張春旭, 張晉新

(1.中國葛洲壩集團股份有限公司勘測設計院，湖北武漢430073；2.中工武大設計有限公司，湖北武漢430073)

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中小水電站增效擴容改造的經(jīng)濟設計

張春旭1, 張晉新2

(1.中國葛洲壩集團股份有限公司勘測設計院，湖北武漢430073；2.中工武大設計有限公司，湖北武漢430073)

在“十三五”規(guī)劃建設期間，我國仍有大量中小型水電項目列入增效擴容改造目錄。如何利用有限的改造資金，最大限度的發(fā)揮電站增效潛力，提高水輪發(fā)電機組的綜合效率，是工程設計單位制定改造方案考慮的重點。通過優(yōu)化資源配置，提高電站經(jīng)濟效益，降低生產(chǎn)、維護成本，降低勞動強度是中小型電站增效擴容改造的根本目的。表2個。

中小型水電站；水輪發(fā)電機組；增容改造；設計方案； 提高效益

0　引　言

我國在2000年之前建設的大量農(nóng)村中小型水電站，建設之初大多缺乏規(guī)范設計，對水資源利用不足，豐水期浪費嚴重；電站運行至今，設備嚴重老化，綜合效率低下。國家“十二五”規(guī)劃期間對全國中小型水電站實施了增效擴容改造的試點工程，改造效果明顯，極大地提高了發(fā)電效率，消除了安全隱患，改善了電站經(jīng)濟效益。根據(jù)《財政部水利部關于繼續(xù)實施農(nóng)村水電增效擴容改造的通知》(財建〔2016〕27號文件指示)，在“十三五”規(guī)劃建設期間，繼續(xù)支持農(nóng)村中小型水電項目的增效擴容改造。但由于全國改造項目眾多，國家補貼資金有上限標準(東部700元/kW、中部1 000元/ kW、西部1 300元/ kW)，同時絕大多數(shù)電站運行單位自籌建設資金能力有限，怎么將有限的改造資金用到電站最需要的地方，最大程度的提高電站增效擴容的效益，成為工程設計單位考慮的重點和難點。

本文通過筆者在湖北省內(nèi)近5年眾多中小型水電站的實際改造經(jīng)驗，針對中小型電站增效擴容改造過程中改造效果明顯、改造后發(fā)揮巨大工程效益、經(jīng)濟效益的工程設計經(jīng)驗進行總結(jié)，并輔以具體工程實例加以具體分析說明。

1　維修引水系統(tǒng)

大部分中小型水電站為引水式電站或者調(diào)節(jié)庫容有限，豐水期的水資源沒有得到有效利用。同時，由于電站年久失修，普遍存在引水建筑結(jié)構老化，金屬部件銹蝕，引水過程中滲水、漏水現(xiàn)象較為嚴重，電站輸水過程中的滲漏損失越來越成為影響發(fā)電效益的一個制約因素。

湖北省竹山縣霍河三級水電站為引水式電站，電站裝機容量3 750 kW，引用流量21 m3/s。電站引水線路由1 965 m的引水隧洞和240 m的引水明渠構成。其中隧洞現(xiàn)狀完好，引水明渠由于建設之初未襯砌，加之年久失修，滲漏嚴重，且部分段泥沙雜物淤積，導致豐水期水流外溢，無法滿足正常的發(fā)電流量需求。

改造方案對明渠破損段進行修復，對全段明渠采用100 mm厚C20混凝土襯砌，對淤積段進行疏浚。改造后渠底寬4.3 m，高7.9 m，糙率取0.014，設計流量21.0 m3/s。過流能力和邊墻穩(wěn)定重新復核，均滿足要求(見表1)。對進水前池裂縫采用環(huán)氧砂漿補強，更換進水口節(jié)制閘和引水閘的止水橡皮。

綜合改造后的霍河三級電站年發(fā)電量由740萬 kW·h增加到890萬 kW·h，增幅達到17%。

表1　引水渠過流能力計算

2　合理改造水輪發(fā)電機組

由于受建設之初的歷史因素的制約，大部分電站存在水輪發(fā)電機組特性參數(shù)與電站實際運行工況長期偏離；豐水期水量(水頭)沒有得到充分利用，枯水期實際水頭遠遠低于設計水頭。致使發(fā)電機組在豐水期沒有充分發(fā)揮效益，枯水期又長期運行在低效區(qū)。

湖北省宜都市香客巖電站改造前電站總裝機容量8 900 kW，1～3號機水輪機型號為ZD560—LH—180，4號機水輪機型號為ZD560a—LH—180，所有機組均為軸流定槳式水輪機，設計水頭為15.5 m。配套發(fā)電機如下：1號發(fā)電機型號為SF2000—20/2600，單機功率2 000 kW； 2、3號發(fā)電機型號為TSL260/35—20，單機功率2 200 kW；4號發(fā)電機型號為SF2500—20/2600，單機功率2 500 kW。

機組存在的問題：經(jīng)過長期運行，機組已經(jīng)出現(xiàn)設備老化、性能下降、故障頻發(fā)等問題，在很大程度上影響了設備的安全、穩(wěn)定運行。轉(zhuǎn)輪葉片的材料采用45號鋼制作，長期受水力沖擊發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生了嚴重裂紋，轉(zhuǎn)輪氣蝕、磨損嚴重，葉片變薄；維修時大面積補焊造成了葉片嚴重變形和裂紋加劇,致使水輪機水力損失加大，水輪機水力效率下降；頂蓋、底環(huán)等磨損嚴重，致使水輪機漏水量加大，容積損失增加,浪費大量水資源，發(fā)電量減少。發(fā)電機由于運行年限長，定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈絕緣老化，絕緣電阻下降，存在較大的安全隱患，發(fā)電機功率因數(shù)低。

根據(jù)電站水力監(jiān)測顯示，電站毛水頭常年在18.0 m左右。經(jīng)水文專業(yè)復核，電站加權平均水頭為17.0 m，電站可通過擴容提高效益。

根據(jù)以上論述，最終的改造方案主要從兩個方面提高電站效率：一是擴容，維持電站現(xiàn)有土建尺寸不變的情況下，根據(jù)水文計算結(jié)果，將電站1～3號機組單機功率均擴容到2 500 kW。二是更換機組，根據(jù)水輪發(fā)電機組運行現(xiàn)狀，對機組改造方案如下：更換1～3號機發(fā)電機，更換后新發(fā)電機型號為SF2500—20/2600，電機功率2 500 kW，轉(zhuǎn)速300 r/min，電壓6.3kV，效率95%，功率因數(shù)0.85，絕緣等級F；更換1號機組水輪機，更新后水輪機型號為ZDJP502—LH—180，轉(zhuǎn)輪直徑180 cm，額定出力2 688 kW，額定流量18.90 m3/s，額定效率91.5%；2、3、4號水輪機更換轉(zhuǎn)輪(新轉(zhuǎn)輪型號與1號水輪機轉(zhuǎn)輪相同)，維修導水機構及主軸；4號發(fā)電機更換頂轉(zhuǎn)子線圈，提高電機絕緣等級，提高發(fā)電機功率因數(shù)。同時，更換發(fā)電機組附屬設備(即調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、自動化元件等)。其中：調(diào)速器更換為高油壓調(diào)速器，將現(xiàn)有勵磁控制屏和勵磁變壓器更換為1套雙微機可控硅靜止整流自并勵勵磁裝置和1臺干式勵磁變壓器，增加電站自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

更新改造后1～4號機組額定工況下水輪發(fā)電機組段的綜合效率：

式中，PN為發(fā)電機額定功率(kW)；Hr為水輪機額定水頭(m)；Qr為水輪機額定流量(m3/s)。

電站改造前后水輪發(fā)電機組特性參數(shù)如下所示(見表2)：

表2香客巖電站改造前后水輪發(fā)電機組特性參數(shù)

名 稱改造前改造后水輪機型號ZD560—LH—180ZDJP502—LH—180ZD560a—LH—180臺數(shù)/臺44最大工作水頭/m17.019.0最小工作水頭/m11.011.17額定水頭/m13.616.15額定流量/(m3·s-1)19.6/19.817.94發(fā)電機型號SF2200—20/2600SF2500—20/2600TSL260/35—20SF2500—20/2600臺數(shù)/臺2/1/14總裝機容量/kW890010000保證出力/kW11501420多年平均發(fā)電量/萬kW·h28903500年利用小時數(shù)/h31343391機組綜合效率76%87.96%電站綜合能效69%80.0%增效潛力21.1%

電站已于2014年底全部改造完畢，2015年3月新機組正式投入發(fā)電。經(jīng)電站運行人員反映，改造后機組效率明顯提高，改造效益顯著。

3　淘汰落后電氣設備

20世紀90年代初建設的中小型電站，變壓器仍以SJL型和SL型鋁芯變壓器為主，能耗高、效率低；高壓柜多為GG—1A型，低壓柜多為BSL型開敞式設備，“五防”功能不全，具有較大的安全隱患。繼電保護以繼電器為主，接線復雜、維護工作量大，誤動、拒動時有發(fā)生，事故隱患大；大多數(shù)中小型電站仍以人員手動操作為主，極少數(shù)電站設有控制臺，裝設光子牌信號顯示裝置，整體設備配置較為落后，人員編制臃腫。

改造方案：

(1)采用新型的S11型變壓器更換以往的淘汰鋁芯變壓器，變壓器綜合能耗可降低30%以上，減少自身損耗的同時加大了上網(wǎng)電量，提高了效益。

(2)結(jié)合老廠房的實際尺寸，高壓柜可選擇XGN—12或KYN28A—12兩種形式的全封閉式開關柜。低壓柜可選用GGD或GCS型低壓開關柜，新型高、低壓配電柜均具備完善的“電氣五防”功能，在大大提高安全性的同時，操作維護更加便利。

(3)針對大部分電站繼電保護簡陋、自動控制設施落后的情況，采用新型微機保護裝置替代老式繼電器保護屏柜，靈敏度高、性能更加穩(wěn)定可靠、數(shù)字信號傳輸更為便利?？刂葡到y(tǒng)改造為可編程控制器(PLC)為主設備，針對電站裝機容量構建不同規(guī)模的分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，整體上實現(xiàn)中小型水電站“無人值班(少人值守)”的新型運行管理模式。

對于單機容量小于500 kW的低壓小型發(fā)電機組，可采用新型集電量采集、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、同期系統(tǒng)、機組繼電保護裝置一體化的綜合控制屏，設備體積更小，集成化和自動化程度高。

以宜都市的熊渡電站為例，電站總裝機容量4×7 500 kW。改造之前在職職工112人，負責電站的日程運行和維護管理。改造之后由于提高了自動化水平，減少了維護工作量，日常運行維護人員精簡到25人，大大節(jié)約了人力成本，為企業(yè)創(chuàng)造了更多的效益。

4　結(jié)　語

中小型水電站增效擴容改造工程涉及水電站的方方面面，各座水電站具體情況各異，上述內(nèi)容是筆者根據(jù)實際工程的一些經(jīng)驗總結(jié)，原則是將有限的改造資金投入到電站改造效益最明顯的區(qū)域。除了水工結(jié)構、機電設備的工程改造措施以外，還可以通過優(yōu)化發(fā)電調(diào)度規(guī)則，發(fā)揮梯級電站聯(lián)合調(diào)度作用，以管理水平、技術水平的提高來更加充分的挖掘電站潛在效益。

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責任編輯吳昊

2016-07-25

張春旭(1984-)，男，工程師，主要從事水力發(fā)電廠的電氣設計工作。

E_mail:158788993@qq.com