厦门oY湖第二排洪泵站潮汐发电研究
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摘要：厦门oy湖第二排洪泵站在外海涨潮时通过引水流道将海水引入内湖，退潮时将内湖水排至外海，在纳潮和排潮时，oY湖和外海侧均存在潮位差。竖井贯流泵进出水流道平直，可双向过水，流道水力损失小，若采用水泵―水轮机机型，便为潮汐发电提供了可能性，将排洪和发电综合利用起来，惠及民生。
关键词：oY湖；排洪泵站；潮汐发电；纳潮；排潮 文献标识码：A
中图分类号：TM312 文章编号：1009-2374（2016）02-0120-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.02.058
1 厦门oY湖第二排洪泵站工程机电概况
oY湖位于厦门岛内西部，本工程由一孔（孔口宽3.5m）纳潮闸、两孔（孔口宽6m+6m）排潮闸和一座设计总流量为45m3/s的泵站组成。本工程主要用途为纳排潮、排涝，泵站装设3台竖井贯流泵，配套10kV高压电动机。本阶段电气设计主要简述供电电源、主要用电负荷、电气接线方案、电气设备布置方案、泵闸监控监视系统方案等方面内容。
1.1 用电负荷等级
工程主要用电负荷为3台1250kW主泵电机，根据《供配电设计规范》（GB 50052-2009）、国家电力监管委员会电监安全（2008）43号文件的相关定义及规定，确定本工程用电负荷按二级负荷设计。
1.2 用电电源
为满足二级用电负荷供电可靠性要求，本工程供电电源设计采用2路电源供电。2路电源互为备用，电源来自附近不同的变电所或同一变电所的不同母线段。供电电源线路为10kV架空线路，至泵站附近采用电缆落地后进入10kV用户变电所，每回电源按泵站用电负荷100%备用。
1.3 电气接线
本工程水泵电机为3台，进线电源为2回，设计采用10kV电源。考虑电源情况，10kV配电母线采用单母线分段接线、2段母线分段运行，不设分段开关。对3台主水泵电机采用10kV供电，2台站用变电源也分别接自2段10kV母线，10kV母线上另接有并联电容补偿装置出线各1回。本工程采用计量方式为高压计量。
0.4kV站用电采用单母线分段接线，全枢纽动力（包括泵站辅机、闸门动力、检修负荷等）及照明负荷均接在0.4kV母线上。
1.4 应急电源
根据《供配电设计规范》（GB 50052-95）、国家电力监管委员会电监安全（2008）43号文件的相关定义及规定，由于本工程设计已考虑按2路外接电源设计，满足电力公司相关要求。对重要站用负荷，按2路配电回路设计，分别引自1#和2#站用变，部分负荷采用末端自动切换。
1.5 主水泵配套电动机
1.5.1 容量、转速、形式及电压等级。根据水泵轴功率并考虑一定的储备系数，配套电机的额定功率确定为1250kW。电机通过齿轮转速箱与水泵连接，考虑传动比的要求，电机同步转速确定为750r/min。
异步电动机结构简单，运行维护都比同步电动机方便。本工程电机转速较高，如选用异步电动机，其功率因数在0.8以上，所需补偿容量也不大，综合投资上也优于同步电动机，因此本工程水泵配套电动机选用异步电动机。由于供电电源采用10kV，如选用6kV电动机，将增加变压器及高压开关柜，显然是不经济的，因此本工程选用10kV电动机。
1.5.2 补偿方式。对于泵站来说，异步电动机的无功补偿有集中补偿和现地补偿两种方式。集中补偿在电动机母线上并联多组电容器，根据运行的电机台数和无功功率自动投入不同组电容器；现地补偿在每台电动机机端并联一组电容器，每次机组投运时电容器亦投入。考虑到电容器投入运行的可靠性，本工程采用现地补偿的方案。考虑到水位变化引起的所需无功补偿容量的变化，电动机母线在电动机额定功率下运行补偿后的功率因数按0.95考虑，经计算此时每台电动机所需的补偿容量为460kVAR（额定电压10/kV），由于电容器组中串联电抗器的影响，实际运行时，电容器组两端的电压约为11/kV，此时所需的补偿容量为557kVAR，考虑到电动机制造上的一些不确定因素，电动机的功率因数及效率有可能达不到设计值，再加上电机在水泵低扬程运行时功率因数很低，所需的无功补偿量有可能比较大，所以每组容量为650kVAR（额定电压为11/kV）。补偿设备采用成套电容补偿装置，包括高压熔断器、避雷器、电容器、放电线圈、串联电抗器等设备，设功率因数控制器，根据功率因数自动投切。
1.5.3 启动方式。由于供电方式采用10kV直配供电，主电动机启动时对线路将造成冲击，影响线路上其他负荷的供电。因缺乏系统及线路资料，启动时的压降无法计算，如压降过大也会影响本泵站电机的启动，因此现阶段考虑采用降压启动的方案以减少冲击。
1.5.4 额定参数。根据某厂家资料，电动机的额定参数值如下：额定功率：1250kW；额定电压：10kV；同步转速：750r/min；额定功率因数：0.82；绝缘等级：F级（按B级考核）；额定电流：90A；外壳防护等级：IP44；冷却方式：IC81W；安装方式：IMB3；效率：94%；堵转转矩：0.7倍额定转矩；最大转矩：1.8倍额定转矩；堵转电流：6倍额定电流。
1.6 10kV高压开关柜
高压开关柜选用较为先进可靠的金属封闭铠装移开（中置）式开关柜，共15台，其中进线计量柜2台、母线电压互感器及避雷器柜2台、进线总开关柜2台、电动机出线柜3台、站用变出线柜各2台、电容器柜2台、隔离分段柜2台。进线总开关柜及各出线柜配用真空断路器，真空断路器采用引进国外先进技术生产的产品。为限制真空断路器的操作过电压，在真空开关柜内配置过电压保护器。真空断路器额定电流630A，额定短路开断电流25kA。
1.7 0.4kV低压开关柜
低压开关柜均选用较为先进可靠的MNS型低压抽屉式开关柜，共9台，其中低压进线柜2台、电容补偿柜2台、动力柜3台、照明柜1台、分段开关柜1台。开关柜内装设国外引进技术生产的系列断路器，额定短路开断能力大于计算短路电流的要求。0.4kV母线上设功率因数自动补偿电容器组，经电容器补偿后功率因数不低于0.9。
2 厦门oY湖第二排洪泵站潮汐发电研究
2.1 发电方式
潮汐发电有单向发电和双向发电两种型式，由于oY湖的水位大部分时间低于外海水位，因此仅考虑水流由外海流入oY湖单向发电。泵站在外海侧的出水流道设置两道闸门，一道工作闸门一道检修闸门，进水侧设置一道快速闸门，可通过控制进出水侧工作闸门开度控制引水流量，达到控制水泵转速、控制发电输出频率。
2.2 发电并网方式
本泵站完全利用现有的水泵―同步电动机组进行发电。发电工况水泵运行转速约为79.5r/min，远低于水泵工况运行转速159r/min，由于发电水头低于抽水扬程，并且发电和抽水时，进出水流道的水力损失对运行工况是不一样的。发电时是水位差减水力损失，抽水时是水位差加水力损失，导致两个运行工况的水头和扬程差异增加，发电时的转速低于抽水时的转速。据调查，目前投入运行的泗阳一站和刘老涧站分别采取不同的变速运行方式。泗阳一站为变极机组运行，即抽水为高转速375r/min，16极；发电为低转速187.5r/min，32极，发电和抽水的机组频率均为50Hz，满足电网要求。刘老涧站采取变频机组运行，即水泵电动机（发电机）的磁极数不变，均为40极，但机组运行转速和频率均有变化。抽水时转速为150r/min，运行频率50Hz，电压6kV；发电时转速90r/min，发电机（电动机）的输出频率为30Hz，电压3.6kV。通过变频机组，使输入电网的电压达到6kV，频率50Hz，满足电网要求。
以上两种发电方式分别在两个泵站运行多年。采用变级机组不仅电动机的结构复杂、尺寸增大、重量增加，费用也增加，而且对抽水工况的电动机运行效率也有影响，一般要降低2%左右。对泵站基本是抽水工况运行，显得不太合适。采用变频机组方式，对水泵和电动机结构，主泵房的设备布置都无影响，主要是全站增加了一套变频机组及其附属设备。由于抽水和发电分开，对运行管理也比较方便。综合各种情况分析，本泵站采用变频机组发电方式最为合适。
本泵站增加一套发电变频机组，变频机组由启动电机、变频电动机、变频发电机组成。泵站的接入系统的线路假定一回为35kV。根据接入系统设计，在本站处于发电工况运行时，发电机发出的电力将只通过35kV线路接入系统。
2.3 发电功率
根据潮位计算，最高运行毛水头为2.81m，平均运行毛水头2.05m，最低运行毛水头1m，水头低于0.7m不发电，发电时间9h（一个换水周期内，50h）。最高运行水头时，过流量接近16.7m3/s，效率约为70%，单机出力约为322kW。平均运行水头下，单机出力约为235kW，年发电量约为1.05万kWh，年总发电量约为3.16万kWh。
2.4 设备和泵房布置
变频机组及其控制柜均布置在变频发电机房内。变频发电机房与主变压器室相邻。变频发电机房可以直接对外交通，设备搬运方便，可以布置起重设备，同时又利于自然通风。在流道出口增加活动拦污栅，在抽水时拉起以减少损失，发电时放下以挡住污物。
3 结语
潮汐能主要来自于海洋潮汐摩擦作用消耗的地球自转动能。作为一种蕴藏量极大的可再生资源，潮汐能发电不排放废水、废渣和废气，对环境影响小，满足用电需求的同时亦可降低对煤炭、石油等不可再生资源的消耗，减少环境污染，因此，潮汐能源的利用和开发值得我们设计从业者在设计同类项目时深入研究。
参考文献
[1] 崔领谦.水电站电气优化设计的几点思考[J].水科学与工程技术，2013，（3）.
[2] 张羽进.中小型水电站电气设计的探讨[J].河南水利与南水北调，2012，（12）.
作者简介：郭晓君（1982-），男，山西忻州人，上海勘测设计研究院有限公司电气工程师，研究方向：水利水电。