譚劍波， 何自立， 王立青

(1.楊凌職業(yè)技術學院， 陜西 楊凌 712100； 2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

小水電是廉價而清潔的可再生能源，是幫助農村新興經濟體應對快速增長電力需求的重要能源載體。截止2016底全國已建成農村中小型水電站4.7×104余座，總裝機7 791×104kW，年發(fā)電量達2 682×108kW·h[1]。分布在水資源豐富的山區(qū)小水電，對振興地方經濟，實現農村電氣化和現代化，促進山區(qū)脫貧致富發(fā)揮了至關重要作用[2]。然而，受當時建設規(guī)劃理念、設計標準、施工技術、設備制造水平和運維管理意識等因素制約，加上缺乏合理養(yǎng)護，1995年乃至2000年以前建成的大部分小水電現已處于技術水平落后、設備老化嚴重、效率低下、綜合利用功能逐年衰退和安全監(jiān)控體系缺乏的狀態(tài)，導致大量水能資源浪費，且存在較大安全隱患，直接影響到電站運行的經濟效益和安全穩(wěn)定性[3]。

為提高水能資源利用效率，促進能源結構調整，改善河流生態(tài)，加速農村現代化發(fā)展和新農村建設，中央財政從可再生能源專項資金中安排資金對全國農村小水電進行增效擴容改造[4]，以促進農村小水電行業(yè)的轉型升級，充分發(fā)揮其綜合效益。鄧歡等[5]結合《小型水電站水文計算規(guī)范》(SL77-2013)探討了農村小水電增效擴容改造中水文徑流和水能復核計算的3種方法。葉永等[6]對一庫多級式電站增效擴容改造的關鍵技術進行了研究，在此案例中，以兩級電站發(fā)電量最大作為水能復核和調節(jié)計算的技改原則。張夢如等[7]采用模糊綜合評價法對增效擴容擬定方案進行綜合評價，確定了板橋水庫壩后電站增效擴容最優(yōu)方案。小水電增效擴容改造在對數學模型優(yōu)化算法和評價體系進行研究基礎上，大量學者及設計人員針對技改方案及實施過程中的關鍵技術展開了實踐應用分析，包括：水能復核及發(fā)電量反算相互驗證確定擴容潛力[8]、二階求導合理確定裝機容量[9-10]、機型優(yōu)選[11-12]、調節(jié)保證計算[13]及經濟效益評價[14-16]等，指出了農村小水電增效擴容技改關鍵點和設計優(yōu)化思路。

目前，白云峽水電站存在水能利用率低、發(fā)電效益差、效能衰減快、安全隱患多等問題，亟待基于全面水能復核計算基礎上進行技術升級改造。

2 工程概況及增效擴容改造必要性分析

2.1 工程概況

白云峽水電站位于太白縣鸚鴿鎮(zhèn)的石頭河鸚鴿盆地的峽口處，屬石頭河中上游梯級開發(fā)的1座低壩引水式水電站，裝機容量1 800 kW(2×500 kW+2×400 kW)。引用水源預期由兩部分組成，其一是原石頭河流量，其二是“引紅濟石”調水量。引水樞紐設在石頭河中上游的白云峽河與加川河交匯口以上1 km處，由漿砌石重力溢流壩、沖沙閘和進水閘組成，經1 727 m隧洞(1#隧洞552.24 m，2#隧洞1 174.76 m)輸水至壓力前池。引水樞紐上游河長37 km，控制流域面積244 km2。電站設計水頭52 m，設計引用流量4.86 m3/s，年利用小時數5 300 h，多年平均發(fā)電量936×104kW·h。工程以發(fā)電為主，并擔負下游馬耳山水電站引水調節(jié)任務。

2.2 增效擴容改造必要性分析

白云峽水電站并網發(fā)電近20年，引水隧洞、壓力前池、壓力管道、尾水流道和電站廠房等水工建筑物結構運行性能良好。但電站機組、電氣設備和輔助設備，從選型就存在一定的技術問題，加上多年在非額定工況運行且沒有得到合理養(yǎng)護，致使機組效率逐年降低，能耗逐年增加，安全隱患日益凸顯。近10年來電站實際年均發(fā)電量為626×104kW·h，較設計年均發(fā)電量936×104kW·h減少了33.12%。另外，電站現有的監(jiān)控設備及系統(tǒng)，已不能滿足水電廠“無人值班、少人值守”的現代信息自動化集控管理需求。因此，為提高電站水能綜合利用效率及綜合信息自動化管理水平，確保電站效益的高效穩(wěn)定發(fā)揮，對其增效擴容技術升級改造亟待進行。

白云峽水電站增效擴容技術升級改造的設計思路是在《農村水電增效擴容改造有關要求》(2015年版)的基礎上，立足于電站工程特性及實際運行情況，首先進行詳細的水能復核計算以挖掘電站發(fā)電潛力，通過適當擴大電站容量增加發(fā)電效益；同時優(yōu)選新型高效水輪發(fā)電機組，提高水能轉換效率。其次在設備選型及監(jiān)控自動化設計中，優(yōu)選技術先進可靠，節(jié)能環(huán)保型電氣設備、輔機設備及微機監(jiān)控系統(tǒng)，降低電站運行能耗，提高電站的自動化水平和安全可靠性。

3 增效擴容改造設計關鍵技術

白云峽水電站增效擴容改造設計受原輸水系統(tǒng)、廠房結構、預埋件、機組安裝高程、尾水渠高程(吸出高)等參數的制約，在滿足增效擴容改造基本原則、要求和相關規(guī)范指標的條件下，重點考慮水能復核確定擴容幅度、機型選型和適應性分析等關鍵技術[15]，確保機組更新改造后具備良好的匹配性、適應性和運行經濟性。

3.1 水能復核及擴容幅度確定

3.1.1 水力發(fā)電要素關聯性函數 在中小河流水力資源開發(fā)利用中，徑流計算在水力效益綜合利用和水工建筑物布置與結構優(yōu)化方面，占有決定性地位。對于增效擴容小水電而言，即可按照《小型水電站水文計算規(guī)范》(SL77-2013)中推薦的頻率分析法、水文比擬法或區(qū)域綜合分析法進行徑流計算[5,17]，也可根據電站多年發(fā)電量反推引用流量。小水電水能復核計算中，其關聯性函數指標主要涉及到電站出力、年利用小時數和多年平均發(fā)電量，可由以下函數表達。

(1)電站出力：在某一運行工況條件下電站發(fā)出的電能功率

N=9.81η機η電QH=9.81ηQH=AQH

(1)

式中：η為水輪發(fā)電機組總效率；A為電站綜合出力系數[7]。

(2)電站多年平均發(fā)電量：電站出力與發(fā)電時間兩者的乘積

(2)

(3)裝機年利用小時數: 根據時段的累積發(fā)電量與平均出力計算

(3)

為提高計算精度，確保水能復核成果與工程特性具有良好匹配性，設計采用電站同期發(fā)電量統(tǒng)計數據和年利用小時數，利用公式(1)～(3)反算獲得發(fā)電引用流量，其函數表達為:

(4)

3.1.2 水文分析及水能復核 鸚鴿水文站設立于1974年，在石頭河水庫壩址以上13 km處，控制流域面積507 km2。測驗項目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)，測驗的水文要素均被整編刊布。徑流資料來自水文年鑒，且為1974年之后的觀測資料，資料連續(xù)完整，質量較好，可信度高。流域的氣候條件相似，下墊面條件穩(wěn)定，并無較大引用水工程，對流域年徑流影響較小，年徑流資料一致性好。

白云峽水電站選用鸚鴿站1974-2014年共41年徑流資料進行水能復核，鸚鴿站年徑流量過程線與趨勢線如圖1所示。

圖1 鸚鴿站年徑流量過程線與趨勢線

由圖1可以看出，在41年徑流資料系列中，豐水年年份有1980、1981、2003年；平水年年份有1988、1999年等；枯水年年份有1997、2006年。徑流系列在1974-1978年間曲線變化趨勢較為平緩，1979-1985年間呈上升趨勢，1986-2014年間呈下降趨勢，可見所選年徑流量系列中包含了豐平枯各種量級的流量，年徑流系列具有一定的代表性。鸚鴿站所選資料多年平均流量為9.7 m3/s，多年平均徑流總量為306×106m3。采用水文比擬法并考慮面積修正計算得白云峽水電站不同頻率年徑流量成果，如表1所示。

表1 白云峽水電站不同頻率年徑流量

由表1可知，白云峽水電站多年平均流量為4.67 m3/s，多年平均徑流總量為147×106m3，與電站原設計發(fā)電引水流量4.86 m3/s和發(fā)電引水總量126×106m3相差不大，說明鸚鴿站實測水文系列資料的可靠性、一致性和代表性均較好。

為進一步掌握電站水能特性，根據太白縣白云峽水力發(fā)電有限公司提供的2005-2014年近10年同期逐月發(fā)電量統(tǒng)計值E和機組運行工況記錄，按照式公(4)進行引用流量反算，結果表明：①發(fā)電運行水頭H在50.85～51.35 m之間，低于52.00 m設計水頭，機組長期運行在非高效工況區(qū)，效率較低；②機組綜合出力系數為7.05～7.8，雖然滿足原設計出力系數7.7的要求，但在現代制造水平基礎上，水輪發(fā)電機組整體效率可以達到83%～88%，綜合出力系數可以達到8.1～8.7甚至更高，原機組綜合出力較低，更新增效效益可觀；③2005-2014年電站年均發(fā)電量為626×104kW·h，年利用小時數高達5 185 h。年利用小時數大，電站裝機容量明顯偏小，長期處于超發(fā)狀態(tài)，不僅水能利用效率低且對電站設備安全運行不利，存在較大擴容潛力；④經引用流量反算，求得同期發(fā)電引水流量均小于電站上游來水量，說明發(fā)電量反算數據準確可靠。電站在豐水期棄水量高達0.8 m3/s，存在大量棄水，擴容空間較大。另外，“引紅濟石”調水工程( “紅”指的是秦嶺南麓漢江水系褒河支流紅巖河，“石”指的是秦嶺北麓渭河支流石頭河)計劃于2018年底竣工投運，最大調水流量13.5 m3/s[18]，有充足的機組擴容水力資源支撐。且原輸水渠系在設計時充分考慮了“引紅濟石”的調水流量，輸水能力能夠得到有效保障。

3.1.3 裝機容量選取 將白云峽水電站引水斷面的自產徑流的流量-頻率關系與“引紅濟石”引水流量-頻率關系進行頻率組合，得到白云峽水電站發(fā)電流量的日平均流量歷時關系。結合電站工程特性，計算來水逐月水能，獲得電站裝機容量-多年平均發(fā)電量和電站裝機容量-年利用小時數間的關系曲線，如圖2所示。

圖2 白云峽水電站水能特性曲線

為獲得最佳裝機方案，必須尋找裝機容量與發(fā)電量間的最佳組合。采用二階求導求曲線反曲點(由正比關系變反比的拐點)，從圖2可知在裝機容量為5 250 kW時裝機與發(fā)電量關系曲線出現拐點，即單從裝機容量和發(fā)電量來看，5 250 kW是白云峽水電站最優(yōu)裝機。白云峽水電站增效擴容改造考慮了“引紅濟石”流量，擴容幅度較大。但《農村水電增效擴容改造有關要求》(2015年版)中明確要求增效擴容改造水工建筑物基本不動，故只能在原4臺水輪發(fā)電機組機位上進行。根據水能計算結果，經對原設計引水隧洞、壓力前池、壓力鋼管等建筑物過水能力復核，裝機容量在2 500～2 800 kW間水能利用率較高。結合水輪發(fā)電機組功率序列，確定裝機容量為2 760 kW(2×630 kW+2×750 kW)，增容960 kW，容量增比52.8%，擴容量大。改造后年發(fā)電量由改造前的936×104kW·h增加到1 710×104kW·h，年利用小時數為6 180 h，增效明顯。

3.2 機型選擇

根據水利部下發(fā)的《農村水電增效擴容改造有關要求》等相關文件，增效擴容改造機型選擇基本原則為：臺數應保持與原臺數不變，機型及布置要匹配原廠房結構及機坑建筑物。在水能復核及裝機容量確定的基礎上，通過對水輪機機型進行比選，優(yōu)選技術先進、節(jié)能環(huán)保型水輪發(fā)電機組，合理提高機組發(fā)電效率和電站水能綜合利用率。

3.2.1 額定水頭 考慮白云峽電站分組供水的特點及發(fā)電機組滿發(fā)時從進水口到尾水出口間的沿程和局部水頭損失，水頭波動范圍為51.1～52.8 m，設計水頭確定為52.0 m，即維持原設計水頭不變。

3.2.2 水輪機機型優(yōu)選 對壓力鋼管、過流流道、尾水渠等進行復核基礎上，確定安裝容量為2 760 kW(2×630 kW+2×750 kW)，單機容量由400、500 kW增至630、750 kW。經對多個模型轉輪進行初步篩選，計算擬定轉輪直徑分別為50 cm(630 kW機組)和60 cm(750 kW機組)，水輪機同步轉速為系列轉速n=1 000 r/min。根據額定水頭和單機容量，查水輪機型譜，初選水輪機型式為：630 kW機組推薦HLA678-WJ，備選HLA319-WJ；750 kW機組推薦HLA696-WJ，備選HLA253-WJ。通過水輪機出力、單位流量和運行區(qū)域等特性參數計算來合理確定轉輪優(yōu)選方案[19]。

運用水輪機綜合運轉特性曲線，計算不同流量及水頭工況條件下的運轉特性數據，并進行對比分析。 對于630 kW機組：(1)HLA678水輪機工作范圍在高效區(qū)，其最高模型效率可達92%～93%，與備選機型HLA319相比，差異甚小。但HLA319其額定工況點超越了95%出力限制線，明顯不符合條件；(2)在同樣水頭且額定出力工況下，HLA678機型工作效率高，且工作范圍及運轉特性范圍均更接近于高效區(qū)；(3)抗空蝕性方面，兩種機型幾乎相當。對于750 kW機組：(1)HLA696水輪機工作范圍在高效區(qū)，其最高模型效率可達92%～93%，性能明顯優(yōu)于HLA253；(2)在額定出力工況下，HLA696機型運行區(qū)域在運轉特性曲線高效區(qū)中心，更能適應不同運轉工況；(3)抗空蝕性方面，HLA696優(yōu)于HLA253，空蝕系數小。

3.2.3 機型適應性分析

(1)過流能力。電站設計引用流量6.47 m3/s，經計算當水深取2.71 m時，引水隧洞可通過流量為7.81 m/s，增效擴容改造后隧洞引水能力滿足要求。機組由400、500 kW擴容至630、750 kW后，由于轉輪直徑保持不變，則流量會發(fā)生增加引起壓力管道內流速增大。經驗算機組出力滿發(fā)工況下壓力管道內最大流速為4.12 m/s，小于5 m/s，處于明管經濟流速4～6 m/s范圍內。

(2)安裝高程復核。安裝高程是水電站的重要參數，其值與站址處的海拔高程、所選用水輪機的空蝕系數、電站裝機數量及最小單機容量有關?？瘴g是水輪機運行的頑疾，安裝高程是否合理，直接關系到水輪機預防空蝕的性能與改建費用。改造電站從水輪機的運行要求考慮，預防和減輕空蝕的發(fā)生是必要條件，必須滿足。相比而言改建費用是次要條件，可適當考慮。在條件允許情況下，水輪發(fā)電機組安裝位置越低越有利于防止空蝕。白云峽水電站以630 kW機組(最小機組)單機額定出力運行工況下計算出的安裝高程為972.78 m，比原電站機組對應的安裝高程971.76 m要高，故維持原安裝高程進行新機組安裝不但有利于防止空蝕發(fā)生，又可避免進、出水建筑物的拆建改造，改造方案經濟性高。

(3)調節(jié)保證計算。機組轉動慣量為1.39 t·m2(630 kW機組)和1.63 t·m2(750 kW機組)，額定轉速為1 000 r/min。在額定水頭和最大水頭下100%丟棄負荷，經調保計算并結合《水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范》(DL/T5186-2004)規(guī)定的30%和60%限值指標，為滿足安全生產，630 kW和750 kW機組均建議選取關閉時間為8 s。

4 結 論

增效擴容改造是農村小水電合理利用水能資源、挖掘電站擴容潛力、節(jié)能降耗和促進區(qū)域經濟發(fā)展的再創(chuàng)造過程。通過對白云峽水電站技改方案中的擴容潛力復核運算、機型優(yōu)選和適應性分析，可得如下結論：

(1)基于水力發(fā)電關聯性函數關系，結合電站歷史發(fā)電量反算發(fā)電引用流量，可相互驗證確保水能復核數據具備較高準確性。

(2)根據水能復核結果及考慮“引紅濟石”調水流量，白云峽水電站可擴容空間非常大。但限于現狀輸水管道、廠房建筑物等制約，確定裝機容量為2 760 kW(2×630 kW+2×750 kW)。電站裝機容量從1 800 kW擴容到2 760 kW，年發(fā)電量從936×104kW·h增加到1 710×104kW·h，增加了水能資源利用率和運營經濟效益。

(3)優(yōu)選的HLA678-WJ和HLA696-WJ轉輪，具有較高效率，可提高發(fā)電運行的增效電量，且能滿足電站不同工況條件下高效調節(jié)運行需求，匹配性好、適應性強。

(4)水能復核及機組選型是增效擴容計算分析的關鍵內容，也是工程改造后能否取得預期效益的設計重點。除此之外，在技改方案設計中還需考慮電氣設備及輔助設備的優(yōu)化設計，確?！八?機-電”三者具備良好匹配性能，使小水電發(fā)電效益得以充分發(fā)揮。