葉 永，牟玉池(三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002)

農村水電是我國農村經濟社會發(fā)展的重要基礎設施, 是生態(tài)環(huán)境建設和環(huán)境保護的重要手段。目前我國已建成小水電站約4.5萬座，總裝機容量和年發(fā)電量約占我國水電裝機和年發(fā)電量的1/3[1]。這些小水電站中，很多早期建設的電站受當時技術水平和經濟條件制約，經過多年運行普遍存著設備老化、機組效率低、水能資源浪費大、自動化程度低、安全隱患多等問題[2]。對老舊小水電站進行增效擴容改造，使水能資源得到充分利用，讓電站發(fā)揮更多社會、經濟效益具有積極作用。在進行增效擴容改造過程中，受電站本身各種限制因素制約，如廠房尺寸及布置、壓力管道、地下土建部分等，使其技術設計較之新建電站設計過程更為復雜。本文以三背河水電站增效擴容改造工程為例，探討一庫多站式開發(fā)在進行改造過程中的設計思路，為該類工程設計提供參考依據。

1 工程概況

三背河水電站工程位于湖北省境內，系清江中游南岸一級支流小溪流域梯級開發(fā)的骨干工程。該工程于1999年建成發(fā)電，主要由混凝土面板堆石壩、溢洪道、放空排砂洞、發(fā)電引水隧洞、發(fā)電廠房和升壓站等主要建筑物組成。最大壩高59 m，水庫總庫容417萬m3，洪水按50年一遇設計，300年一遇校核。三背河水電站原裝機容量2×1 000 kW，近5年年平均發(fā)電量658萬kWh。電站尾水直接進入下游羊子巖電站(2×630 kW)引水隧洞，羊子巖電站尾水直接進入紅耀電站(2 500+4 000 kW)引水渠。三背河水庫不僅對三背河水電站具有調節(jié)作用，同時對下游羊子巖電站和紅耀電站具有調節(jié)作用，屬于典型的一庫三站式開發(fā)。

2 存在問題

(1)引水建筑物隱患嚴重。三背河水電站引水系統(tǒng)布置在左岸，由進水口建筑物，引水隧洞，支、叉管組成。引水隧洞為有壓隧洞，洞徑1.40 m，總長度214.12 m，采用鋼筋混凝土襯砌。經過多年發(fā)電運行，近年監(jiān)測發(fā)現(xiàn)洞內襯砌出現(xiàn)了一定損壞，洞身局部出現(xiàn)裂縫，對電站的安全運行產生巨大安全隱患。

(2)發(fā)電機組效率低、電氣設備老舊，自動化程度低。三背河水電站原總裝機2×1 000 kW，水輪機型號為HLA153-WJ-50、配套發(fā)電機SFW-1000-6/1180。經過多年運行，水輪機轉輪導葉等過流部件出現(xiàn)了不同程度汽蝕、磨損及變形，機組效率較設計初期有較大降低。機組前閘閥經過多年運行，有明顯漏水現(xiàn)象，局部銹蝕嚴重，操作不便，嚴重影響電站安全運行。機組高壓開關柜和互感器柜元器件老化，可靠性較差；電站自動化元件配置不全，自動化系統(tǒng)采用繼電器式系統(tǒng)，陳舊老化，損壞較多，維修工作量大，已不能滿足正常安全運行的需求。

(3)水資源浪費嚴重、不能保證下游電站發(fā)電所需流量。電站經過多年運行，在初設時裝機容量選擇較保守，在豐水期經常出現(xiàn)大量棄水，導致水資源被大量浪費。電站下游的紅耀水電站已于2014年完成了增效擴容改造，裝機容量由原來的2×2 500 kW增容到2 500+4 000 kW，設計引用流量由原來的3.94 m3/s增加至5.13 m3/s，而三背河水電站改造前設計引用流量為4.18 m3/s，不能滿足紅耀水電站機組達到滿發(fā)狀態(tài)。

3 改造方案

3.1 裝機容量選擇

本次電站裝機容量選定時，主要考慮兩個因素：①電站現(xiàn)有建筑物對裝機容量的限制，重點是有壓隧洞的過流能力和安全性；②發(fā)電流量與下游電站流量相匹配。以該因素為限制條件，3個電站總效益最大化為目標函數(shù)，進行裝機容量選擇。

三背河水電站水能復核選用1960-2004年共45年系列的徑流資料作為長系列入庫徑流量，多年平均入庫流量2.41 m3/s，與初設報告中2.08 m3/s相差不大，說明所選水文系列資料可靠。三背河水庫為不完全年調節(jié)水庫，水能計算[3-5]按照年調節(jié)水庫進行計算。通過對不同裝機容量模擬計算，電站裝機容量與年平均發(fā)電量關系見圖1。

圖1 三背河水電站裝機容量與年發(fā)電量關系曲線Fig.1 The relation curve of installed capacity and annual electricity production of Sanbei River hydropower station

初步擬定4種裝機方案：方案1,保留其中一臺機組裝機容量不變，另一臺機組增容至1 250 kW，總裝機容量2 250 kW；方案2,兩臺機組均增容至1 250 kW，總裝機容量2 500 kW；方案3,隧洞過流能力最大時，裝機容量最大為2 800 kW，將兩臺機組均增容至1 400 kW；方案4,裝機容量為2 800 kW，將兩臺機組改為一臺。通過對四種設計方案進行水能計算及效益分析，計算結果見表1。

表1 三背河水電站裝機容量方案選擇對比Tab.1 The comparison installed capacity schemes of Sanbei River hydropower station

在進行投資比較時，以更新現(xiàn)有機組為基準，來計算四種方案的投資差額。由表1可知，隨著三背河水電站裝機容量增加，三背河水電站多年平均發(fā)電量變化較小，但是3個電站總的發(fā)電量有較大提高，電站年發(fā)電效益得到大幅度提升，增效擴容后效益顯著。其中方案4收益投資比最優(yōu)，更符合經濟合理，安全適用的原則。得到三背河水電站增效擴容改造擬裝機2 800 kW，將原有兩臺機組改造為一臺機組。

3.2 機型選擇

三背河水電站原裝機兩臺HLA153-WJ-50水輪機組，本次改造擬將兩臺機組改為一臺機組。根據水能計算結果及電站多年運行資料統(tǒng)計，水庫水位在470.00～502.24 m范圍內變化，同時考慮尾水位及水頭損失，確定機組運行水頭范圍在34.68～63.5 m之間。通過對多個模型轉輪進行比較篩選，并結合廠房實際尺寸，初選HLJ240-WJ-86和HLA616-WJ-80兩種轉輪進行方案比較，以確定優(yōu)選方案。

根據電站運行水頭范圍及水輪機綜合特性，確定水輪機的同步轉速均為750 r/min。利用水輪機的綜合特性曲線，分別計算在流量和工作水頭變化時的多種運行工況，并繪制了兩種轉輪運轉特性曲線，進行對比分析：①HLJ240-WJ-86的最優(yōu)效率高于HLA616-WJ-80；②在工作范圍內，HLA616-WJ-80所包含的高效率區(qū)更廣，經常運行工作范圍內的平均效率高于HLJ240-WJ-86，隨著水頭降低，更能充分的利用水資源；③HLA616-WJ-80的汽蝕性能優(yōu)于HLJ240-WJ-86，且安裝高程更接近原機組高程，可減少土建工程量；④HLA616-WJ-80的機組尺寸較HLJ240-WJ-86機組小，更有利于廠房其他設備布置。

綜上所述，此次改造采用HLA616-WJ-80水輪機及其配套的SFW2800-8/1730發(fā)電機。同時對機組吸出高、過流能力、調節(jié)保證計算及電站廠房各部結構進行計算驗證，所選機型及其配套發(fā)電機均滿足要求。

3.3 電氣系統(tǒng)改造

3.3.1主接線

三背河電站原裝機為兩臺1 000 kW機組，為兩機一變擴大單元接線方式。此次改造后，發(fā)電機組由兩臺1 000 kW機組變?yōu)橐慌_2 800 kW機組，主接線方式改為一機一變接線方式，發(fā)電機機端電壓為6.3 kV，送電電壓為10.0 kV。

3.3.2綜合自動化

為適應系統(tǒng)調度要求，按“無人值班，少人值守”方式設計，結合國內中小型水電站運行經驗及發(fā)展方向，采用以計算機監(jiān)控為主的集中監(jiān)控方式，配置微機監(jiān)控系統(tǒng)。主要實現(xiàn)功能如下：

(1)對全廠設備實現(xiàn)自動監(jiān)視與記錄。由計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動完成全廠設備數(shù)據采集、處理及設備運行狀況自動監(jiān)視與記錄。

(2)對電站設備實現(xiàn)自動控制。根據電站運行方式要求，對電站設備進行操作或調節(jié)。

(3)實現(xiàn)電站運行管理自動化。實現(xiàn)運行報表自動生成，運行操作自動記錄，電站設備參數(shù)或整定值記錄與保存，所有報表均可自動或召喚打印。

(4)實現(xiàn)與調度的通信。

(5)對發(fā)電機、主變、母線、線路等主設備及輔助設備進行保護與監(jiān)控。

3.3.3勵磁系統(tǒng)

發(fā)電機勵磁電源由接在機端的勵磁變壓器經晶閘管整流后供給，勵磁系統(tǒng)由勵磁變壓器、微機調節(jié)控制裝置、可控硅整流裝置、起勵滅磁裝置及轉子過電壓保護裝置等部分組成。勵磁系統(tǒng)采用殘壓啟勵，機組殘壓不小于2%機組額定電壓。同時系統(tǒng)滿足180%的強勵要求。

4 效果分析

(1)消除安全隱患，保證電站安全運行。有壓隧洞采用環(huán)氧樹脂砂漿對洞內襯砌進行防滲、防裂和修補處理，有效保障電站的安全運行。

(2)充分發(fā)揮三背河水庫調節(jié)作用，大大增加了發(fā)電量。改造前電站年發(fā)電量為658萬kWh，較設計初期762萬kWh有較大的差距，水能未能得到充分利用。改造后，電站裝機容量由原來2 000 kW增加到2 800 kW，年增發(fā)電量166萬kWh。同時，增加機組容量可加大設計引用流量，提高了下游羊子巖水電站和紅耀水電站的發(fā)電效益，3個電站多年平均發(fā)電量總增加475萬kWh。

(3)提高電站設備自動化控制水平。通過增容改造后，電站設備的保護、控制及自動化系統(tǒng)均使用技術先進、成熟的高科技產品，使得全站設備保護及控制自動化水平大大提高。 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的運用，大大減輕了運行值班人員的勞動強度和精神壓力，改善了工作環(huán)境。實現(xiàn)了“無人值班，少人值守”的目標。

(4)提高項目區(qū)的社會、環(huán)境效益。經濟方面可促進地方、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展，增加國家和地方財政收入，繁榮地方經濟。社會環(huán)境方面可改善農村能源結構，推進“以電代柴”、“以電節(jié)煤”等項目的實施，為保護森林植被，凈化空氣，改善氣候，促進生態(tài)良性循環(huán)和國民經濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施提供基礎條件。

5 結 語

農村水電站增效擴容改造工程由于電站本身限制因素多，設計過程相對新建電站更為復雜，在設計初期應進行詳細勘察，找出電站存在問題和提出合理解決方案。以三背河水庫水電站增效擴容改造設計為例，探討一庫多站式開發(fā)在增效擴容改造設計中思路。主要以電站本身限制因素為條件，水庫下游電站總效益最大化為目標函數(shù)，通過經濟技術比較分析，進行裝機容量的選擇以及改造方案的確定。為該類工程的設計提供有價值的參考。

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[1] 田婭娟, 王 鑫, 薛 鵬，等.中小型水電站水輪機增效擴容改造研究[J].水利水電技術, 2014,45(2):40-42.

[2] 穆建軍.農村水電站增效擴容改造關鍵技術問題的探討[J].農村水電及電氣化, 2012,167(5):6-8.

[3] 何俊仕，林洪孝.水資源規(guī)劃及利用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4] SL76-2009，小水電站水能設計規(guī)程[S].

[5] 鄧 歡, 吳亞楊, 胡超鵬，等.小水電站增效擴容的徑流和水能計算方法及應用[J].水電能源科學, 2014,32(5):160-164.