優(yōu)勢：1起升速度慢，主鉤起升速度為0.7m/min ，副鉤起升速度為 1.0m/min ，更適宜水電站機組安裝、檢修要求。2大車和小車運行均采用硬齒面驅動裝置，使大修由傳統的34年延期到810年，可增加使用壽命，并減少檢修費用。3大車和小車車輪

5、組的裝配，均采用機械鏜孔工藝，且確保了大、小車四車輪水平著軌，并采用車輪箱 45剖分法蘭連接及小車軌道無接頭技術，更換車輪極為方便。因此，新型不等高起崐重機解決了傳 統起重機的“啃軌及小車的“三角落地問題，從而也消除了因車輪“啃軌摩擦增加負荷而燒毀電機 的事故隱患。 4橋架采用四梁式分體不等高連接法，主端梁拼接不采用焊接而是用法蘭螺栓聯接， 運輸安裝方便，如果在使用過程中主梁或端梁不能修復，可單獨更換，不至于整臺起重機報廢。高壓供氣系統的作用是向調速器油壓裝置充氣或補氣。?小型水力發(fā)電站設計標準?GBJ71 84第條規(guī)定：“供油壓裝置壓力油罐的高壓空氣壓縮系統的壓力，應為2030kg/cm2

6、。目前小型水電站調速 器油壓裝置額定油壓一般為 2.5MPa。因此，對于小型水電站高壓供氣系統，標準規(guī)定應為一級壓力供氣方 式。桃林口水電站如采用調速器與油壓裝置合為一體的布置方式，由于調速器體積較大，不僅給主廠房內 機電設備布置帶來困難， 而且接力器布置于水輪機層的機墩內， 加之采用油壓操作， 使控制系統變得復雜， 將給今后的運行、檢修增加困難。因此，高壓供氣系統采用二級壓力供氣方式。在高壓供氣系統設計中，采用 6.0MPa減壓至4.0MPa的二級壓力供氣方式。油壓裝置的油壓從2.5MPa提高到4.0MPa,從而使調速器體積減小，造價降低，并省掉了復雜的控制系統和附屬設備漏油箱，給 主廠房布

7、置帶來方便，同時有效地減少了壓縮空氣中的水分，提高了供氣質量。使配壓閥和接力器的銹蝕 減少，更有利于調速器的平安、可靠運行，同時也給今后的運行、檢修帶來了方便。長期以來，對于中小型水電站高壓供氣系統，一般均采用手動操作。為滿足全廠微機監(jiān)控的需要，并 為水電站“無人值班少人值守打下堅實的根底，空壓機運行方式采用自動操作。油壓裝置壓力油罐采用自動補氣方式，由裝于壓力油罐上的液位信號器和自動補氣裝置來自動控制。 該自動補氣裝置是一種新型自動化元件，它由兩個二位二通電磁閥一個常開、一個常閉，三個手動閥， 一個單向閥及管路組成，本身帶有空氣過濾器，既可實現自動補氣，又可實現手動補氣，必要時還可將壓 力油

8、罐中的多余氣體排出?？諌簷C選用 CZ0.43/60A 型。該空壓機為立式、單列、三級級差式。它具有結構緊湊、體積小、重量輕 的特點。空壓機本身自帶油水別離器，能有效地去除空氣中的水分和雜質。在桃林口水電站高壓供氣系統設計中， 采用二級壓力供氣方式， ?且空壓機為自動操作方式，這種設計 模式，突破了中、小型水電站高壓供氣系統設計只采用一級壓力供氣的模式，為中、小型水電站高壓供氣 系統設計積累了珍貴的經驗。24水輪機流量監(jiān)測計量裝置為滿足現場監(jiān)測及全廠微機監(jiān)控的要求，選用了YLX03 型微機差壓流量效率監(jiān)測計量裝置。1實現機組輸入能量發(fā)電流量、日用水量、累計用水量、開機耗水量和蝸殼進口壓力、尾水管

9、出 口壓力、工作水頭、輸出能量機組出力、日發(fā)電量、累計發(fā)電量和利用效率機組崐效率、發(fā)電耗 水率、日均耗水率、平均耗水率的在線監(jiān)測與計量，提高水電站管理水平和節(jié)水增能效益。 2作為微機監(jiān)控系統的子系統。3指導機組經濟運行，使機組運行在高效區(qū)低耗水率，提高發(fā)電效益，到達水電站最優(yōu)化運行 的目的。整套裝置由3局部組成：4臺采樣變送器及穩(wěn)壓、 阻尼、排氣等附件；YLX-03型微機監(jiān)測計量儀。 它是本裝置的核心局部，包括電源板、數據采集和處理板、顯示板和通訊接口。通訊軟件。通訊軟件采 用C語言開發(fā)，主要的軟件有：15個動能參數的格式化數據表、機組流道圖及相應的主要運行參數、日負 荷過程線、日流量過程線、

10、日耗水量過程線、日效率過程線。根據蝸殼差壓測流的原理，利用差壓、壓力和功率變送器，將水輪機蝸殼內外壓差、進口壓力、尾水管出口壓力、機組有功功率，轉換為420mADC言號輸出。此信號經變換后，將模擬量轉換為數字量。然后送入CPU進行數據處理，根據預制的程序和數據，計算所需的參數值，由LED數碼管可以顯示發(fā)電流量、 累計用水量等15個參數，通過RS- 232標準通訊接口和軟件，將數據送至上位機進行屏幕顯示和打印。1數字顯示功能。采用 LED數碼管由功能鍵選擇分組顯示發(fā)電流量、累計用水量、機組效率、蝸殼 壓力、工作水頭、機組出力、累計發(fā)電量、發(fā)電耗水率等 15 個參數。 2通訊輸出功能。具有 RS2

11、32 串行接口，實現與全廠微機監(jiān)控系統聯網，進行屏幕顯示和打印， 且本身具有打印功能。 3自動控制功能?？稍谠O定時刻自動起動上位機和自身打印機，打印數據報表和過程線，完全實現 無人管理。并可供隨時查詢和打印輸出，而不影響裝置的正常工作。4數據掉電保護功能。在電源中斷時，裝置內存的數據不會喪失。5清零功能。可在任何時刻重新累計用水量和發(fā)電量。 6 裝置精度： 0.5%。25 供排水系統新技術、新設備在水電站機組技術供水系統中，一般要求裝設自動控制閥門，來實現機組運行自動化。多年來，一般 采用DP型電磁配壓閥和 YY型液壓操作閥系統。實際運用中，液壓操作閥經?？ㄗ杈軇?，影響機組平安、 可靠運行，加

12、之閥門漏油，給電站運行檢修帶來不便。采用大口徑電磁閥，較好地解決了上述問題。該閥是專為水電站機組冷卻供水系統配套而設計的大口徑電磁閥新產品，具有以下特點：迷宮密封 型式的不銹耐蝕鋼閥塞結構，流量足、性能穩(wěn)定、使用壽命長；高性能的先導型式3次開閥結構，動作可靠、功率小、壓力范圍寬；閥內控制系統有針型調節(jié)閥結構；可調節(jié)主閥的開閉動作時間；閥內采 用先進的自潔式過濾器結構，可清潔進入導閥內的控制介質，保證正常工作，并具有過濾器自身清潔的功 能；設置手動操縱機構；閥體出口端側面設有螺孔，可安裝顯示及控制元件；考慮到該閥在較濕的 環(huán)境下工作，采用了防潮型結構，密封性外罩，線圈環(huán)氧固封并采用了ISO440

13、0 國際標準的密封型電源接插座。ZCSTH型自保持電磁閥是根據水電站的特點設計的，它采用自保持結構，具有節(jié)能及不受信號故障而 影響工作狀態(tài)的優(yōu)點，這種新型的電磁閥采用上、下2個線圈，引線為共線的 3線制。此3線與原來DP型電磁配壓閥的引線完全一致，為老電站的技術改造帶來方便；另外，由于此閥本身結構的特點，無需配備 高壓操作油源，不會造成污染。桃林口水電站采用大口徑電磁閥取代傳統的DP型電磁配壓閥和 YY型液壓操作閥系統，相應取消了漏油裝置及供、排油管路，節(jié)省了投資，并為今后電站運行帶來方便。2原排水系統設計 原排水系統設計，將廠房滲漏排水系統和機組檢修排水系統合為一個共用系統。機組檢修排水由長

14、柄 閥控制，將水輪機流道內的積水先排入排水廊道；廠內滲漏排水亦排入該廊道。然后再由設于排水廊道的 水泵將積水排入尾水渠。由此可見，該共用排水系統的致命缺點是，存在尾水通過長柄閥倒灌水淹廠房的 隱患。這種水淹廠房的事故，在我國所有采用長柄閥排水的水電站中，幾乎均發(fā)生過，有的還不止一次的 發(fā)生，給水電站的運行帶來極大的不便。另外，長柄閥由于經常不用，加之維修不善，形成用時很難翻開 的現象。同時，閥蓋提起時，由于一些小石子或雜物停留在閥蓋周圍，當閥蓋下落時，關閉不嚴，以致出 現經常漏水的現象。這樣就增加了滲漏排水泵的運行時間，造成電能的浪費。2排水系統設計優(yōu)化及特點 通過分析和調查研究，對原排水系統

15、進行優(yōu)化設計。具體方案為，將廠房滲漏排水和機組檢修排水分 開設置。1機組檢修排水系統。機組檢修排水系統的作用是機組檢修時，排除水輪機流道內的積水。在尾水 檢修平臺處，對應每臺機組，分別設置檢修集水井。流道內積水先排入集水井，然后再由潛水泵排入尾水 渠。當機組檢修排水時，將潛水泵出口與膠管的一端用鐵絲或卡子固定好，膠管的另一端放入尾水渠，水 泵潛入集水井中即面可工作。顯然，該系統不需設置閥門等任何輔屬設備。因此，操作運行簡單，平安可 靠。檢修排水完畢后，即可將水泵從集水井中取出整理好，放入工具間或倉庫內保存?zhèn)溆?。本系統采用的潛水泵為機電一體式的排污泵，它具有節(jié)能效果顯著、平安、防纏繞，無堵塞的特

16、點。 在排除固體顆粒和長纖維雜物方面， 更具有獨特的成效。 因此，該泵尤其適合于排除水輪機流道內的積水。2廠內滲漏排水系統。廠內滲漏排水系統的作用是排除廠房內生產生活排水及各層的積水，該系統 亦采用潛水泵。潛水泵為機電一體式，體積小，重量輕。2潛水泵取代離心水泵 在水電站排水系統設計中，排水泵的選擇是核心問題。長期以來，排水泵大多采用臥式離心泵。由于 安裝位置較低，與水泵配套的電機存在著潮濕和被水淹沒的隱患，直接影響電機絕緣，并可形成事故。其 是水泵底閥長期淹沒于水中，檢修困難，并容易被雜物卡住或密封失效而失去作用，使水泵不能運轉。用 小型潛水泵取代離心水泵，能較好地解決離心水泵存在的問題，使

17、得排水系統更加平安、可靠、方便地運 行。這種機電一體式的潛水泵和離心水泵相比擬，有如下特點：潛水泵起動前無需充水，這樣就省掉了 離心水泵笨重復雜的底閥；離心水泵由于安裝位置低，電機工作環(huán)境潮濕，且存在被水淹的危險。顯然， 這種機電一體式的潛水泵不存在上述問題；潛水泵結構緊湊，外形尺寸小，重量輕。因而，安裝檢修十 分方便，且泵房占地面積小。而離心水泵結構復雜，安裝精度高，因而，檢修也就不便；潛水泵成套價 格較離心水泵廉價的多。桃林口水電站采用潛水泵取代傳統的離心水泵，不僅節(jié)省了投資，而且極大地方 便了運行及檢修。2吹氣式水位控制器長期以來水泵自動控制裝置一般選用液位信號器。實際運用說明，該信號器

18、的浮子易出現卡阻拒動現 象，并且誤發(fā)信號，嚴重影響著排水系統平安、可靠運行，幾乎所有的水電站將其更換。本水電站廠內滲漏排水系統采用吹氣式水位控制器來自動控制運行。該控制器采用吹氣式原理，在水 中無浮子等可動部件，儀表不直接與水接觸，不受水中污物的影響，工作條件好，加之調整方便，準確可 靠。這就保證了排水系統的平安可靠運行。26 油系統新設備在油系統設計中， 采用新型的無濾紙濾油機取代傳統的帶濾紙的濾油機， 不僅取消了烘箱及附屬房間， 而且從根本上鏟除了油處理室火災的隱患。27 新型自動化監(jiān)測元件桃林口水電站上游水庫水位變幅達40m,下游水位變幅達12m水位監(jiān)測采用 HW 1000C組合型超聲波

19、水位監(jiān)測裝置。它利用超聲波在空氣中傳播，遇到水面后被反射，以超聲脈衡波往返于傳感器探頭到水面 之間的時間間隔和傳播速度，測得探頭至水面的距離。這種裝置由傳感器、端機、測量控制器3局部組成，具有以下特點：在測量過程中，沒有任何部件觸及水面，實現了非接觸測量。因此，不受高速水流及漂浮物撞擊，水草泥沙淤堵和水質電化反響的影響； 不需設置測井及相應的埋件；無可動機械部件，不因部件磨損或銹蝕而產生故障，因此，運行平安可 靠；按標準模塊設計，采用分布智能式和實時全變量效準或溫度自動補償，測量精度高且穩(wěn)定可靠； 測量控制器配有操作鍵、顯示器、打印機和輸入、輸出接口，可顯示上下游水位，定時打印水位值，具有 水

20、位越限聲光報警功能；測量控制器經擴展后，具有多個輸出接口，可滿足多臺機組監(jiān)測的要求，這是 其它水位計所不具備的優(yōu)點；能輸出420mA的標準模擬信號，具有 RS232標準串行接口，為全廠微機監(jiān)控系統提供信號。壓力變送器分別裝于技術供水系統、低壓供氣系統、水力監(jiān)測系統，用來監(jiān)測各系統壓力變化，并為 全廠微機監(jiān)控系統提供 420mA的標準模擬信號。壓力變送器為 LB100 型，它采用最新硅傳感技術： 微細加工成的硅膜片技術以及小型不銹鋼膜片技術， 激光微調的溫度補償電阻技術。其中微細加工成的硅膜片技術保證了 LB100 具有其它同類產品無可匹敵的 高精度0.1%;激光微調技術可以使溫度補償電阻值精確

21、到1 X 10-4;小型不銹鋼膜片技術， 使變送器的體積大大縮小外形尺寸 80mnX 106mnX 130mm，并且重量輕重量 1kg。由于采用無需開蓋的零點量程 外部調整結構，使日常的安裝維修更加方便，并具有抗射頻及電磁干擾功能及全天候結構，可廣泛應用于 惡劣的工業(yè)環(huán)境中。差壓變送器為蝸殼差壓測流提供 420mA的差壓標準模擬信號。 差壓變送器為1151DP電容式，由于無 機械可動部件，幾乎不需要維修。零點和量程的調整在不開蓋情況下即可完成，非常方便。為監(jiān)測水輪發(fā)電機組的振動及擺度，在每臺機組的發(fā)電機上導、下導軸承及水導軸承裝設。振動監(jiān)測裝置由電渦流傳感器和振動監(jiān)視儀組成。振動監(jiān)視儀為ZJXY型，是一種雙通道振動監(jiān)視儀，它采用智能處理單元， 配用電渦流傳感器實現非接觸連續(xù)測量