江都三站技术改造发电方案比较研究_丁小锋

第42卷第3期2011年2月
人 民 长 江
Y ang tze R iver
V o.l 42,N o .3Feb .,2011
收稿日期:2010-09-28
作者简介:丁小锋,男,工程师,主要从事泵站建设管理方面的研究。

E-m a i:l dxfjsj d @
文章编号:1001-4179(2011)03-0107-05
江都三站技术改造发电方案比较研究
丁小锋1
,张 宇1
,宋 立
2
(1.江苏省江都水利工程管理处,江苏江都225200; 2.江苏省水利科学研究院材料结构试验室,江苏扬州225002)
摘要:江都第3抽水站为国内首座抽水、发电两用的可逆式泵站。

总结了江都第3抽水站在南水北调东线工程加固改造过程中对低扬程反转发电运行方式的方案选择及技术探讨。

对该站当前采用的变频发电技术的基本原理、主电机、主水泵、励磁装置、微机保护装置、自动化监控系统、高压电气接线及泵站辅机在具备反转发电功能时应具备的功能和特点进行了介绍,对机组改造前后的启动运行方式及泵站改造后的试运行情况进行了总结。

改造的成功经验可供同类泵站在设计、设备选型和发电功能技术改造时参考。

关 键 词:泵站改造;可逆式泵站;反向发电;正向抽水;方案比较中图法分类号:TV 734.2 文献标志码:A
1 工程概述
江都第3抽水站(以下简称/江都三站0)位于淮河、里运河及新、老通扬运河交汇处,为国内首座抽水、发电两用的可逆式泵站,是江都水利枢纽主体工程,江苏省江水北调的第1级抽水工程,也是我国南水北调东线源头抽水工程之一
[1]。

在进行技术改造之前,江
都三站装有10台套ZLQ13.5-8型液压全调节立式
轴流泵,配套1600/600k W 、24P /48P 立式可逆电动发电机,总装机容量16000k W,设计扬程8m,单机流量13.5m 3
/s 。

可逆式机组除可抽水抗旱、排涝外,在淮河来水较丰且有余水下泄时,可反转发电,在水头为4m 的条件下,单机可发电300k W 。

2006年10月至2009年3月,对江都三站的机电设备进行了改造,改造后的江都三站仍采用10台套液压全调节立式轴流泵,设计扬程7.8m,单机流量13.5m 3
/s 。

配套1600/450k W 、28P 型立式同步电机,总装机容量为16000k W,原发电功能采用半速变频(通过改变发电机、电动机极对数)发电设备:12P 、500r /m in 、4000k W 的发电机;6P 、500r /m in 、4300k W 的电动机。

2 原发电运行方式简介
低扬程轴流泵站反向发电的运行方式主要有3
种,即同转速运行方式、变极降速运行方式、变频运行方式
[2]。

江苏省大中型泵站倒转发电比较成功的有沙集泵站、刘老涧泵站和江都三站,其中沙集站采用的是不变
速发电方式,刘老涧站采用的是变频发电方式,而江都三站改造前采用的是变极降速运行方式,即主机组采用双速电机,发电运行时,将主电机尾部接线的连接片改接,使电机由原来的24极变成48极,发电运行时转速由抽水运行时的250r /m in 变为125r/m i n ,从而实现机组的变速发电运行。

机组发电时,机端出口电压仍为6kV 、50H z 。

发电电能直接经6.3k V /121kV 主变送入电网。

启动方式如下。

(1)启动前,主水泵机组同步电机通过定子绕组的改接线,由24P 改为48P ,同时改变转向,改调同步电机保护定值。

(2)投入6kV 主母线电源。

(3)将待投运机组断路器手车推入工作位置。

(4)待投运机组抽真空,根据上下游水位差,当真空度达到一定值,倒流水量使机组即将转动或转动。

(5)合上待投运机组断路器。

机组异步启动,达亚同步转速时,自动投入励磁、牵入电机、进入电动同步运行。

随着流道水流量的加大,真空度进一步提高,电机逐渐进入发电运行状态。

人民长江2011年
3改造方案比较
江都三站主机组主要是以抽水为主,仅在上游水
量充足时进行发电,因此,在进行改造前的设备选型
时,就考虑到应在不降低机组抽水效率的前提下具备
发电功能。

根据上海电机厂提供的有关数据,如果江
都三站仍采用双速电机,效率将比单速低2.0%左右。

江都三站改造后,年抽水时间5000~8000h,如果不
变速,发电条件许可,效率较高而机组运行又稳定的
话,无疑采用该方式是比较理想的。

为了获得准确数
据,江都三站管理处在2006年2月9日组织有关人员
对该站原5号机组在半速和不变速情况下进行倒转发
电测试,测试内容包括机组的效率、发电输出功率以及
机组运行的可靠性。

测试参数及结果如下。

(1)两次发电电气技术参数见表1。

表1发电电气技术参数
开机方式实测输出
功率/k W
上游
水位/m
下游
水位/m
水位差/
m
流量/
(m3#s-1)
半速264.06.101.214.89约9.0
不变速192.06.101.214.89约13.0
(2)在同样工况下,水位差将近4.9m时,不变速倒转发电量为半速发电量的72.5%,而用水量却增加约15%。

在不变速发电时,机组起动虽正常,但因为转速高,机组振动、噪音比半速发电时要大得多。

因此,反转不变速发电方式并不适用于江都三站。

最后决定在变频降速运行方式与变极降速运行方式之间进行比较。

变频运行方式就是采用变频电源或变频机组,以降低发电运行时的转速,江苏省刘老涧泵站就是采用这种方式。

通过调查,刘老涧泵站上下游水位差小,大约在3.0~4.0m。

根据水轮发电机的特性,水位落差越大,发电效果越好,转速相对较高,而水位落差小,则要求发电转速低。

江都三站发电时上下游水位差在4.0~5.0m,从理论上讲,低转速发电效果较好。

上海电机厂有限公司用1600k W、28P立式同步电动机进行的余水反转半速发电试验获得了成功:在额定工况下,发电机出力不小于400k W/台。

因此,针对主电机,提出了以下两种方案。

(1)方案1,按江都三站原机组模式:两种工况变换为同频率倍极变速方案,其抽水工况为1600k W、28P、50H z、6kV、cos U0.9(越前);发电工况为400 k W、56P、25H z、6.3kV、cos U0.8(滞后)。

(2)方案2,按江苏省刘老涧泵站反转发电模式,两种工况变换为同极数变频变速方案,其抽水工况为1600k W、28P、50H z、6kV、cos U0.9(越前);发电工况为450k W、28P、25H z、3kV、cos U0.8(滞后)。

该方案由于发电为3kV、25H z,不能直接并入电网,为此需通过一套专用变频机组将3kV、25H z的电变换为6.3 kV、50H z的电,然后向电网输送。

优化后两种方案的设计计算结果汇总见表2。

两种方案的优缺点分析见表3。

表2优化后的两种方案的设计计算结果汇总
方案模式立式电机工况
定子铁心
外径/mm
效率/
%
质量/
t
江都三站抽水工况1600k W、28P、50H z、6k V U325092.5048发电工况400k W、56P、50H z、6.3kV85.00刘老涧抽水工况1600k W、28P、50H z、6k V U260095.1435发电工况450k W、28P、25H z、3kV92.92
表3两种方案的优缺点比较分析
方案模式优点缺点
江都三站抽水发电均可直接上网,仅有
接线变换装置,发电工况操作
控制简单
电动机抽水工况效率低,92.5%,
长期抽水成本高,水费贵,转子在
变极时要变接线,不方便刘老涧效率高,95.14%,有利于长期
抽水,费用省,电机体积小,重
量轻,可节约投资
发电工况需经变频机组向电网送
电,增加变频机组设备,发电机开
机操作控制也稍复杂
综合各方面因素,江都三站改造工程最终采用了刘老涧方案。

按江苏省刘老涧泵站反转发电模式,两种工况变换为同极数变频变速方案,其抽水工况为1600k W、28P、50H z、6kV、cos U0.9(越前);发电工况为450k W、28P、25H z、3kV、cos U0.8(滞后)。

该方案由于发电为3kV、25H z,不能直接并入电网,为此需通过一套专用变频机组将3kV、25H z的电变换为6.3 kV、50H z的电,然后向电网输送。

采用变频发电技术,使江都三站电机效率高达95.14%,这样有利于长期抽水运行,也可减小电机的体积和重量,节约了投资。

4改造后机电设备的特点和要求
4.1主电机
(1)变频电动机和变频发电机及其配套设施各增加1台套。

(2)在设计制造主电机时,已充分考虑到了其内部的结构形式和机械性能,可以满足反向稳定运行,且无不利的振动和噪声。

此外,由于电机取消了原来的变极功能,电机极数减少为原来的一半,电机尺寸可以更小。

上海电机厂在原土建尺寸不变、采用原电机地脚螺栓的条件下,对电机结构和尺寸进行设计,定子铁心外径由U3250mm减小到U2600mm,电机总重量由48t减小为34.2t。

108
第3期 丁小锋,等:江都三站技术改造发电方案比较研究
(3)电机推力轴承由原来的巴士合金瓦更新为弹性金属塑料瓦,由于主机组转动部分重量减小,弹性金属塑料瓦摩擦系数仅为巴士合金瓦的1/3。

因此更有利于发电运行抽真空时机组的启动,缩短了启动时间。

图1 江都三站电气主接线示意
4.2 高压电气
江都三站共装机10台套,机组具有正向抽水、反向发电功能。

由于机组在发电和抽水两种方式下的旋转方向不同,须调整相序,在设计电气主接线时,考虑到了正向抽水、反向发电两种工况。

江都三站电气主接线采用单母线分段的接线方案,Ñ段母线设有电缆进线柜、6kV 进线开关柜各1台;Ò段母线设有消弧消谐PT 柜1台、站变开关柜2台、变频发电机开关柜1台和联络开关柜1台;Ó段母线设有电压互感器柜1台、变频电动机开关柜1台以及主机开关柜10台。

Ñ段和Ò段母线电气设备的运行工况为6kV 、50H z ,Ó段母线抽水时运行工况为6kV 、50H z ,发电时,运行工况为3kV 、25H z 。

在抽水运行时,将Ò段母线与Ó段母线之间的联络开关合上;发电运行时,将联络开关断开,变频机组断路器与联络开关具有电气互锁功能。

主接线布置见如图1。

4.3 励磁装置
江都三站励磁装置为北京前锋科技有限公司生产,主要配置、功能及参数如下
[3]。

(1)10台1600k W 主电机,1台4000k W 、50H z 发电机,1台4300k W 、25H z 电动机。

设计时,励磁装置的软、硬件是按功能最大化要求进行考虑的,具体应用时,通过修改调节器的配置参数清单来满足不同工
况的运行要求。

12台励磁装置的设备型号统一为WKLF-102B 。

4000k W 、50H z 变频发电机另配置有
1台WKLF-MK02型灭磁开关柜。

(2)10台1600k W 主电机(1M S V 10MS)在电动抽水工况运行时,电机的机端电压为6kV,频率为50H z ;在发电工况运行时,电机的机端电压为3kV,频率为25H z 。

励磁装置配置为:在发电开机及运行时选择25H z 工作模式,外环调节采用恒无功功率(无功功率设定值可调整,默认设置为0,即cos =1)闭环调节,内环采用恒励磁电流调节;在电动抽水运行时选择50H z 工作模式,外环调节采用恒功率因数闭环调节,内环采用恒励磁电流调节。

(3)4000k W 、50H z 变频发电机开机时在电动工况运行,正常时在发电工况运行。

电机的机端电压为6kV,频率为50H z ,励磁装置配置为50H z 工作模式,软件配置有滑差检测环节以满足自同期并网的要求;外环调节采用恒无功功率闭环调节(无功功率设定值可调整),内环采用恒励磁电流调节。

变频发电机励磁系统还配置有一套灭磁开关柜作为后备灭磁;正常停机时,由励磁装置逆变灭磁,灭磁开关柜不动作;励磁装置发生事故需要跳闸时,先跳掉灭磁开关,将灭磁电阻接入转子回路,再由灭磁开关辅助接点将发电机主断路器跳开。

(4)4300k W 、25H z 变频电动机刚开机时在发电工况运行,正常时在电动工况运行,电机的机端电压为3kV,频率为25H z 。

励磁装置配置为25H z 工作模式,外环采用恒机端电压闭环调节(机端电压设定值可调整),内环采用恒励磁电流调节。

此方式可使3
kV 、25H z 局部电网在开机建压及正常运行时保持电压稳定。

(5)在电动工况下运行时,变频发电机及变频电动机不投入运行,10台1600k W 主电机只在电动抽水工况下运行,独立起停;励磁装置的开机及工作流程为常规方式。

(6)10台1600k W 主电机两种运行方式的配置参数可在现场进行调试,调试结束以后,使用随产品提供的Excitro l_so ft 计算机软件上载,并保存为两个不同文件名的配置参数文件,交维护使用人员存档;在改变机组运行方式时,只需使用Exc-i tr o l_so ft 计算机软件将相应工况的配置参数文件一次性下载至励磁调节
器,无须逐一修改配置参数。

其余机
109
人民长江2011年
组的配置参数也可上载并保存为配置参数文件,供将来更换励磁调节器备件时使用。

4.4微机保护装置
江都三站微机保护装置为南瑞继保电气有限公司生产的产品。

由于10台同步电动机抽水时是在6 kV、50H z工况下运行,发电时是在3kV、25H z工况下运行,且每台机组的发电容量为450k W,所有的保护定值、测量值将会发生变化,同时由于抽水、发电工况下均是共用一组6000/100V PT,因此,为确保在两种工况下都能安全准确地运行,采用了专门制作的主机保护装置。

主电机测控保护功能配置是由南瑞继保公司RCS -9641保护装置改制而成的。

其主要功能有电流、电压、功率、功率因数、频率、电量的测量和监视,断路器和隔离开关位置状态信息采集,断路器控制操作及各种常规的保护功能。

为了适应发电运行的需要,还增加了低功率、逆功率保护及独立的操作回路和故障录波,并能适应于不同电压和频率的要求。

主机的保护装置可以设定两套及以上的定值区,能将抽水时(1600k W、6000V、50H z)、发电时(450 k W、3000V、25H z)的保护定值参数分别设置整定到相应的定值区,利用微机保护屏面板上的压板来切换至抽水或发电运行方式。

在发电工况下,保护装置输送发电工况信号;在抽水工况下,保护装置输送抽水工况信号,同时还会投入相应工况的保护定值,显示出相应工况的测量参数量。

保护定值区既可以在自动化远控方式下由软件程序改变,也可以在现场手动方式下用保护装置上的键盘操作来输入。

该方式避免了在技术改造前需要更改电流继电器保护定值的麻烦。

变频发电机(4000k W)采用南瑞继保RCS-985RS(差动)、RCS-985SS(后备)、RCS-9705C(测控)装置,变频电动机(4300k W)保护是由RCS-9643C保护装置改制而成,主要配置有:纵差保护,电流速断保护,过电流保护,过负荷保护,负序电流保护,零序保护,低电压、过电压保护,失步、失磁保护,低功率、逆功率保护,温度及非电量保护等。

4.5自动化监控系统
江都三站进行技术改造以后,增加了1套自动化监控系统。

系统集测量、控制、保护、信号、管理等功能于一体,并能实施水情数据的收集处理,实现在中控室内集中数据并进行显示、分析和处理,实现集中和分散控制。

通过网络,可以将江都三站的运行数据和状态实时、真实地展示在各级管理人员面前,实现主机、变频机组、配电设备的自动控制,满足/无人值班、少人值守0的要求。

同时自动化控制系统与江都三站调度控制管理系统通过网络链接,可以实现数据指令传送和图像浏览。

通过自动化监控系统,进一步提高了泵站抽水、发电运行的可靠性,使管理水平也得到了进一步的提高。

4.6辅助设备
在进行技术改造之前,江都三站即已具备了反转发电功能,除了在新增的变频机房配备了20t桥式起重机及轴承液压冷却装置以外,原有的叶片调节装置、抽真空装置、供排水泵等辅机设备已能满足发电功能的要求,在此次实施的工程加固改造过程中对辅机设备也进行了更新改造,以此确保工程运行的可靠性。

此外,为了能确定主机组合闸的时间,准确测量发电机启动的瞬时转速,对每台主机组都增加了测速装置。

5改造后的发电启动运行方法
(1)将变频发电机(4000k W)断路器手车推入工作位置。

(2)合上变频发电机断路器。

机组异步启动,达亚同步转速时,自动投入励磁、牵入发电机、进入电动同步运行,转速为500r/m i n。

变频发电机与变频电动机同轴,因此变频电动机也进入同步转速。

(3)将变频电动机断路器手车推入工作位置。

(4)合上变频电动机断路器,自动投入励磁,电动机进入发电运行状态,因励磁设定为3k V恒电压运行方式,变频电动机为6P,在500r/m in转速下,变频电动机在Ò段母线建立电压为3kV、频率为25H z的小电网。

(5)将待投运水泵机组断路器手车推入工作位置。

(6)待投运水泵机组抽真空,根据上下游的水位差,当真空度达到一定值时,倒流水量使机组转动。

(7)当转速达107r/m i n的60%时,合上待投运水泵机组断路器。

机组异步启动,达亚同步转速时,自动投入励磁、牵入电机、进入电动同步运行,转速为107r/m i n。

随着流道水流量的加大,真空度进一步提高,电机逐渐进入发电运行状态。

(8)水泵机组转入发电运行状态以后,变频电动机自动转入电动运行状态,变频发电机则自动转入发电运行状态。

6改造后的发电试运行
2009年3月11日,江都三站10台水泵机组全部更新完成,采用变频发电方式,进水流道全部更改为肘形,出水流道仍为虹吸式。

10台机组全部投入发电运
110
第3期丁小锋,等:江都三站技术改造发电方案比较研究
行,并对5号机组进行了变频发电测试。

5号机组变频发电电气技术参数列于表4。

表45号机组变频发电电气技术参数
时间
主机
叶角/
(b)
有功/
k W
无功/
K var
变频发电机功率变频电动机功率
有功/
k W
无功/
K var
有功/
k W
无功/
K var
上游
水位/
m
下游
水位/
m
开机
数量/
台
15:302.039023344894346086.461.4910
江都三站在实施技术改造以后,对5号水泵机组进行了技术改造前后的发电测试,结果表明:在水位差相差仅0.09m的情况下,发电量比改造前增大了约30%,达到了相关设计对机组运行稳定性的要求。

7结语
变频发电技术在江都三站改造工程中的应用是成功的。

随着同步电动机励磁技术的发展和微机保护技术的不断更新以及新材料的应用,江都三站发电运行的可靠性、安全性得到了进一步加强,从抽水状态转换到发电状态时的电气主接线的切换和电气有关参数的设定十分便捷。

但由于增加了变频发电机组及配套设备,使设备维护和检修的工作量也相应地增大,目前变频机组在运行过程中噪音较大的问题,在不久的将来即会得到解决。

参考文献:
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[3]北京前锋科技有限公司.WKLF-101/102微机控制同步电动机
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(编辑:赵秋云)
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D ING X iaofeng1,Z HANG Yu1,SONG L i2
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struct ure science,J iangsu P rovinci alH ydraulic Research Instit ute,Yangzhou225002,China)
Ab stract:Jiangdu N o.3Pump i ng Station,w it h the functi ons of bo th pu m ping and power generati ng,is the first reversi b l e sta-tion i n Ch i na.W e su mm ar ize the sche m e se l ec ti on and techn i ca l discussion of l ow-lift reve rsal powe r generation of Jiangdu N o.
3Pu m pi ng Stati on dur i ng the process of reinforcem ent and reconstruction for Easte rn R oute Pro j ect of South-to-N orth W ater
D i version.T he basic pri nc i p l es o f var i able-frequency powe r genera tion,m a i n pu m p m otor,m ain pump,exc itation dev ice,m-i
cro computer protec tion syste m,auto-mon it o ri ng sy stem,w ir i ng of high vo ltage e l ectrical sy stem and the requ i s ite functi ons and character istics o f a aux ili ary un itw hen possess i ng the f uncti ons o f reve rsal pow er genera ti on a re presented as w el.l The co m pa r-i son of ope ra tion m odes before and after reconstruction i s m ade and the situati on o f tr i a l runni ng after reconstruction i s also re-v i ewed.T he successful exper i ences can prov i de references for the desi gn,equ i p m ent se lecti on and technical i nnovation of po w er generati on f unc tion o f si m ilar pu m pi ng stations.
K ey w ords:reconstructi on of pump i ng station;reversa l pu m p stati on;reve rsal po w er genera tion;for w ard pu mp i ng;schem es se lec ti on
(上接第98页)
Study on sonic propagation la w s in anchored body of anchorage bolts w i t h variable lengt hs
Y IN Jianm i n,Q IN Q i a ng,X IAO Guoqiang
(K ey Laboratory of G eotechnicalM echan ics and E ngineer i ng of t heM i nistry of W ater R esources,Changjiang Scienti f ic Research In-s titute,W uhan430010,Ch i na)
Ab stract:In o rder to study the propagation la w of son i c w ave i n son i c re flecti on m e t hod for detecting t he rock bo lted qua lit y, exper i m enta l bo lt models o f different lengths w ere f abricated,a lso3D FE M si m ulati on m ode l s w ere estab lished for co m parison, and the dynam ic responses o f anchorage body were stud ied.The resu lts of the exper i m ents and the nu m er i ca l si m ulati ons show that,w ith increase o f the leng t hs o f t he ancho rage bo lts,t he acce l eration response si gna l at bo lt head tend to be regular,wh ile bo tto m re flection amp litudes graduall y decrease,the conso li da ti ng wave ve locity of the bo lt ancho ri ng syste m a lso g radua lly de-creases,the energy attenuation o f refl ec ted w av e is i ncrease.By co m pa rative stud i es on the resu lts,w e obta i n t he re lati on be-t w een response w aves c variati on tendency and the bo lts length,and a l so ge t the relati onsh i p bet w een conso lida ti ng w ave speed o f bo lt anchoring syste m,energy a ttenuati on of re flection wave and t he ancho rage bo lts l eng t h.
K ey w ords:anchorage bo lt;qua lit y check;sonic reflec ti on m ethod;experi m ental s i m u l a tion;nu m er i ca l si m u l a ti on
111。