中国水电顾问集团华东勘测设计研究院 胡万飞 张盛初 时雷鸣 王汉武 石守津###。
【摘要】周公宅水库工程是一座具有供水、防洪结合发电等综合利用的大（Ⅱ）型水利工程，结合供水进行发电的水库电站装有两台小型的混流式水轮发电机组。本文主要介绍有关水力机械、电气及金属结构方面按照现代化大型水利工程标准的设计要求，同时介绍小型水电站的一些设计特点。
周公宅水库电站在机组选型设计中，针对电站水头变幅大、机组容量小等特点，坚持把机组运行的稳定性放在第一位，同时结合能量及空化指标的原则进行选择；如合理选取水轮机额定水头108m（按照HmaX/Hr≤1.2要求），选择稳定性好、噪音低的竖轴混流式机型。在机组附属设备选型设计中，针对小电站的特点，选用目前国内技术已成熟、经济性好的蓄能罐式的高油压调速器和进水蝶阀。在机组招标设计中，针对机组转速高的特点，把技术和质量放在首位，选用了水力设计优秀的日本富士转轮。为了提高了机组组装精度及整体质量，要求发电机定子采用工厂组装，整体运输；转子工厂组装，现场挂装磁极方案。二台机组自2006年7月份投运以来，受水库水位的限制，在中低水头区运行平稳，各项性能指标优于设计要求，但还需高水头区运行的进一步考验。下面是机组及其附属设备主要参数及主要部件结构特点。
（1）水轮机主要参数：
水轮机型号 HL（F215）-LJ-95
额定输出功率 6.563MW
领定流量 6.64m3/s
额定转速 750r/min
额定工况点效率 ≥93.36%
最大飞逸转速 1350r/min
水轮机主要结构特点说明：
水轮机型式为立轴混流式，采用金属蜗壳，包角345°，转轮公称直径（Dl）0.95m，与发电机主轴采用10-M48销钉螺栓直联。
水轮机转轮为整体不锈钢铸焊结构，上冠、下环和叶片材料均为ZG06Crl3Ni6Mo，叶片共15片。上冠、下环采用迷宫密封。转轮与主轴法兰采用8-M36螺栓连接，用键传递扭矩。
主轴为带轴领实心结构，外径φ500mm，材料为20SiMn锻钢。水轮机导轴承采用自循环稀油润滑筒式瓦，轴瓦间隙0.38mm~0.42mm，油盆为固定油盆。主轴工作密封为碳素纤维编制填料盘根密封，抗磨板为高硬度不锈钢材料。
水轮机座环采用无蝶形边结构，与基础环焊接为一体。16只活动导叶采用ZG06Crl3Ni6Mo整铸，采用剪断销保护。每个导叶设有2个钢背聚甲醛自润滑导轴承，立面采用金属刚性密封。端面采用间隙密封。水轮机调速器通过调速轴操作水轮机导水机构。活动导叶具有自关闭趋势。
（2）水轮发电机主要参数：
型号 SF6300-8/2600
额定容量 7.875MVA/6.3MW
额定电压 6.3kV
领定功率因数 0.8（滞后）
额定频率 50Hz
发电机主要结构特点说明：
发电机为三相、竖轴、悬式同步电机，发电机与水轮机主轴采用法兰直接连接。推力轴承位于转子上方，两个导轴承分别位于转子上、下方。采用带空气冷却器的密闭循环冷却系统。采用自并激可控硅静止励磁。
定子装配为整体结构，在制造厂内完成所有组装工作，整体运输。定子绕组采用双层叠绕组，Y形接线，绝缘等级为F级。
转子由主轴、磁轭和磁极等部件组成。转子设有纵、横阻尼绕组。励磁引线由铜排制成，通过磁轭上端，沿发电机大轴接至集电环。转子绝缘等级为F级。
推力轴承及上导轴承安装在上机架中心体油槽内。推力轴承采用弹性金属塑料瓦。推力及上导轴承采用自循环外置油冷却器冷却方式。
下导轴承设在下机架中心体内。导轴承为油浸自润滑巴氏合金瓦。在下导轴承油槽内设置一个油冷却器，采用内循环润滑冷却方式。
调速器由武汉四创自动控制技术有限责任公司生产，采用囊式蓄能罐高油压可编程（PlD）型式。机械部分由液压集成块、电子球阀及紧急停机电磁阀、分段关闭阀等组成；电气部分由PLC、测频信号调理模块、输出放大装置、显示界面、按钮、指示灯等组成，采用液晶触摸屏操作，人机界面友好。
调速器主要参数如下：
调速器型式 囊式蓄能罐高油压可编程
囊式蓄能罐型号 GLYWT-PLC-3000
调速器保证容量 ≥3000kG-m
额定工作油压 16.0MPa
测频方式 残压测频
转速信号装置测速方式 齿盘测速
进水阀由湖北洪城通用机械股份有限公司制造。进水阀型式为蝴蝶阀。公称直径1.3m，每台蝶阀配置一套蓄能罐高油压系统液压站和PLC控制柜。接力器为直缸摇摆式，蝶阀密封采用实心橡胶密封，设在下游侧法兰上，密封面上采用不锈钢保护层。活门为双偏心结构，具有自关闭性，在开阀时两密封面会很快脱离，摩擦行程非常短，可以有效保护橡胶密封圈，满足一个大修周期要求。
进水阀及操作系统主要参数如下：
进水阀型式 卧式蝴蝶阀
进水阀型号 PDFl37-WY-130(www.xing528.com)
进水阀公称直径 1300mm
最大静水头 137m
最大承压水头 220m
领定操作油压 16MPa
励磁装置由武汉联华电气有限责任公司生产，采用三相全控桥自并激双微机型式。
励磁装置型式 三相全控桥自并激
额定输出电流 482A
额定愉出电压 33V
励磁电源变压器额定电压 6300/150V
水力机械辅助系统按照“水力发电厂机电设计规范”要求进行设计，并根据小电站的特点进行优化，主要有：技术供水系统采用单元自流减压供水，供水水源取自进水蝴蝶阀的旁通管路，两台机组技术供水总管之间用DNlOO联络管联络，相互备用，减压阀采用三腔水力控制阀，实践应用可靠稳定。厂内渗漏集水井装有二进口电机的潜水泵，自动控制，布置简单。机组检修排水系统根据小电站特点，检修排水井布置在尾水平台上，人工操作。压缩空气系统不设中压气系统，仅设0.8MPa的低压压气系统，主要供机组制动、水轮机检修密封以及风动工具、吹扫等用气。透平油系统设备用油量少，厂房不设全厂总管，布置简单。本电站不设绝缘油系统，绝缘油的处理和化验在宁波市进行。设有常规水力监视测量项目，以保证机组安全稳定经济运行。
本电站装设2台单机容量为6.3MW水轮发电机组，并以一回35kV出线接入章村变，电气主接线设计采用：即发电机一变压器，为两机一变的扩大单元接线，35kV侧为变压器线路组接线。这种接线能满足供电需要，运行可靠灵活，升压站布置简单、清晰，满足本电站的运行要求并符合相关规范、标准的规定。
厂用电接线采用公用电和机组启用电混合供电方式，因厂用电供电范围仅限厂房附近，供电范围较小，故采用Q4kV电压供电。厂用配电系统配置3个相互独立的电源，其中一个取自主变低压侧，电压为6.3kV，全厂机组停运时，可通过主变从系统倒送厂用电；另一个为外来电源，从施工（永久）变电所引一回10kV线路作为厂用电的备用电源；另在厂区设一台100kVA，0.4kV的柴油发电机组作为电站保安电源。接线方案非常可靠，能有效地保证本电站设备的运行用电。
坝区供电接线供电电压等级为0.4kV，采用单母线供电。正常情况下由电站供电，当这回电源停电自动切换到施工变供电，在紧急情况下投入柴油发电机供电。
根据“水力发电厂机电设计规范”要求进行设计，按照质量可靠、技术先进、经济实用的原则选择主要电气设备。
本电站主变压器为户夕卜、三相、双绕组、铜线圈、自冷油浸式、低噪音、无励磁调压、升压电力变压器，型号：S9-16000/35。采用自冷型的变压器要优于采用风冷式，减少了冷却回路的设备，可极大地提高主变的可靠性、减少了日常维护的工作量。
开关柜为镇江伊顿产品，产品性能优良。采用4面成套的金属铠装移开式交流封闭高压开关柜（UR7-40.5kV/1250A/31.5kA），其中集成了断路器、隔离开关、PT、CT、计量等多种设备，断路器为中置移开式，操作轻便。这种装置相对敞开式及金属封闭式开关柜，具有可靠性高、占地面积小、日常维护工作量少。
发电机电压装置为镇江伊顿产品，产品性能优良。采用12面成套的金属铠装移开式交流封闭高压开关柜，其中集成了断路器、隔离开关、PT、CT等多种设备，断路器为中置移开式，操作轻便。发电机出口断路器采用美国进口优质的NVU12-1250A/31.5kA型真空断路器，耐压水平高于国内标准要求，并配有过电压保护装置。该断路器机械操作次数高达2万次，能充分满足水电站频繁开停机的要求。
低压配电装置包括配电屏、动力柜（箱）、各回路电缆、断路器、接触器、热继电器等。配电屏选用MNX-0.4抽屉式低压开关柜，受电及联络断路器均采用MT 06 Nl 3P MTC 5.0P（施耐德产品）全抽屉式空气断路器。进线断路器带延时失压和分励脱扣器；联络断路器带过流和分励脱扣器。
周公宅水库电站由宁波区调和鄞州区调两级调度和管理。本电站按“少人值班”方式设计，采用以计算机系统为基础的全厂集中监控方式。
计算机监控系统采用分层分布式结构。正常情况下，操作人员可通过中控室值班台上操作员工作站的显示器、键盘、鼠标等人机接口，由计算机监控系统完成电站的监控和综合自动化任务，实现对全厂的水轮发电机组、主变压器、厂用变、35kV开关设备/0.4kV厂用和分段断路器以及压气机等公用设备集中监控，并可对坝顶溢洪门、上下游水位等进行集中监视。一旦计算机监控系统上位机或网络出现故障，值班人员可通过现地控制单元LCU对电站的主要设备实施监控。
水轮发电机、主变压器、厂用变的继电保护根据国标《继电保护和安全自动装置技术规程》一GB14285和周公宅水库电站电气主接线以及混流式机组的特点进行配置设计；35kV线路的继电保护根据周公宅水电站接入系统设计单位的要求配置。
音响信号系统由计算机监控系统的语音报警系统构成，不单独装设常规的音响信号装置。当电站的某一电气设备及某—被测量点发生事故、故障及越限时，语音报警系统发出语音报警信号，并推出显示画面。
火灾报警及消防控制系统以集中报警方式工作，在继保室设联动型火灾报警控制器（壁挂式）一面，内含火灾报警控制器、备用电源、打印机等；在坝区设备室也设联动型火灾报警控制器（壁’挂式、小容量）一面，内含火灾报警控制器、备用电源、打印机等。
（1）火灾报警系统
火灾报警系统在全厂各需要保护的场所设有感烟或感温探测器，在每个防火分区设有手动报警按钮。
（2）消防控制系统
通过消防控制系统对现场的消防设备进行自动或手动控制，实现灭火，防止火灾的进一步蔓延，并在控制器上显示被控设备动作后的返回信号。消防控制及显示对象包括：防火阀、防排烟风机、消防水泵、声光报警器。
周公宅水库工程金属结构包括引水发电系统、泄洪系统及水库放空系统的各类闸门和启闭设备。
机组进水口设有一道平面滑动式拦污栅，为满足过栅流速要求，并减少土建工程量，拦污栅倾斜70。布置。操作条件为静水启闭，栅叶由布置在检修平台上方的手动葫芦整扇启吊，栅叶通过拉杆与手动葫芦相连接，拦污栅启闭容量为1×100kN，扬程为6.0m。
水库正常蓄水位为233.00m，拦污栅的检修、维护一般在枯水期进行，故设置拦污栅的检修平台高程高于正常蓄水位，低于设计洪水位，平台高程为233.50m。栅叶的检修和清污通过手动葫芦起吊，逐节拆除拉杆后，将整扇栅叶提至233.50m高程检修平台进行清污、检修工作。如需将栅叶搬离孔口，可将栅叶上、下节栅叶拆分后逐节搬运。
本电站为长引水式电站，机组进水口设有1道事故闸门。事故闸门操作条件为静水启门，动水闭门，当机组或引水隧洞发生偶然性事故时，可动水关闭孔口，截断水流，避免事故扩大，待事故排除或机组、隧洞检修完毕后，打开设置在闸门上的Φ300充水阀进行充水平压后，静水启门，提门时门叶的前后水位差不超过2.0m。
闸门配置一台固定式高扬程卷扬机，启闭机容量1000kN，扬程70m，启闭机安装在高程241.20m的启闭机房内，事故时，由现地操作，将闸门关闭。启闭机上设有高度、荷重指示装置和极限位置控制装置，在电气设备系统上设有短路保护、过流保护、失压保护、零位保护、限位保护和过载保护。现地控制柜具备设备检修、维护的操作功能。
溢洪道是本枢纽工程主要泄洪设施，在拦河坝溢流坝段共有3孔溢洪道，堰顶高程226.00m，每个闸孔设置一道弧形工作闸门，由于在每年枯水期库水位有足够的连续时间低于溢洪道堰顶高程，可进行工作闸门的检修，故在工作闸门前不设检修闸门，工作闸门的检修安排在枯水期进行。由于液压式启闭机具有技术先进、结构紧凑、重量轻，易于实现远控和自控，无启闭机排架，枢纽布置外形美观大方，考虑整个枢纽设备的先进性以及坝顶的景观美观，选用液压启闭机作为弧门的启闭设备。
液压启闭机采用远程集中控制操作，亦可进行现地操作。液压泵站设有两套液压泵电动机组。按一用一备工作设计，即一台液压泵组工作，一台液压泵组备用，并能自动切换。各种运行工况，泵组均为空载启动，系统设有行程检测传感器，同步控制系统、自动复位系统和故障报警系统，能自动调整闸门启闭时闸门两侧启闭机工作同步，当闸门因泄漏从预定开度下滑时能自动复位。
闸门的检修和维护在孔口内进行。
在双曲拱坝中设二根Φ1.2m放空钢管，用于放空水库和下游供水，放空管出口中心高程为147.0m。放水管出口分别设置直径为1.2m检修电动闸阀和锥形阀各一套，设计水头93m，闸阀用于锥形阀的检修及装拆时挡水，闸阀静水启闭，当锥形阀检修完毕，关闭锥形阀，打开闸阀的旁通阀充水平压后，再电动打开闸阀。锥形阀为放空管的工作阀门，使用2×160kN液压启闭机进行操作，锥形阀按最大泄放流量20m3/s设计，平时可根据水库水位设置锥形阀的开度，当库水位高于233.0m时，锥形阀关闭，当库水位低于233.0m高程时，锥形阀的供水开度不大于300mm，当库水位低于176.0m高程时，锥形阀可全开，开度为500mm；锥形阀的开度控制通过设置在液压缸附近的行程开关进行控制。
放空洞锥形阀液压启闭机容量2×16OkN，工作行程0.68m，全行程0.80m，启闭速度约0.3m/min。液压启闭机由一套液压泵站、四套液压缸及液压缸支座、两套双路限动开关、液压管道及附件组成。两套液压缸水平布置在锥形阀两侧，同步操作锥形阀启闭。油缸支座安装高程为147.0m。液压泵站和电气控制设备安置在149.55m高程的机房内。
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