于洪亮

(河北省遵化市水利局，河北 遵化 064200)

1 水电站概况

1.1 基本情况

上关水电站位于遵化市马兰峪镇上关村北500 m处，是上关水库枢纽工程重要组成部分，为坝后式电站。该工程位于主闸放水洞右侧，装机容量3×250 kW，原设计年发电量为144.89万 kW·h，设计年利用小时1 932 h，设计流量6 m3/s，最大水头24.2 m，最小水头11.2 m，设计水头20.70 m。

水电站主要工程设施有引水建筑物及压力管道、水轮机、发电机、升压站及附属设施。其中，1#水轮机组型号为HL260-WJ-60，2#、3#水轮机组性好为HL300-WJ-60；1#发电机组型号为TSWN85/39-10，2#、3#发电机组型号为TSWN99/29-12；升压站由3台320kVA和1台50kVA厂用变压器组成。水电站建成至今发挥了巨大的经济效益，历史最高发电量为1994年180.5万 kW·h，截至2004年底已累计发电2 360.3万 kW·h，实现安全生产1 345 d，于1999年通过省厅“安全运行一千天”验收。

1.2 现存问题

1.2.1 厂房

厂房屋顶为坡屋面瓦结构，因年久失修，导致瓦面塌陷，损坏严重，虽历经多次修缮仍有瓦面破损，墙皮脱落、裂纹影响电站形象。电站只有主厂房，没有副厂房，机组控制、保护设备布置在安装间，运行值班时噪音大、温度高且运行环境恶劣，严重影响值班人员身心健康[1-3]。

1.2.2 压力管道

压力管道为集中供水方式，由放水洞岔接1根钢筋混凝土主管，分为3根钢筋混凝土支管，支管末端采用钢管与水轮机蜗壳连接。随着下游用水情况的变化，近年来在3台机组压力钢管阀前各接了一根DN150钢管向下游供水，导致电站管理混乱，影响机组正常发电。

1.2.3 水轮发电机组

水轮发电机组投入运行至今已40多年，超期服役，近几年机组的运行状况越来越差，早已超过机组的大修间隔周期，但是由于技术力量薄弱，经费有限，多年未曾安排过大修。机组轴承漏油严重，轴瓦严重磨损。

1.2.4 调速器

调速器型号为XT-300型机械液压调速器，属于70年代产品，由于已运行多年。目前，调速器的自动调节功能已丧失，出现频率不稳定、测频精度差、操作不灵活、丢步与失步的现象，因当时制造问题漏油严重，油泵启动频繁，已不能保证机组的稳定运行。

1.2.5 励磁设备

电站1#机采用相复励，2#、3#机采用TFKGL-200型可控硅励磁。由于年代久远，目前设备老化，技术落后，故障增多，存在励磁不足、带不起无功、运行不稳定、发生震荡等现象。励磁装置使用已三十多年，达到《小型水电站机电设备报废条件》，相复励励磁装置超过15 a可予整套报废的条件。

1.2.6 机组出口控制、保护及厂用电设备

电站装设3台250kW、400V低压水轮发电机组，每台机配置1面BSL-1-非型发电机配电盘，另配1面BSL-1-60型厂用电盘；1978年由天津开关厂生产，至今已使用40余年，开关柜为开敞式结构，不具备“五防功能”，元器件早已不生产，操作不灵活，绝缘性能差，运行中拒合、拒分或误合、误分现象越来越严多。柜内配置的DW10型框架断路器已列入国家公布的淘汰机电产品目录，属已淘汰产品。

1.2.7 开关站设备

开关站设备主要包括3台主变，1台厂变及变压器高、低压侧开关设备。其中，3台主变为SJ3-320/10型，为配电变压器，由于能耗高已列入小型水电站机电设备应淘汰的产品目录。目前，变压器漏油严重、介损超标，已不能正常使用；变压器高压侧跌落式熔断器为RW3-10型，经多年使用，年久老化，熔体断裂，触头融化，不能正常动作；线路出线断路器为DW5-10型多油断路器，漏油严重，拒合、拒分、误合、误分现象时有发生。

1.3 改造必要性

上关水电站已经运行40多年，机电设备和建筑物等老化严重，当时主机设备制造厂家已经倒闭，无法进行设备的维护，机组长期带病运行，即将停运，变压器等机电设备非节能设备，不能满足现在节能减排要求。为了充分利用上关水库水能资源，促进地方经济发展，缓解地方用电紧张局面，提高电站安全稳定运行可靠性，保障上关水库防汛应急用电，急需对电站进行整体技术改造[5]。

2 技术改造设计方案

2.1 建筑物改造

2.1.1 厂房

拟对坍塌的部分坡架进行整修，瓦面进行更换，整修处理流程为：先检查拆除原有坍陷、破损部分屋面瓦，然后对坍陷部分坡架进行整修，整修完成后采用水泥瓦对原有瓦片进行更换，整修面积共计350 m2。

厂房内外墙皮由于风雨侵蚀、脱落、裂纹，本次拟采用墙面漆对其进行重新粉刷。内墙面处理工艺流程为：铲除原内墙装修、清扫干净、刮腻子、刷内墙漆。外墙面处理工艺流程为：清扫干净、刷漆[6]。

2.1.2 新建控制室

电站只有主厂房，没有副厂房，机组控制、保护设备布置在安装间，运行时厂房内温度高、噪音大，噪音已达危害人身健康的程度，最大噪音113 dB。本次拟在安装间靠墙修建隔音、隔热控制室1间，控制室尺寸(长×宽×高)为5 m×5 m×3.5 m；控制室采用双层中空玻璃隔音、隔热铝合金修建。

2.1.3 压力管道改建

将分别接于3台机压力管道上的3根DN150供水钢管拆除封堵。将3#机蝶阀、短管、伸缩节更换，将短管加长并制作成DN1000/500的钢制三通，加装1台DN500蝶阀，后接DN500钢管引至厂房外左侧。分别利用3个DN500/200的钢制三通与原有3根供水管接通。

2.2 机电及金属改造

2.2.1 水轮发电机组

技术改造拟对1#、2#、3#水轮发电机组进行大修，大修是对机组全面的检查、清扫、测量和修理工作，要全面消除机组的缺陷，更换需要更换或已到期的零部件(主要是轴瓦及密封件)，要重新调整、组装、试验，使机组整旧如新，恢复运行性能。密封主要包括主轴密封和导叶密封，1#、2#、3#水轮机主轴密封磨蚀严重，密封腔内的密封材料已缺失，需要更换新的密封材料。1#、2#、3#水轮机导叶密封为橡胶材质，已老化失效，导致漏水，需要更换。

2.2.2 调速器

现有调速器为XT-300型自动调速器，工作容量300 kg-m，工作油压25 kg/cm2，目前已丧失自动调节能力，操作不灵活，频率不稳定，经常出现丢步与失步现象，因当时制造问题漏油严重，油泵启动频繁。本次拟对调速器进行更新，调速器主要功能应满足以下要求：(1)调速器必须保证机组在空载及并网运行工况下稳定运行；(2)具有带负荷运行、增减负荷、自动及手动开停机等功能；(3)结合永态转频差与差率，并网后可自动调整出力，实现无扰动、无条件地手动与自动的相互切换；(4)能采集并显示自动、手动、接力器开度、网频、机频等运行状态和主要参数，结合实际需求在线现地实现调速器运行参数的整定；(5)电气故障的情况下，可以自动切换为手动工况，保持当前负荷并发出故障报警信号，此外手动工况对紧急停机的可靠动作不产生影响。

2.2.3 进水阀

由于压力管道改造，需更换3#机组进水阀、短管及伸缩节。进水阀选择D941X-10 DN1000型电动蝶阀，阀门直径1 000 mm，公称压力1.0 MPa。短管布置在阀门上游，制作时需测量现场尺寸，短管上需带DN500供水口一个。

2.3 电气设备

电气设备运行不仅能够对电站的安全稳定性产生极大的影响，而且与电站的经济合理性密切相关，因此在电气设计过程中，所有电气设备必须满足安全稳定的要求，并具备较高的经济运行指标，从而提高电站的整体效益实现运行能耗的有效控制。技术改造的主要内容：针对设备陈旧老化的现状，通过与电站运行管理人员沟通，结合省补资金安排拟更新3台机组出口控制保护设备为低压机组一体化屏，更新厂用电柜1面，更新3台机组励磁装置，更新3台主变压器，2台10 kV户外高压断路器，3组10 kV户外隔离开关，4组10 kV户外高压跌落式熔断器等。动力电缆经检验合格(每年进行试验)，故不予更换。

2.3.1 电气设备选择

主要电气设备的选择，遵循可靠性高、维护检修方便、技术先进、易于布置安装等原则，并结合我国电器工业的目前水平合理选用[7]。

(1)机组出口控制、保护设备：机组出口控制、保护设备选择低压机组一体化屏，屏内设备包括机组控制保护测量调节装置、低压断路器、隔离开关、电流/电压互感器；可实现机组的控制、测量、保护、频率调节、电压调节、同期并网等功能。(2)厂用电设备：厂用电设备采用GGD型低压开关柜。(3)变压器：主变压器选择S11-315-10.5/0.4kV三相铜线圈低损耗节能型升压电力变压器，变压器容量315 kVA，额定电压10.5±2×5%/0.4kV，连接组别Y，d11。④高压开关设备：10 kV户外高压断路器选择ZW8-12/630型，额定电压12 kV，额定电流630 A。跌落式熔断器选择HRW10型，额定电压10 kV，3台主变用熔管电流50 A，熔丝电流30 A，厂变用熔管电流50 A，熔丝电流10 A。隔离开关选择GW9-10/630型，额定电压10 kV，额定电流630 A。(5)励磁装置：机组励磁方式采用自并激静止可控硅励磁装置，功率单元、调节单元、励磁变组成1面励磁屏。

2.3.2 电气设备布置

电气设备的布置仍按照目前的方式布置，机组一体化屏、励磁屏、厂用电屏布置在主厂房内安装间，主变布置在厂房右侧后方变电站内水泥变台上，高压开关设备布置在变电站内杆上。

2.3.3 防雷接地

上关水电站防雷设施完善，满足电站正常运行需求，故防雷设施不进行改造。上关水电站机电设备共用一处接地装置，接地装置采用敷设人工接地体型式，经多年运行，未出现因接地发生的事故及故障，本次改造因涉及到多台电气设备的更换，因此对接地系统应全面核查，并对接地电阻进行检测，若不满足要求，则应查明原因，立即处理。

改造后电气设备布置基本按照原布置情况进行，接地亦可利用原有接地线，若有不可利用的情况，则应重新进行接地线的敷设及安装。

3 改造效果

上关水电站机组更新改造项目总投资389万元，机电设备及安装工程345万元；临时工程20万元；其它费用15万元；预备费9万元；上关水电站建筑工程和机电设备完全达到新建电站水平，每年可增加发电量71.1万 KW·h，年增发电收益34.2万元，年增税后利润31万元，将为当地的社会进步和经济发展做出更大的贡献。

水电作为清洁可再生能源，是国家政策鼓励与扶持的建设项目，该工程按照节水、节能、节材、节地、资源综合利用要求，在设计过程中充分考虑节能降耗的主体思路，经分析论证，满足现行节能降耗的基本要求。

4 结语

(1)经长期运行，上关水电站机电设备和建筑物等老化严重，机组长期带病运行，即将停运，变压器等机电设备非节能设备，已无法满足线性节能减排要求。因此，急需对电站实行整体技术改造，为充分利用上关水库水能资源，保障水库防汛应急用电，提高电站安全稳定运行可靠性，缓解堤防用电紧张的局面提供保障。

(2)在电站投入运行，并进入稳定运行期间后，可充分运用电站运行管理系统对各运行期系统设备及参数进行合理配置，以实现整个水电站的经济运行方式。