某水廠能源回收工程調流調壓電站電氣設計

袁文娟，吳 韜，倪玉飛

(水利部農村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

1 概 述

某水廠位于浙江省湖州市，是從老石坎水庫和賦石水庫引水，水廠近期規模40萬m3/d，遠期規模60萬m3/d。近期原水流量40萬m3/d，水流進入水廠時還有33.5～58.8 m的富余水頭，隱含大量的剩余能量；如果不進行回收，這部分剩余能量將通過調流調壓閥白白浪費掉。因此，水廠利用原水輸水管道出口處剩余水頭發電，在內部新建1座能源回收電站進行消能處理，主要建筑物只有發電廠房，總裝機容量為2 230 kW，最大出力為1 728 kW，年發電量為1 639～1 102萬kW·h；其電力電量均可全部被水廠消化，不用倒送入電網。

電站水輪機運行水頭變化范圍為34.25～59.24 m，流量變化范圍為2.66～4.63 m3/s，機組出力變化范圍為1 109～1 728 kW。由于流量變化較大，且考慮到設備的檢修和故障備用，本電站裝設1臺630 kW機組和2臺800 kW機組，平時2臺機組運行，1臺機組備用。電站按少人值班控制方式設計，采用計算機監控系統控制。

2 水輪發電機組選型

從水庫到水廠配水預臭氧池水面的毛落差有56.75～66.67 m。從不同流量時引水系統的全程水頭損失，計算不同流量時水電站的運行水頭，從而可計算出不同流量時調流調壓電站的出力，計算結果如表1所示。

表1 調流調壓電站出力計算成果表

從計算結果可見，電站最大出力出現在近期40萬m3/d、水庫水位到達正常蓄水位79.12 m時，最大出力為1 728 kW，所以近期調流調壓電站出力為1 109～1 728 kW。

由于流量變化較大，并考慮到設備的檢修和故障備用，因此本電站裝設3臺機組，大部分時間2臺機組運行，1臺機組備用；必要時在短時間3臺機組可同時運行。有2個裝機容量方案可供選擇：2×630 kW+1×800 kW=2 060 kW和1×630 kW+2×800 kW=2 230 kW，其中630 kW機組的額定流量為1.67 m3/s，800 kW機組的額定流量為2.47 m3/s。

如果采用2 060 kW方案，需要3臺機同時運行才能滿足40萬m3/d(4.63m3/s)的要求，備用能力弱。如果采用2 230 kW方案，2臺大機組運行的流量可達到4.94 m3/s，可滿足40萬m3/d的要求，備用能力強。所以推薦電站安裝1臺630 kW機組和2臺800 kW機組，平時2臺機組運行，1臺機組備用，大機組的檢修應盡量安排在供水量較小的枯水期。

根據運行水頭和容量，擬定電站裝設3臺臥軸混流式水輪發電機組，機組主要參數如下：

1號和3號機組額定容量800 kW，水輪機型號HLA801—WJ—65，額定水頭40.00 m，額定流量2.47 m3/s；配套發電機型號SFW800—8/1180，額定電壓0.4 kV，額定轉速750 r/min。

2號機組額定容量630 kW，水輪機型號HLA743—WJ—52，額定水頭45.00 m，額定流量1.67 m3/s；配套發電機型號SFW630—6/990，額定電壓0.4 kV，額定轉速1 000 r/min。

3臺機組的額定頻率均為50 Hz，功率因素均為0.80，全部采用無刷勵磁方式。

3 電站接入水廠供電系統

水廠調流調壓電站出力為1 109～1 728 kW，發電機機端電壓380 V。如果以380 V電纜接入水廠供電系統，電纜投資過大，而且水廠220/380 V用電設備容量不大；所以最后確定通過10 kV電纜接入水廠10 kV側供電系統進線柜，所發電量供水廠供電設備使用。10 kV電纜通過水廠的電纜溝接入沖洗泵房的10/0.4 kV低配中心，總長度約280 m。

4 電氣主接線及廠用電

水廠用電設備為220/380 V、10 kV電壓等級，配電電壓等級分為10 kV和220/380 V。結合本電站接入水廠配電系統的方式、電壓等級等因素，對本站擬定2個接入方案。

方案一：3臺發電機機端電壓均為0.4 kV，配置1臺升壓變，機組與變壓器組成擴大單元接線的接線方式，通過1回10 kV線路接入沖洗泵房低配中心的10 kV進線柜。

方案二：3臺發電機機端電壓均為0.4 kV，其中1號和2號機組與1號主變組成擴大單元接線；另外3號機組與2號主變組成單元接線。10 kV側采用兩進一出的接線方式通過1回10 kV出線接入沖洗泵房低配中心的10 kV進線柜。

方案一的優點是供電安全可靠、接線簡單清晰、維護方便、布置緊湊、投資省。缺點是僅有1臺變壓器，在主變故障、檢修時，會影響電站發電；另外3臺機組匯流時，匯流電流過大，給安裝電纜、母排帶來不便。

方案二的優點是供電安全可靠、接線清晰、布置合理、運行方便靈活、維護方便。缺點是設備多、投資大。

從技術上看，兩個方案均能滿足安全發供電的需要。從經濟上看，由于方案二增加的投資不多，綜合比較后還是推薦方案二的接線方案。

本電站廠用電供電范圍主要是廠房區域，廠用電采用公用電和機組自用電混合供電方式。

根據廠用電負荷統計結果，廠用電最大負荷容量為87.23 kW，采用綜合系數法，全廠廠用電負荷混合供電時的綜合系數取0.78，則最大計算負荷為68.04 kVA。因此，本電站廠房采用380/220 V低壓供電系統。

電站采用3回廠用電源，2回分別取自發電機0.4 kV母線端作為工作電源，2路電源互為備用。另一回取自水廠的0.4 kV供電系統作為廠用備用電源。正常情況下，只要電站發電，廠用電由工作電源供電；電站不發電或10 kV線路檢修時，切換至備用電源，可靠性高。

5 主變壓器及10 kV斷路器選型

主變壓器選用1號主變SCB13—2000/10型帶外殼戶內干式變壓器，額定容量2 000 kVA，電壓比為10±2×2.5% kV/0.4 kV，接線組別為Dyn11，阻抗電壓百分比為5.72%；2號主變SCB13—1000/10型帶外殼戶內干式變壓器，額定容量1 000 kVA，電壓比為10±2×2.5% kV/0.4 kV，接線組別為Dyn11，阻抗電壓百分比為5.65%；均采用自然冷卻方式。

10 kV斷路器采用VS1型真空斷路器，額定電壓10 kV，額定電流630 A，額定頻率50 Hz，額定短路開斷電流和短時耐受電流為25 kA，額定峰值耐受電流和短路關合電流為50 kA，額定短路持續時間為4 s。

斷路器與其他電氣設備一起采用成套開關柜的形式，布置在廠房內高壓開關室內。

6 電站設備布置

主廠房安裝3臺水輪發電機組，1、2號機組間距8.42 m，2、3號機組間距6.54 m；主閥布置于水輪機的上游側，調速器布置于水輪機的下游側；單梁橋式起重機布置于主廠房上部。

副廠房位于主廠房上游側，布置有中控室、高壓柜室、空壓機室、備品備件倉庫和辦公資料室。中控室布置有3面機組綜合一體化控制屏、1面公用LCU屏、1面直流屏和1面低壓配電屏。高壓柜室布置2臺主變、2面10 kV主變高壓側斷路器柜、1面10 kV出線PT柜、1面10出線開關柜和1面10 kV出線隔離柜。

7 過電壓保護和接地

廠房防雷保護采用在廠房屋頂敷設避雷帶的方式，整個避雷帶以多根引下線與接地網連接。為防止雷電侵入波及操作過電壓損壞電氣設備，在10、0.4 kV母線裝設金屬氧化鋅避雷器進行保護，電站內所有電力設備外殼均可靠接地。

廠房接地裝置充分利用直接埋入地中的鋼筋等金屬件，以及其他各種金屬結構等自然接地體可靠焊接成一體，并與水廠內人工接地裝置可靠焊接構成站內接地系統。電站內設置人工接地裝置并與水廠內接地系統可靠焊接，構成水廠統一接地網，其接地電阻值在任何季節不得大于1 Ω。

8 照明及電纜橋架

照明設計具體按《建筑照明設計規范》(GB 50034)有關規定進行。電站除正常工作照明以外，還同時增設事故照明，工作照明采用380/220 V三相四線制，電源由低壓配電屏引至照明配電箱。全廠正常工作照明時由交流220 V供電，事故照明時自動切換到直流電源，由直流電源供電。

電纜橋架全部采用高新的高分子合金塑料(PVC與ABS有機材料合成)托盤的形式，立柱和托臂采用鍍鋅鋼制作。合金塑料電纜橋架主要特點有高強度、耐腐蝕、重量輕、易安裝、不導電、阻燃強、外觀美和壽命長等。

9 結 語

本項目建設場地在水廠廠區內，充分利用現有水工建筑物，不占用耕地，不會對環境造成影響。利用管道富余水能發電不僅能夠為水廠帶來效益，還能為更好地節約資源、保護環境作出貢獻，對實現節能減排的目標具有積極的意義。

目前水力發電為成熟技術，機電設備也為成熟產品，其可靠性是較高的，一般故障排除也是簡單、快捷的。調流調壓電站建成后，調流調壓閥退居為備用設備。

本電站機組規模小，水輪機轉動部件和流道內均不需要油潤滑或冷卻，外部也沒有油或污水流入，所以不會對原水構成污染。電站運行期間無廢水、廢氣排出，噪聲比目前的調流調壓閥產生的噪聲小。所以，調流調壓電站建成后，不會對水廠輸水的可靠性、水質和環境構成影響，而且社會效益顯著。