高雪山，鄭程遙，勞鵬飛

(1.廣東省水利廳農(nóng)村機電局，廣東 廣州 510635；2.廣東水利電力職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510635；

3.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510665)

技術創(chuàng)新是農(nóng)村水電增效擴容改造的有效途徑

高雪山1，鄭程遙2，勞鵬飛2

(1.廣東省水利廳農(nóng)村機電局，廣東 廣州 510635；2.廣東水利電力職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510635；

3.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510665)

摘要：廣東省重視技術創(chuàng)新在增效擴容中的杠桿作用，為使增效擴容取得實質(zhì)性長遠有效的持續(xù)動力，提煉出技術含量高、環(huán)保性強、經(jīng)濟效益好的三項關鍵技術，即水利動能設計的動態(tài)模擬技術、低水頭水輪機定槳改轉(zhuǎn)槳技術和凸極同步發(fā)電機雙速及雙速選擇技術。目前，這三項技術已分別獲取國家發(fā)明專利或進入發(fā)明專利的實審階段，并且使增效擴容取得了顯著的成就。

關鍵詞：水電站；技術創(chuàng)新；增效擴容；水利動能設計；雙速發(fā)電機；高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機

1概述

農(nóng)村水電是清潔可再生能源，又是農(nóng)村重要的基礎設施和公共設施。由于歷史原因及受經(jīng)濟、技術等條件的限制，存在著各種各樣的問題，如水能資源的利用不科學、不合理，導致其沒有充分利用；機組主要性能參數(shù)與電站實際運行參數(shù)不匹配，導致效率低；設備陳舊、老化、安全生產(chǎn)隱患多，且超期服役、帶病工作。農(nóng)村水電的技術現(xiàn)狀已不能適應現(xiàn)代新技術的發(fā)展要求，也不能充分發(fā)揮農(nóng)村水電應有的經(jīng)濟效益和社會效益。

廣東省作為國內(nèi)經(jīng)濟大省，也是用電大省，其農(nóng)村水能資源開發(fā)程度已相當高，為了使農(nóng)村水電走可持續(xù)發(fā)展之路，有必要針對各電站自身條件，進行深挖潛力的增效擴容改造。先進的科學技術是增效擴容改造的源動力，廣東省政府相關職能部門在全面實施農(nóng)村水電改造，提高農(nóng)村水電經(jīng)濟、社會效益的過程中尤其重視推廣應用技術含量高、環(huán)保性強、經(jīng)濟效益好的創(chuàng)新技術。通過技術創(chuàng)新與增效擴容改造的有效融合，全面提升了增效擴容改造的科技含量和改造效果。

2水利動能設計動態(tài)模擬技術

水電站的增效擴容改造，水能設計是其關鍵環(huán)節(jié)。水能設計算法的合理與否直接影響到水電站裝機容量及機組選型的合理性，進而影響到電站的水能利用率及經(jīng)濟效益。過去，由于計算機技術的落后，為追求計算的方便，在水能設計的算法上做出了簡化，這往往導致電站設計容量及所選機型難以適應實際水文過程，影響了電站的效率和效益。

2.1　簡介

水能動態(tài)模擬技術是1套水電站水能設計軟件，已取得國家計算機軟件著作權(登記證書號：軟著登字第0765008號)。此創(chuàng)新技術的核心在于水能設計的動態(tài)模擬算法，該算法從水力發(fā)電過程的能量轉(zhuǎn)換過程出發(fā)，以系統(tǒng)的角度將水流工況、水輪機、發(fā)電機形成的統(tǒng)一體，以運行過程中的不變量(即水輪機直徑和轉(zhuǎn)速)為優(yōu)化參數(shù)，根據(jù)實時的水文過程，采用智能動態(tài)算法，對整座電站的發(fā)電過程進行動態(tài)模擬，進而得出水能最優(yōu)參數(shù)指標。通過比較不同水輪機直徑和轉(zhuǎn)速下的水能指標，便可選出合適的水輪機型號。與傳統(tǒng)的采用綜合系數(shù)計算電能以及根據(jù)額定水頭選擇機型的方法相比，電能計算結果更加準確，所選機型更加適應電站實際的運行。

2.2　應用

三水電站位于廣東省連山壯族瑤族自治縣，始建于1980年，裝機3臺，裝機容量3×2 000 kW，近3年平均年發(fā)電量1 776萬kW·h，設備年平均利用小時數(shù)為2 960 h。

廣東省水利廳敏銳覺察到動態(tài)模擬技術對水電站增容改造的良好推動作用，由其指導，在三水電站的增效擴容改造中，引進使用水利動能設計動態(tài)模擬軟件，在不增加土建工程及轉(zhuǎn)輪直徑的前提下，選取了合適的機組，容量擴至3×2 500 kW，設備年平均利用小時數(shù)為3 027 h，其裝機容量增加的費用大大降低。

在英德紅橋水電站、韶關乳源塘頭水電站、惠州劍潭水電站等電站的增效擴容改造設計中都成功引用了此動態(tài)模擬軟件，均給電站帶來了可觀的經(jīng)濟效益。

3定槳改轉(zhuǎn)槳技術

眾所周知，轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組相對于定槳式機組水能高效率區(qū)范圍大，可提高水能利用效率10%以上。對于農(nóng)村小水電站，一般水頭和流量變化較大，水能利用率較低。因此有條件的電站可將定槳式機組改成轉(zhuǎn)槳式機組。

3.1　高油壓槳葉電液自動調(diào)節(jié)技術

高油壓槳葉電液自動調(diào)節(jié)是一種簡單、方便、經(jīng)濟、實用、環(huán)保的創(chuàng)新技術(已申請發(fā)明專利，專利號2015101453802)。槳葉操作油壓提高后，使槳葉操作機構的體積、重量顯著減小，便可將其從水輪機輪轂內(nèi)移出，外置于軸端，通過純機械軸傳遞力矩，控制槳葉。這不僅使得水輪機輪轂比減小，提高了水輪機效率；又使轉(zhuǎn)槳式水輪機向小直徑、高水頭發(fā)展，使得小型定槳式機組也可以改成轉(zhuǎn)槳式，適用于農(nóng)村中小水電站的增效擴容改造。同時，槳葉操作液壓油不再進入水輪機內(nèi)部，還解決了槳葉操作機構滲油對河流的污染問題，保護了生態(tài)環(huán)境。

3.2　應用

廣東省英德市紅橋水電站位于北江水系一級支流的氵翁江中游河段，電站始建于1968年，是氵翁江干流的第10個梯級，電站原總裝機容量1 200 kW，是廣東省批準的第一批增效擴容改造項目。在廣東省水利廳爭取“引用先進適用技術，建設科技新型電站”的目標下，紅橋水電站的增效擴容改造工程經(jīng)科學分析，引進了高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機，該水輪機導葉和槳葉調(diào)節(jié)均采用16 MPa高壓油操作。

此工程于2013年9月11日開工，全部工程于2014年10月底完成。2臺機組自10月20日投運至今，運行穩(wěn)定性優(yōu)良，水能利用率明顯提高。2015年5月19日，在電站實際水頭為4.4 m時，2臺機組最高出力達到7 102 kW，比原設計額定出力多了1 02 kW，達到了增效擴容的目的。效率比采用GD型定槳式機組提高15%以上，比采用傳統(tǒng)低油壓的燈泡貫流式轉(zhuǎn)槳機組節(jié)約成本10%，取消了結構復雜、密封困難的傳統(tǒng)受油器；安裝時省去了“盤車”等費時環(huán)節(jié)；取消了調(diào)速器壓力油罐，取消了高壓氣系統(tǒng)，代之以小體積的高壓儲能罐。設備的減少使得廠房結構得以簡化，降低了土建成本，縮短了建設工期。同時，解決了漏油造成油系統(tǒng)電機頻繁啟動的能耗，杜絕了槳葉密封漏油對河流的污染。

4雙速凸極同步發(fā)電機技術

凸極同步發(fā)電機變極調(diào)速發(fā)電技術是水輪發(fā)電機組在水頭變化幅度較大時，始終保持機組高效率運行的一種先進適用技術。經(jīng)分析，對于水輪發(fā)電機組，采用合適的兩種轉(zhuǎn)速基本上可滿足水力發(fā)電各種工況需求，可顯著提高水能利用效率，而且實現(xiàn)起來較為簡單。

4.1　發(fā)展情況

在我國，2011年華中科技大學王雪帆教授等發(fā)明的“虛擬槽位法”(專利號：200910272751.8)，標志著雙速同步發(fā)電機技術的成熟和商業(yè)應用的前景。廣東多座電站應用了這一技術，取得了良好的效應。雙速機組轉(zhuǎn)速的選擇，不僅需要考慮各工況點的狀態(tài)，而且還要考慮在此狀態(tài)的持續(xù)時間，以及諸如空蝕、振動等各種技術條件的限制。故應將水輪機組的特性、發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和實際經(jīng)歷的水文徑流過程相結合，以經(jīng)濟效益最大為目標，確定機組的最優(yōu)轉(zhuǎn)速或最優(yōu)極對數(shù)[1]。綜合來看，多年平均發(fā)電效益為主要的特征參數(shù)，宜以此為目標函數(shù)，建立數(shù)學模型，用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡等智能化算法，選擇最優(yōu)“雙速”。

雙速凸極同步水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速選擇方法(專利號：201310424489.0)，建立了水輪發(fā)電機組特征參數(shù)的選擇與水文過程相結合的數(shù)學模型，通過數(shù)學模擬，求得最優(yōu)雙速，然后根據(jù)最優(yōu)雙速，以效率最優(yōu)為原則，確定水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速的切換工況，實現(xiàn)機組年發(fā)電量最大。

4.2　應用

益塘水電站位于廣東省五華縣益塘水庫，壩后電站安裝2臺HL123—WJ—71型水輪機，配套SFW 800—10/1430型發(fā)電機，同步轉(zhuǎn)速600 r/min，額定水頭31 m，額定功率800 kW。經(jīng)過多年的運行證明，在正常水位附近運行時，水輪機組效率可達88%，且機組運行穩(wěn)定。但是當水庫水位下降較多時，特別是在水頭<20 m時，水輪機只能在偏移設計工況下運行，效率不到77%，出力下降很快，不到300 kW；且運行不穩(wěn)定，噪聲振動嚴重。

廣東省水利廳和廣東省水利協(xié)會對這項技術極為關注，推薦益塘水電站采用雙速電機方案進行改造。改造完成后，由廣東省水利水電科學研究院對其機組進行效率測試，得出平均增效約6.72%，電站每年可增加發(fā)電5.1%。

5結語

經(jīng)過廣東省農(nóng)村增效擴容改造一系列工程的運行驗證，證明了水利動能設計的動態(tài)模擬技術、低水頭水輪機定槳改高油壓轉(zhuǎn)槳技術和凸極同步發(fā)電機雙速及雙速選擇技術，對水能資源的開發(fā)和水電站設備的改進升級都產(chǎn)生了良好的技術經(jīng)濟效益，且有效保護了生態(tài)環(huán)境，適合進一步的推廣。

參考文獻：

[1]鄭程遙，黃定波.雙速凸極同步水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速選擇[J].水電能源科學,2014，32(12)：131_134.

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責任編輯吳昊

作者簡介：高雪山(1976-)，男，高級工程師，主要從事農(nóng)村水電管理研究工作。

收稿日期：2015-08-28

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