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1韶山灌区洙津电站机组改造项目初步设计第一章项目基本情况1、前言洙津电站地处湘乡市山枣镇涟水河畔，座落在韶山灌区总干渠尾端与南、北干渠进口的交汇处，群山怀抱，山水相连。电站原装机3台×1250KW发电机组，总装机容量3750KW，年发电量为2000万度左右。电站于1975年10月开始兴建，1977年10月25日成立洙津电站，1978年春完成厂房与土建任务，同年10月第一台机组（3#）安装投产；1979年4月第二台机组（2#）投产，同年10月第三台（1#）投产，工期4年，整个电站总投资310万元，设计单位是湖南省水利电力堪测设计院，施工单位是韶山灌区洙津电站指挥部。随着科学技术的发展,当今水轮发电机组的设计、制造、材料和工艺水平均有很大提高,为机组出力增加提供了技术支撑。洙津电站机经过34年的运行,机组各部件老化严重、安全隐患较大,进行技术改造非常有必要。可通过更换新的水轮发电机组实现机组增容改造。水轮发电机机组部件全部更新,发电机基础不变,水轮机流道除座环至锥管底这部分外其余维持原状,水力机械辅助系统中油水系统管2路、自动化元件采用原机组设置。经技术改造后,机组的单机容量可提高到1680KW。2、原机组基本情况原水轮发电机组基本技术参数如下：2．1水轮机型号HL123-LJ-120最大水头20.7m设计水头18.9m最小水头12.7m额定流量7.93m3/s最大引用流量8.05m3/s容量1360KW额定转速250r/min飞逸转速720r/min转轮直径1.2m2．2发电机型号TSL260-42-24容量1560KWA功率1250KW额定电压6300KW额定电流143.2A励磁电压108.5V3励磁电流263.0A额定转速250r/min飞逸转速720r/min2．3调速机型号XT-10003、存在的主要问题机组运行30多年后，设备老化，运行工况恶化，体现在主要设备方面有：转轮锈蚀严重，汽蚀面积大，平衡性差，导致机组摆度增大；定子线圈容量偏小，绝缘老化严重，容易受潮；调速器运行不平稳，机组故障状态下反应慢。目前我们控制、保护线路大大超过使用寿命，老化严重；因80年代进行过改造，回路紊乱，问题排查处理困难；办厂后对机组控制、保护的反应速度要求更高，70年代的技术满足不了这一要求。4、机组改造的必要性及重要意义：机组运行三十多年，很多设备设施达到或超过了它的使用寿命，只能通过改造，实现机组设备设施的更新，确保机组运行安全和效益的充分发挥。在改造的过程中，可利用当前日渐成熟的新技术和新材料，减少机组汽蚀，增强机组运行稳定性，增加发电出力。4第二章机组改造的内容1）更新水轮机转轮提高效率，更换过流部件以减少渗漏；2）将发电机定子、转子线圈增容提高发电机机组出力；3）更新调速机构；4）改造控制系统；5）更新保护系统；6）新增直流系统；7）新增微机励磁系统；8）更新高低压开关柜；9）油、水、气系统改造；10）厂房改造及装修。5第三章初步设计1、更换转轮洙津水电站属坝后式电站。上游水库水位变化不大，一般在▽63.5-63.8m之间波动，受下游河道水位变化影响，尾水位变化较大，通常情况下水位在▽41-42m之间变化，丰水期尾水位较高，枯水期尾水位较低，但低于▽41m的情况则很少出现。洙津电站水轮机安装高程图纸标示为▽45.5m，实际测量高程为▽45.25m，对应于尾水位▽41-42m，水轮机吸出高度为+4.25m-+3.25m，相应的轮机机装置空化系数δp为0.26-0.32。洙津电站水轮机一般在满开度运行，只在每年7-9月灌溉期，因可用于发电的水量较少时，机组才在约60％或80％导叶开度下运行（70％附近导叶开度区为水轮机水力振动区，机组一般不在此区域运行）。随着最近科学技术的突飞猛进，特别是近十年来国外众多水电行6业著名公司先后与国内同行合资或合作，引进国外的先进技术使国内水轮机技术进步很快，与当初使用的八十年代转轮模型技术相比，技术上已有很大进步。根据电站多年运行得出的实际参数及运行工况，为了充分发挥有限的水利资源，可采用在该水头段的优秀模型转轮FK230技术，FK230模型转轮是从国外引进的该水头段的优秀模型转轮，具有效率高、高效区宽阔、抗空蚀性能好和运行稳定等优点，并上世纪90年代经水轮机模型试验台验证，同时在国内外多座电站运行的实际考验。①、模型流道尺寸比较：№项目单位HL123FK2301导水机构导叶布置圆直径D01.16D11.206D12导叶高度b00.35D10.35D13导叶数Z0只24244蜗壳包角Ψ°3453455转轮转轮叶片数Z1只14147尾水管尾水管高度H02.537D13.26D18尾水管长度L02.618D15.529D1②、模型转轮能量参数比较：№项目单位HL123FK2301模型转轮直径D1mm4603503基准使用水头HmaxM45455最单位转速n10R/min7280.176优工况单位流量Q10m3/s1.11.377最优效率η0max%9192.18最优点比转速nsm-kW2372829限制工况单位流量Q10m3/s1.241.5710最优效率η0max%908911空蚀系数σ00.200.1713最大水推力系数0.410.58③、机组技术改造方案的计算根据电厂多年的运行情况，经慎重考虑提出设计水头取20.8m，此时在额定转速运行时，对应点的单位转速n11=65.8r/min，Q11=1.4m3/s，但从模型曲线上看，单位流量实际可取1.50以上对应导叶转角36°，模型效率为η=88.50％，真机效率可取90%工作流量：根据水轮机相似定律：Q=Q11D12H1/2=1.4×1.22×20.81/2=9.20m3/s水轮发电机组出力Pn=9.81QHηη发=9.81×9.2×20.8×90%×95%=1605KW经计算：水轮机更换转轮后出力保证可达到1650kW其余部件均不变。机组轴向负荷：经改造前后转动总份的重量几不变，最大水推力系数由原来的0.41提高至0.58，最大水推力为：0.58×1.22×20.8=17.4吨，目前推力瓦温度看，裕度是足够的。主轴强度计算：轴的最小有效直径为φ220mm，经初步计算可满8足要求。水轮机吸出高度计算：运行的最大空化系数为0.17，当安全系数取1.6时的吸出高度计算值为+4.45m，完全满足现行要求。2、更换发电机定子、转子线圈因绝缘材料的变更,磁极空间能满足增大线圈线轨的要求,具体电磁计算如下表:序号项目单位参数值保证值不改造增容参数1额定功率(PN)kW1600160016002额定电压(UN)V630063003额定电流(IN)A183.3183.3183.34相数335额定频率(fN)HZ50506额定功率因数0.8(滞后)0.8（滞后）7额定转速(nN)r/min2502508极数24极249绝缘等级F级F级10额定励磁电压V118≤12011911额定励磁电流A295≤30030012定子接线法Y1314定子相电阻(r1)(75℃)P.u．0.01210(r1)(75℃)=0.24012Ω15励磁绕组电阻（rf）P.u．0.002746（rf）（75℃）=0.34360Ω16定子漏抗(Xe)P.u．0.1027717直轴同步电抗(Xd)P.u．1.1683518交轴同步电抗(Xq)P.u．0.70486919直轴电枢反应电抗(Xad)P.u．1.0655820交轴电枢反应电抗(Xaq)P.u．0.6020921直轴次瞬变电抗(X”d)P.u．0.2323922交轴次瞬变电抗(X”q)P.u．0.704862324效率（η）%93.9293.693.225过载能力倍2.6752.6826短路比1.081.0827定子绕组温升K43.2≤8067.628转子绕组温升K65.0≤8072.1转子增大相轨，磁极空间能满足增大线圈线轨的要求。3更换调速器3.1调节器（电器部分）的配置选用以进口高性能、高可靠性的日本三菱FX2N系列可编程控制器作为调节控制核心。这样既满足了调速器的可靠性要求，又充分考虑了调速器的通用性，可扩展性。以彩色触摸屏作为人机交互的界面，具有画面丰富，能完成调速器的相关测试及显示实时曲线。调节器整机所有性能指标均达到或超过国标GB/T9652-1997要求。调节器还有一个完备的计算机监控系统接口的RS-485通讯模块。3.2机械液压系统（调速器机械部分）的配置调速器机械液压系统采用我公司生产的YWT型数字式机械液压系统，该系统全部由数字阀、液控单向阀等标准液压元件构成，并应用集成式结构，体积小，性能高。4更新控制系统电站原控制系统自动化程度低,此次改造采用微机监控系统4.1系统特点10◆系统采用分层分布开放式网络结构，系统的软、硬件均采用模块化、结构化的设计。◆监控软件采用面向对象、全模块化、结构化编程，采用关系型数据库结构，采用堆叠式模块组成，各模块独立完成相应功能，编程扩展方便，易组态、全开放。◆操作系统采用运行经验成熟，运行稳定可靠，抗病毒功能强的实时多任务开放式操作系统。用户接口支持多窗口操作，具有友善的用户界面。◆机组控制以可编程控制器（PLC）为核心，采用液晶触摸屏作为人机界面，监控界面采用菜单形式，并具有强大的实时图形界面显示，可方便进行机组控制和参数设置。◆国际标准的模块化结构，模块互换能力强。◆不同监控层的设备相互独立，局部故障不影响整个监控系统的运行。现地控制层在监控系统退出后仍能对机组进行正常控制操作。◆系统主要设备都具备自检功能，对通讯网络和所有软、硬件具有巡检功能，极大地提高了系统的可靠性。◆功能的配置、结构的选择性能指标的确定均以满足电站生产过程的实际需要为目标，具有良好的可操作性和可维护性。◆系统的人机界面采用成熟的汉化系统。◆可以多主方式工作，网络上任一个节点均可任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，可以不分主从，方便地构成多主系统。11◆主机、辅机监控设备和公用开关站的保护设备均相对独立，仅通过通信网络互联，整体可靠性不受局部影响，具备高度的灵活性和扩展性，便于系统维护。4.2系统结构及配置洙津水电站计算机监控系统采用全分布开放式的全厂集中监控方案。设有负责完成全厂集中监控任务的电站控制系统及负责完成机组、开关站公用设备监控任务的现地控制系统。现地控制系统以可编程控制器为核心构成，现地控制系统的设备靠近被控对象布置。主控级和现地控制单元级经100Mbps以太网相连。系统结构如图所示：1）电站控制级电站控制级为电站的实时监控中心，负责全厂的自动化功能（包12括安全监视、控制操作、自动发电控制AGC、自动电压控制AVC等）、历史数据处理（包括运行报表、设备档案、运行参数等）、人机对话（包括对运行设备的监视、事故和故障报警，对运行设备的人工干预及各种参数的修改和设置等）及时钟同步。（1）主机/操作员工作站2套主机操作员工作站的功能包括对整个电厂的运行管理、数据库管理、综合计算、事故故障信号的分析处理、图形显示、定值设定及变更工作方式、模拟数据的趋势分析及记录、统计和制表打印、运行和事故处理指导、历史数据记录、整理、归档和检索等。运行值班人员通过彩色液晶显示器可对电厂的生产、设备运行做实时监视。电厂所有的操作控制都可以通过鼠标及键盘实现。工作站配置声卡和语音软件，用于当被监控对象发生事故或故障时，发出语音报警提醒运行人员。主机/操作员工作站采用双机热备用工作方式，任何一台计算机故障，系统无扰动切换到另一台计算机，仍可正常运行。（2）打印机1台系统配置一台A3幅面打印机，完成监控系统的各种打印服务功能。打印方式以召唤打印为主，定时打印为辅。（3）GPS卫星时钟1套系统配置一套高精度的时钟系统，时钟系统能与卫星的标准时间同步。时钟精度满足时间顺序记录分辨率的要求。（4）逆变电源1套13系统配置一套交直流双输入逆变电源，为电站计算机监控系统上位机设备供电，提高系统电源的可靠性。（5）网络设备1套系统网络采用以太网结构，符合工业通用的国际标准IEEE802.3以及TCP/IP规约。网络设备包括交换