水电站技术供水系统改造可行性研究报告

　　一、基础概况 泽普亚斯墩水电站位于泽普亚斯墩乡境内，装机容量3×4000kw、设计水头33.5m、电站设计引用流量45m3/s,於1995年投产发电、压力管进水口采用虹吸式进口，是目前新疆境内采用虹吸进水口装机容量最大的水电站，在全国也是名列前矛。 泽普亚斯墩水电站是从卡群渠首引水发电、发电后水泄入泽普水电站引水口前，主要建筑物由：引水渠、前池、压力管、发电厂房、尾水渠、泄水道、日

　　泽普亚斯墩水电站位于泽普亚斯墩乡境内，装机容量3×4000kw、设计水头33.5m、电站设计引用流量45m3/s,於1995年投产发电、压力管进水口采用虹吸式进口，是目前新疆境内采用虹吸进水口装机容量最大的水电站，在全国也是名列前矛。

　　泽普亚斯墩水电站是从卡群渠首引水发电、发电后水泄入泽普水电站引水口前，主要建筑物由：引水渠、前池、压力管、发电厂房、尾水渠、泄水道、日调节池所组成，由于在建设期资金不足等原因，日调节池未能建成投入。

　　泽普亚斯墩水电站技术供水系统，原设计冷却供水系统取水口设在厂房内压力管末端，三个取水口互为备用、冷却水由取水总管经两组滤水器过滤后由供水总管向各机组冷却器供水、冷却器排出的水由排水总管排入尾水。由于叶尔羌河为泥砂河流，多年平均含砂量3.8kg/m3，全年疏砂主要集中在夏季6、7、8三个月洪水期，其余月份含砂量是占全年含砂量的20%左右。由于技术供水从压力管内取水，上游来水含砂量较大，造成冷却供排水系统管道、阀门、冷却器等设施受到严重磨损，严重影响着该电站正常运行。

　　根据泽普亚斯墩水电站技术供水系统存在的问题，消除此项安全隐患，参照国内电站做法，建议该电站冷却供水系统做以下改造。

　　方案一：采用日调节池为供水水源：恢复日调池，泽普亚斯墩水电站日调节池设在前池上游侧，是利用引水渠做为挡水坝，日调节池进出口设在前池上游侧墙上。本次改造是将日调节池进水口改设在引水渠最后一个转弯处，在此处设截止闸和日调节池进水闸，在前池处的闸口只做为日调节池出水口。秋、春季节利用调节池调节水量时，打开日调节池进出口水闸、调节发电用水量减少弃水、充分利用上游来水，冬季将日调节池水位固定在规定设计水位，日调节池冬季形成冰盖，上游来水含冰量较高，在地温的作用下冰溶解、减少冰害、增加发电水量。夏季洪水来后关闭日调节池进出口闸，利用闸口的渗漏水向日调节池提供补充水量。由此厂房技术供水全年从日调节池提取，保证技术供水含砂量降到最低程度，减少泥砂对供水系统的磨损。采用日调节池做为供水水源，只需从日调节池引一条引水管与厂房水轮机层供水总管联接便可，此方案水量、水压保证，同时解决电站冰害问题，增加枯水期发电量、减少弃水、提高电站的经济效益，问题是投资较大。

　　方案二：采用密闭自循环冷却系统：此种冷却系统的做法就是在冷却排水总管末端加设加压水泵与设在厂房下游尾水渠内的冷却管网联接，管内的清水与尾水渠内的水经管壁进行热交换后水温降低，经回水总管流入厂房内的技术供水总管，向机组提供冷却用水，冷却用水经机组冷却系统回到排水总管，这样就形成了自循环系统。此种冷却系统无需大量冷却用水，只需少量补给水，由于在冷却管网内的循环水是清水，故对冷却系统的设备无磨损，故可保证冷却系统的安全。为了保证管网内压力保持在设计压力设在技术排水管末端的加压水泵由变频控制拒控制。当一台机启动时，变频自动合闸，第一台加压泵处可变频状态下运行，水泵出口压力由设在冷却管网的进口端上的压力信号器发出信号，向变频器提供压力信号，变频根据设定的参数调整水泵电动机的电压频率，改变电动机的转速。当水泵转速达到额定转速时，第一台变频器进入工频状态，第二台水泵进入变频状态。此变频控制系统由三台水泵和三台变频装置控制，从而保证冷却系统内的水压力在设计压力条件下运行。此运行冷却系统具有管网压力在设计压力条件下运行，运行冷却系统具有管网压力为额定压力，无需大量冷却用水，同时保证冷却系统正常运行，其缺点是增加了厂用电量。

　　方案三：外循环冷却系统：此系统是将排水总管排出的水排入设在发电厂房下游侧墙外的内，冷却用水经自然冷却后，由设在厂房下游水泵房的水泵压力后输入技术供水总管，向机组提供冷却用水。该冷却供水系统加压部分与第二方案相同，采用变频控制，以保证供水总管内的水压力。所不同之处是将第二方案中冷却管网改为蓄水池，采用自然冷却方式，为保证冷却水供水温度，蓄水池容积是厂内三台机组冷却水用量总合的一小时地用水量。此方案缺点是厂用电量比第二方案用电量大，蓄水池体积较大，用材量较大，再有夏季高温季节气温较高，为保证供水水温保证率，将尾水渠右岸泉水引入冷却池内，从而保证冷却池内水温处于设计水温。冬季如用此系统，为防止蓄水池结冰还得盖板保温。

　　以上介绍三种方案各有优缺点。第一方案投资量大、施工周期长，但可提高枯水期的发电量，解决电站冬季冰冻问题，提供大量的生产用水和生活用水。第二方案和第三方案与第一方案针对冷却系统来讲，来的快投资少，具有立杆见影的效果。第二方案与第三方案比较，第二方案是采用汽车密封自循环冷却方式，冷却交换器设在尾水渠内，利用钢管壁与尾水渠内水进行热交换。由于尾水渠内的水含砂量较大，对热交换器产生磨蚀，泥附着在热交换器外壁，造成热交换能力降低，热交换器管内的冷却水不能保证降温效果。第三方案采用自然冷却方式，并引入泉水进行降温，从而保证技术供水的温度。

　　根据以上分析比较可以看出，在目前电站条件下，恢复日调节池是不可能，最重要的问题是投资量大，电站目前的经济能力还无法达到，只有等资金有保证后，方可采用第一方案。第三方案相对第二方案冷却水引入泉水后保证率比较高，操作检修方便，并且在电站已有成功经验。故本电站技术供水冷却系统采用外循环自冷却方式。泽普亚斯墩水电站三个方案技术给排水系统图见附图。

　　根据泽普亚斯墩水电站HLA286-LJ-150,SF-K-4000-20/3250型水轮发电机组随机图纸提供的参数，得知一台机的用水量：

　　为保证泽普亚斯墩水电站技术供水系统改造能顺利开展，我们到泽普亚斯墩水电站进行了现场调查，该电站原设计冷却水从每台压力管末端设取水口，经取水总管与两组(4只)滤水器相连，两组滤水器互为备用，经滤水器过滤后向设在厂房下游技术供水总管供水，由技术供水总管向各机组技术供水管供水。冷却器的排水经排水总管排入下游，水导排出的水排入厂内集水廊道。经现场调查，该电站技术给排水总管直径均为Dg=150mm，根据《小型水电站机电设计手册》规定当水头H=15～60m时，技术供水管内流速V=2～7m/s，该电站水头为33.5m,当取V=6m/s时，得技术供排水总管内流量：

　　根据以上按运行中技术供水总管管径计算和按经验公式计算，说明厂家提供的用水量是对的，与实际运行情况相符，故该电站技术供水总量为：

　　但应当注意的问题是以上供水量按水温为25℃计算得来的。根据2005年8月13日现场实测，上游来水水温为17℃，小于计算水温，本应折减，但考虑本次改造采用自然冷却方式。水温可能有所提高，故按厂家提供的水量计算。

　　泽普亚斯墩水电站为迳流式水电站，装机容量为N装=12000kw，装机台数为Z=3台，电站所处在河流为溶雪型河流，季节性很强，夏季水量较大，占全年来水量的64%。电站所在电网以生活用水为主，故机组开停机较为频繁。为保证技术供水的流量和水压力，考虑单机单泵的配备形式，即一台水泵供一台水轮发电机组的冷却用水，布置形式为联合供水方式。由于电站运行为连续运行方式，为保证电站技术供水的可靠性，确定电站安装四台加压泵，三台工作一台备用。

　　当水泵台数确定后，一台水泵供一台水轮发电机冷却用水，根据加压泵选择原则，单泵容量为供水对象的1.2倍，则单台水泵供水量：

　　流电站设计水头为33.5m，实测空气冷却器进口压力为1.6kg/cm2,管内水头实测损失为ΣΔh=17.5m,此时实测进水温度为17℃，出口冷却水温为19℃。轴承油温为46℃，根据规范规定，冷却器进口水压为P=2～3kg/cm2。取冷却器进口压力为P=2kg/cm2，管道水头损失为ΣΔh=17.5m，考虑2.5m的运行水头欲量，则水泵扬程为： H=20+17.5+2.5=40m

　　已知单台水泵流量=156.24m3/h，扬程H=40m,安装台数Z=4台(一台备用三台工作)。根据用户要求水泵结构简单，便于维修占地小，使於操作的要求，查产品样本，选择单级立式管道式且离心水泵，其基本参数：

　　泽普亚斯墩水电站为径流式水电站，总装机容量12000kw，装机台数为3台，设计引用流量45m3/s，设计水头33.5m。本次对技术供水系统进行改造，由原设计自流供水方式改为开敞自冷却循环式供水方式。其方式是水轮发电机组的上导，空冷、水导冷却排水均排入技术排水总管内，在技术排水总管靠1#机下游侧引入设在尾水渠旁的冷却水池内，冷却池为钢筋混凝结构，其容量为三台水轮发电机组1个小时的用水量Q=390.6m3/h。取冷却池容积为400m3,技术排水总管排出的水经水池冷却后由设在靠尾水工作桥一侧的水泵(三台工作一台备用)加压后输入技术供水总管，再向三台水轮发电机组提供冷却用水。这样形成了自循环冷却方式。

　　为了保证钢筋混凝土冷却池内的水能迅速降低。一是将冷却池做成开敞式，便于热量散发，二是水池修成地埋式，利用尾水渠中的水对冷却池壁进行冷却，以加快冷却效果。为保证冷却池中的水温降低到设计水温(15℃～17℃)将尾水渠右岸边的泉水经积水池和管道引入冷却池内以快速降温，在冷却池最高水位处设溢流管，将池中多余的水排入下游尾水渠中。

　　泽普亚斯墩水电站由于受上游来水和电网负荷的影响，机组开停机较为频繁，为了保证机组正常运行，保证冷却供水量和水压，本电站冷却供水加压泵共设置四台泵，三台工作，一台备用，水泵采用变频供水式，其运行方式为：当第一台机组发出准备开机信号时，1#水泵经变频发出信号1#水轮发电机组的冷却供水管电磁阀开启，1#水泵自动启动，并处于变频状态下运行。水泵的出口压力由设在出水总管上的压力信号器发出信号，控制1#水泵的转速，以保证技术供水总管内的水压在额定压力。当2#水轮发电机组发出启动信号后，设在2#机机墩上的电磁阀开启，技术总管向2#水轮发电机组提供冷却用水，技术供水总管内水压降低，此时设在加压泵出水总管上的压力信号器发出信号。1#加压泵达到额定转速，转入工频运行状态。2#加压水泵启动处于变频状态下运行，当3#水轮发电机发出投入运行信号时，3#水轮发电机组技术供水管上的电磁阀开启，向3#水轮发电机组提供冷却用水。此时技术供水总管内水压下降，压力信号器向控制柜发出信号。2#加压水泵处于工频运行状态，且3#加压泵启动，处于变频运行状态，以保证技术供水总管内的水压力。

　　当电网负荷下降后，电站接到总调度或发电机组发生故障的命令后，停止一台水轮发电机组运行，机组停机后机组的供水管上的电磁阀关闭，技术供水总管内的水压上升，压力信号器发出信号。3#加压泵停止运行，2#加压泵由工频运行状态改变为变频运行状态。

　　在加压泵运行中，由于工作水泵发生故障，技术供水总管内水压无法达到额定压力时，4#备用水泵自动启动，向技术供水总管内供水。同时变频控制柜应向中控室发出信号告诉运行人员发生故障。

　　为保证设备正常运行，提高其运行效率，四台水泵应采用软启动方式，而且均可为工频和变频状态。根据水利部规定，当单机容量在1000kw以上的水电站今后均改为微机控制方式，以达到无人值守，少人值班，提高电站的发电质量和电量、降低运行成本。故本次对技术供水系统改造时，在变频柜上应设有微机接口，为电站今后的技术改造打下良好基础。以上做法详见技术给排水系统图。

　　为便于运行人员操作检修，水泵房设在发电厂房下游尾水工作桥右岸(站在下游看)，基础为砼基础，在地面以上1.2m内采用370厚砖墙。面贴瓷砖以达到防水目的，地上1.2m以上及屋面采用彩钢夹心板制作，门窗为塑钢门窗，建筑面积50m2。

　　在水泵房内设置四台加压水泵和一台变频，四台加压水泵安装在钢结构减震机座上。四台加压水泵的吸水管直径为Dg=150mm，底部设有底阀，伸入冷却水池内水面以下500mm，水泵出水管径为Dg=150mm，四台水泵的出水管上设置各设止回阀一台，检修蝶阀一台，工作蝶阀一台，并设Dg=15的充水管，充水管控制阀处于常开状态，以保证水泵壳体内始终充满水。四台水泵的出水管与连通管连接，连通管直径Dg=200mm与厂房内的技术供水总管联接，并设有蝶阀，在连通管上设有压力信号器和压力表。向变频器提供压力信号。连通管用角钢固定在厂房外墙上。

　　泽普亚斯墩水电站技术供水系统冷却水池根据总体布置结构形式按三台水轮发电机组1个小时冷却用水量考虑，即Q总=390.6m3/h，取整数冷却水池容积为400m3。冷却水池水深5m，超高为500mm，冷却水池总深度为5.5m。其长15m、宽5.3m，有效容积400m3。冷却水池为钢筋砼结构形式，池壁厚500mm，池底厚500mm，均采用双向双层钢筋，主筋采用Φ16

　　冷却池内设φ100充水管，将尾水渠右岸泉水引入池内，排水管管径径Dg=250,与尾水渠联接，并设排水控制井，控制井上部设φ800铸铁井盖。控制井用砖砌筑。做法见02J图集。在冷却水池上设有Dg=150进水管，进水管与厂房内冷却排水总管联接。并没有蝶阀。为保持冷却水池内的水位，在设计水位处设有Dg=200排水管，将冷却水池内的多余水量排入尾水渠内。

　　转换开关1SAC置于“手动”状态，此时水泵只可手动工频工作。合上电源，则控制柜电源指示灯1HR亮，按1#泵“起动”按钮，9KM软起接触器吸合，9KA中间继电器吸合，软启动器运行，软启动指示灯1HY亮。9KA吸合后，软启动器工作电源得电开始对1#水泵电机进行软起，当软起过程完成，输出软起到达信号，13KA中继动作，接通2KM接触器，断开9KM，转工频运行。工频运行指示灯亮，1#软起指示灯灭。按下停止按钮1SB，2KM断开，停止1#泵的运行。

　　按2#泵“起动”按钮，10KM软起接触器吸合，10KA中间继电器吸合，软启动器运行，软启动指示灯2HY亮。10KA吸合后，软启动器工作电源得电开始对2#水泵电机进行软起，当软起过程完成，输出软起到达信号，13KA中继动作，接通4KM接触器，断开10KM，转工频运行。工频运行指示灯亮，2#软起指示灯灭。按下停止按钮3SB，4KM断开，停止2#泵的运行。

　　按3#泵“起动”按钮，11KM软起接触器吸合，11KA中间继电器吸合，软启动器运行，软启动指示灯3HY亮。11KA吸合后，软启动器工作电源得电开始对3#水泵电机进行软起，当软起过程完成，输出软起到达信号，13KA中继动作，接通6KM接触器，断开11KM，转工频运行。工频运行指示灯亮，3#软起指示灯灭。按下停止按钮5SB，6KM断开，停止3#泵的运行。

　　按4#泵“起动”按钮，12KM软起接触器吸合，13KA中间继电器吸合，软启动器运行，软启动指示灯3HY亮。12KA吸合后，软启动器工作电源得电开始对2#水泵电机进行软起，当软起过程完成，输出软起到达信号，13KA中继动作，接通8KM接触器，断开12KM，转工频运行。工频运行指示灯亮，4#软起指示灯灭。按下停止按钮7SB，8KM断开，停止4#泵的运行。

　　转换开关1SAC置于“自动” 状态，水池水位不缺水的情况下，(即中继KA动作)，1#泵自动允许1～4SA旋钮打在开的位置，在没有故障的情况下，PLC输出点Q0.5动作。输出1#泵变频信号，1KA中继吸合,在1#泵没有工频运行的情况下,1KM接触器得电吸合,开始变频运行.当1台泵运行达到最高频率50HZ时,运行压力反馈仍然低于设定压力时,开始加泵,PLC输出的接点接通,输出泵变频运行,同时将以前运行的变频泵转工频运行,比如说加2#泵,则Q0.6接通,3KA动作,在2#泵没有工频运行的情况下,3KM接触器得电吸合,开始变频运行.同时1#泵转为工频运行,PLC输出Q1.1,2KA中继动作.1#变频转工频运行.工频运行时先软起动,在转工频.如果两台运行到最高频率还不能满足要求时,又要开始加泵,直到压力满足设定压力.当压力达到设定压力,而变频泵频率到达减泵频率时,开始减泵,直到只运行1台泵变频.如果只有一台泵变频运行到最低频率时,还可以进行睡眠!

　　软启动器在软启动过程中，当给软启动器一个起动信号时，加载至电机端的输出电压逐渐增加从而使电机起动。升压过程一直进行，直到电机达到全压状态。在起动过程中，可以限制启动电流，当达到电流限定值，输出电压会保持稳定，直到电流下降到限定值以下。升压过程才会继续。所以，在软启动过程中，启动电流比其他启动过程中的电流要小的多，对电网冲击比较小，对其他的用电设备的影响也比较小。是很好的启动方式!

　　合上电源，则控制柜电源指示灯亮，在水池不缺水的情况下，经过几秒钟延时，1#水泵电机自动变频起动运行。在1#水泵供水满足不了外界用水的情况下，系统自动加泵，自动把1#水泵转化为工频运行，延时自动变频起动2#水泵。当有不止一台在运行(即：有多台水泵运行)时，且水泵的供水量大于用户用水量时，系统自动减泵，且减泵的原则是“先起先停”，即：先工作的水泵应先被停泵。经过这样持续地动态调节，直到系统供水压力达到一定平衡。

　　当1#水泵变频运行信号输出时，延时1秒检测反馈信号，如果反馈信号仍未吸合，则切断1#水泵变频运行信号的输出，自动切换到下一台处于停止状态的水泵，同时发出报警信号。故障排除后，

　　按控制柜面板上的“故障复位”按钮(一个脉冲信号)即可解除PLC记忆的故障信号，故障信号指示熄灭。水泵变频工作情况类同。

　　当1#水泵变频运行信号输出时，将1#水泵的自动允许旋钮开关旋到“关”的位置，此时关断1#水泵变频运行信号，运行信号熄灭，自动切换到下一台处于停止状态的水泵。水泵变频工作情况类同。

　　当1#水泵变频运行信号点亮，而另一台稳压泵均处于停止状态时，经过一定时间(在PLC内部设定24小时)会自动切换到下一台水泵2#，使其变频运行，此时必须两台稳压泵的自动允许旋钮开关处于“开”状态。2#水泵变频工作情况类同。

　　水池水源的充足与否，将直接影响到系统水泵的起、停。当水池缺水时，断开，系统将自动停止水泵的运行(工频和变频)。

　　当各水泵发生故障(如过载等)时，系统自动停止PLC中相应水泵的输出,切断该电机的电源，终止电机运行，并对故障作出相应的指示。

　　当流量降低到一定程度，压力高出给定压力，频率降至最低频率，延时60S左右开始睡眠停机，假设给定4公斤，则停机后如果流量增大，压力下降至3.5公斤或睡眠值时又开始工作.

　　根据水泵操作原理要求，为满足用水流量及需要，选用了功率30KW的水泵及配套电机作为供水的主要控件。除满足用水要求，还要为用电节能等多方面考虑，决定用全变频、全工频软启动的控制方式来对此套供水系统进行控制。因此种控制方式可以节能，并且在启动和运行过程中对电网的冲击和对的用电设备影响很小，同时各泵均处于同等运行状态下。

　　1、在变频器的选用中，先根据单台水泵电机在启动和运行过程中的电流确定选型，30KW的水泵电机工作电压是三相380V电压，根据P=UIcos∮可以得知，P=√3*UI∩COS∮，即I=58A,由此可见30KW的水泵电机的额定电流是58A，根据工作电流,我们要选用的变频器在运行过程中其该连续电流有效值应大于工作电流58A,工作电压为380V，故选用了瑞士的ABB品牌。传动单元遵循下列标准，根据标准EN 50178和EN60204-1，传动单元符合European Low Voltage Directive(欧洲低压管理条例)。机壳防护等级符合标准EN 60529：1991(IEC 529)，IEC 60664-1(1992)，ACS510采用了最先进的传动技术。30KW的水泵采用变频器型号为ACS510-060A-4，三相供电电压为380V，连续电流有效值为60A。它是完全可以满足30KW的水泵电机正常运行的.

　　2、在水泵电机的启动过程中,启动电流一般是电机额定电流的4-5倍,如果直接启动,对电网的冲击比较大,容易对的用电设备造成影响,而用软启动器可以将启动电流控制在额定电流的1.5-2倍之间,大大减小了启动电流,并且此软启动器有很好的软起特性,同样，30KW的水泵电机工作电压是三相380V电压，在软启动器的选用中,同样选用为ABB品牌，本软启动器符合89/336/EEC和EN 60947-4-2/IEC947-4-2，A级设备的要求。30KW水泵电机采用PSS 60/105型号的软启动器。因为此型号的电流为60A,是30KW水泵电机的专用型号.

　　3、可编程序采用德国西门子品牌S7-200系列，S7-200系列PLC适用于各种场合的检测，监测及控制的自动化。可连接扩展模块，具有独立的高速计数器，有RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议，MPI通讯协议和自由方式通讯能力。故采用了S7-200系列的可编程。

　　4、断路器的选用要根据单个水泵电机选用单回路的断路器型号,总运行水泵电机数选用总断路器,在单个回路中,单个电机水泵的额定电流为63A。断路器的选型应注意：短路器的额定电流通常为电机额定电流的1.5倍，总短路器的额定电流为总电流的1.5-2倍。断路器采用西门子的VT系列，选用3VT84的总断路器，3VT81的小断路器做为水泵电机的单个控制断路器，3VT84的框架电流在400A以内，3VT81的框架电流在100A以内，单个电机电流在58A左右，故选择3VT100/80A断路器。

　　的最新产品，采用3TF4722型号的产品，此产品额定绝缘电压为690-1000V，在额定工作电压为380V时额定工作电流为63A，供远距离接通和分断电路用，控制交流电机启动，停止。符合IEC947，VDE0660，GB14048等标准。

　　6、热继电器采用西门子3UA系列，选用3UA62(55~80)A的热继，电流在55-80A之间任意可调，热继做一般电机的过载与断相保护，可以手动或者自动复位，符合IEC947-4，VDE0660，GB14048等标准。

　　7、辅助电器元气件的选用也都是通过国家各种认证的合格产品。 控制柜所有电器元件的选配都符合有关标准，能满足自动化控制的相关要求，是完全能满足电气使用要求。

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