譚劍波 王正中 甘雪峰 何自立

摘要：為準(zhǔn)確掌握農(nóng)村小水電增效擴(kuò)容潛力，優(yōu)化改造后機(jī)組運(yùn)行組合，采用有徑流資料的水力發(fā)電要素關(guān)聯(lián)性函數(shù)，聯(lián)合發(fā)電量反算引用流量，對(duì)峽口水電站水能進(jìn)行詳細(xì)復(fù)核，并確定與工程相匹配的裝機(jī)容量和機(jī)型。設(shè)計(jì)應(yīng)用表明，通過(guò)山岔河鸚鴿站徑流資料及電站多年運(yùn)行發(fā)電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的核算與反算，可獲得能真實(shí)反映電站水能指標(biāo)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，確保增效擴(kuò)容改造設(shè)計(jì)方案具有較高技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性、通過(guò)合理改造，峽口水電站水能利用率及轉(zhuǎn)換效率得到全面提高，棄水量減小，運(yùn)行能耗降低，在增效擴(kuò)容的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：小水電；水能復(fù)核；發(fā)電量；裝機(jī)容量；機(jī)組選型

中圖分類(lèi)號(hào)：TV747；TV76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.029

小水電是幫助農(nóng)村新興經(jīng)濟(jì)體應(yīng)對(duì)快速增長(zhǎng)能源需求、減少CO2排放量的優(yōu)質(zhì)可再生清潔能源，對(duì)其合理開(kāi)發(fā)利用是加強(qiáng)農(nóng)村清潔能源基礎(chǔ)建設(shè)，構(gòu)建和諧新農(nóng)村的重要保障。小水電在新農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、精準(zhǔn)扶貧、節(jié)能降耗和抗旱應(yīng)急救災(zāi)等方面均發(fā)揮著非常重要的作用。截至2016年年底全國(guó)已建成農(nóng)村中小型水電站47000余座，總裝機(jī)約7791萬(wàn)kWc。其中，在1995年以前建成且現(xiàn)處于低效運(yùn)行條件或達(dá)到報(bào)廢條件的農(nóng)村中小型水電站有5700余座，裝機(jī)容量約800萬(wàn)kW。這些水電站技術(shù)落后、機(jī)組效率低、安全自動(dòng)化水平低和綜合利用功能衰退，導(dǎo)致大量寶貴水能資源浪費(fèi)，且運(yùn)行存在較大安全隱患。因此，為提高水能資源利用效率，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，改善河流生態(tài)，加速農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展和新農(nóng)村建設(shè)，中央財(cái)政從可再生能源專(zhuān)項(xiàng)資金中安排資金對(duì)全國(guó)農(nóng)村小水電進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，以促進(jìn)農(nóng)村小水電行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，充分發(fā)揮其綜合效益。

農(nóng)村小水電站增效擴(kuò)容改造工程要求在水能復(fù)核基礎(chǔ)上合理進(jìn)行機(jī)型優(yōu)選并配置先進(jìn)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)落后陳舊、老化失修的電站設(shè)備進(jìn)行全面更新改造，確保電站社會(huì)、經(jīng)濟(jì)綜合效益高效穩(wěn)定發(fā)揮。相比新建電站，在增效擴(kuò)容改造過(guò)程中，受輸水系統(tǒng)、過(guò)流流道、電站廠房結(jié)構(gòu)等因素制約，改造增效設(shè)計(jì)方案更加復(fù)雜5。鑒于此，針對(duì)不同水電站具體工程特性，對(duì)增效擴(kuò)容潛力、電站裝機(jī)容量和機(jī)型進(jìn)行合理分析研究，是農(nóng)村小水電增效擴(kuò)容改造亟待解決的問(wèn)題。

1 水力發(fā)電要素關(guān)聯(lián)性函數(shù)

在中小河流水資源合理開(kāi)發(fā)利用中，徑流計(jì)算在水力綜合利用和水工建筑物布置與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面占有決定性地位。對(duì)于增效擴(kuò)容小水電而言，可按照《小型水電站水文計(jì)算規(guī)范》（SL77-2013）推薦的頻率分析法、水文比擬法或區(qū)域綜合分析進(jìn)行徑流計(jì)算，也可根據(jù)電站多年發(fā)電量反推引用流量。小水電水能復(fù)核計(jì)算中，其關(guān)聯(lián)性函數(shù)指標(biāo)主要涉及電站出力、總裝機(jī)和多年平均發(fā)電量。

電站出力為在某一運(yùn)行工況下發(fā)出的電能功率，即式中：η為水輪發(fā)電機(jī)組總效率，由水輪機(jī)效率η機(jī)、發(fā)電機(jī)效率η電中、傳動(dòng)效率η傳組成；A為電站綜合出力系數(shù)，為總效率η與9.81的乘積；Q為電站發(fā)電引水流量；H為水輪機(jī)工作水頭。

電站年發(fā)電量為出力與發(fā)電時(shí)間的乘積，即式中：∑N為全年月均出力之和；工為月均小時(shí)數(shù)，為730h。

設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量計(jì)算公式為式中：E豐、E平和E枯分別為豐、平和枯設(shè)計(jì)代表年的電站年發(fā)電量；E15%、E50%、E85%分別為保證率為15%、50%、85%時(shí)電站年發(fā)電量。

農(nóng)村小水電所在中小河流通常只有參證站實(shí)測(cè)徑流資料，為提高計(jì)算精度，確保水能計(jì)算成果與電站工程特性具有良好匹配性能，設(shè)計(jì)推薦采用電站同期發(fā)電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用式（1）、式（2），根據(jù)發(fā)電量數(shù)據(jù)反算獲得發(fā)電引用流量：式中：Ei為電站第i月發(fā)電量。

若反算獲得的發(fā)電引用流量均小于河流實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，則說(shuō)明電站發(fā)電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)全面準(zhǔn)確，獲得的引用流量數(shù)據(jù)合理可靠。結(jié)合電站前池與尾水波動(dòng)特性、機(jī)組綜合出力系數(shù)和引用流量3個(gè)指標(biāo)，即可獲得包含電站總裝機(jī)容量與多年平均發(fā)電量、電站總裝機(jī)容量與年利用小時(shí)數(shù)等特性關(guān)系的水能特性曲線。

2 農(nóng)村小水電站增效擴(kuò)容實(shí)例分析

2.1 工程概況

峽口水電站位于太白縣鸚鴿鎮(zhèn)六家村石頭河一級(jí)支流山岔河上，屬山岔峽流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)第一級(jí)。引水口位于山岔峽峽口以上約2.3km的峽谷內(nèi)，采用低壩引水，壩址控制流域面積l12km2，經(jīng)1853m無(wú)壓隧洞引水至壓力前池。原設(shè)計(jì)引水流量2.22m3/S，設(shè)計(jì)水頭74.20m，裝機(jī)容量1320kW（2x500kW+lx320kW）。工程以引水發(fā)電為主，并擔(dān)負(fù)下游山岔峽水電站引水調(diào)節(jié)任務(wù)。

2.2 機(jī)組存在的主要問(wèn)題

峽口水電站已投運(yùn)近20a，目前引水隧洞、進(jìn)水前池、輸水管道、過(guò)流流道和電站廠房等水工建筑物運(yùn)行性能良好，僅局部存在破損、性能降低問(wèn)題。而機(jī)電設(shè)備受當(dāng)時(shí)建造水平低、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、管理理念滯后等因素制約，在電站投運(yùn)以來(lái)問(wèn)題不斷且呈惡化發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)組長(zhǎng)期帶病運(yùn)行，發(fā)電效率和自動(dòng)化水平低、設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際不匹配、豐水期棄水嚴(yán)重、高能耗等，嚴(yán)重制約電站社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的穩(wěn)定發(fā)揮，同時(shí)還存在絕緣性能降低、防洪標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)等諸多安全隱患。

（1）電站裝機(jī)容量偏小，豐水期大量棄水。峽口水電站屬低壩引水的徑流式電站，無(wú)調(diào)節(jié)能力，裝機(jī)容量偏小，當(dāng)豐水期上游來(lái)水量超過(guò)電站所有機(jī)組引水流量上限時(shí)，多余流量就會(huì)從溢洪道直接下泄到下游。電站豐水期長(zhǎng)期處于棄水狀態(tài)，造成大量水能資源浪費(fèi)。

（2）設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際不匹配，機(jī)組效率低。峽口水電站原設(shè)計(jì)水頭低于實(shí)際水頭，發(fā)電水頭、過(guò)流能力等設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行工況間存在較大偏差，水輪機(jī)長(zhǎng)期遠(yuǎn)離最優(yōu)工況區(qū)運(yùn)行，出力受阻。另外，機(jī)組參數(shù)偏差、空蝕、磨損及變形等導(dǎo)致水輪機(jī)葉片過(guò)流曲面出現(xiàn)開(kāi)閉阻滯，以非平順狀態(tài)繞流，水力調(diào)節(jié)穩(wěn)定性差，已無(wú)法達(dá)到額定出力，效率逐年降低，年發(fā)電效益遞減。

（3）冷卻系統(tǒng)損壞嚴(yán)重，機(jī)組運(yùn)行能耗高。發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)損壞嚴(yán)重，一些電子元器件已屬于淘汰產(chǎn)品，無(wú)法找到合適替換元件。自機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，發(fā)電機(jī)冷卻性能一直較差，機(jī)組未達(dá)到額定出力溫度就已超高，只能處于非滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，導(dǎo)致水能資源浪費(fèi)。發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子絕緣等級(jí)偏低，為A/B級(jí)，存在耐電暈性能差、功率不穩(wěn)定、漏電等不正常狀態(tài)，對(duì)整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行和運(yùn)行維護(hù)人員人身安全埋下較大安全隱患。

2.3 水文分析及水能復(fù)核

鸚鴿水文站設(shè)立于1974年，在石頭河水庫(kù)壩址以上13km處，控制流域面積507km2。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)，測(cè)驗(yàn)的水文要素均被整編刊布，徑流資料連續(xù)完整，質(zhì)量較好，可信度高。流域的氣候條件相似，下墊面條件穩(wěn)定，無(wú)較大引水工程，對(duì)流域年徑流影響較小，年徑流資料一致性較好。

峽口水電站選用鸚鴿站1974-2014年共41a年徑流資料進(jìn)行水能復(fù)核，年徑流量過(guò)程線與趨勢(shì)線見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，在41a徑流資料系列中，豐水年年份有1980年、1981年、2003年，平水年年份有1988年、1999年等，枯水年年份有1997年、2006年。徑流系列在1974-1978年變化較為平緩，在1979-1985年呈上升趨勢(shì)，在1986-2014年呈下降趨勢(shì)，可見(jiàn)所選年徑流量系列中包含了豐、平、枯各種量級(jí)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9.70m3/S，多年平均徑流總量為306×l06m3。采用水文比擬法并考慮面積修正計(jì)算峽口水電站不同頻率年徑流量，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，峽口水電站多年平均流量為2.14m3/S、多年平均徑流量為67.60x106m3，與電站原設(shè)計(jì)發(fā)電引水流量2.22m3/S、發(fā)電引水總量56xl06mi相差不大，說(shuō)明鸚鴿站實(shí)測(cè)水文系列資料的可靠性、一致性和代表性均較好。

為進(jìn)一步掌握電站水能特性，根據(jù)太白縣山岔峽水電開(kāi)發(fā)有限公司提供的2005-2014年逐月發(fā)電量統(tǒng)計(jì)值E和機(jī)組運(yùn)行工況記錄，按照式（4）進(jìn)行引用流量反算。結(jié)果表明：①發(fā)電運(yùn)行水頭H為73.15～73.85m，低于74.20m設(shè)計(jì)水頭，機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行在非高效工況區(qū)，效率較低：②機(jī)組綜合出力系數(shù)為7.05～7.80，雖然滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)出力系數(shù)（7.70）要求，但在現(xiàn)代制造水平基礎(chǔ)上，水輪發(fā)電機(jī)組整體效率可以達(dá)到88%，綜合出力系數(shù)可以達(dá)到8.70甚至更高，機(jī)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449.7萬(wàn)kW.h，年利用小時(shí)數(shù)高達(dá)5200h，年利用小時(shí)數(shù)大，電站裝機(jī)容量明顯不夠，長(zhǎng)期處于超發(fā)狀態(tài)，不僅水能利用效率低，而且對(duì)電站設(shè)備安全運(yùn)行不利，存在較大擴(kuò)容潛力：④經(jīng)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(lái)水流量.說(shuō)明發(fā)電量反算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，電站在豐水期棄水流量高達(dá)1.2m3/S，擴(kuò)容空間較大。

2.4 裝機(jī)容量選取

根據(jù)相關(guān)參數(shù)分析，結(jié)合電站工程特性，計(jì)算來(lái)水逐月動(dòng)能，獲得電站裝機(jī)容量一多年平均發(fā)電量和電站裝機(jī)容量一年利用小時(shí)數(shù)間的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2。

由圖2可知，反算獲得的電站裝機(jī)容量一多年平均發(fā)電量關(guān)系曲線，能真實(shí)反映發(fā)電量隨裝機(jī)容量增大而增大且其增幅逐漸減小的特性。為獲得最佳裝機(jī)方案，必須尋找裝機(jī)容量與發(fā)電量間的最優(yōu)匹配組合。采用二階導(dǎo)數(shù)求曲線反曲點(diǎn)（由正比關(guān)系變反比關(guān)系的拐點(diǎn)），在裝機(jī)容量為1650kW時(shí)裝機(jī)與發(fā)電量關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，即單從裝機(jī)容量和發(fā)電量來(lái)看，1650kW是峽口水電站最優(yōu)裝機(jī)。但綜合考慮機(jī)槽特征、機(jī)組功率序列和綜合投資，最終確定峽口電站總裝機(jī)為1580kW（2x630kW+lx320kW），年發(fā)電量502萬(wàn)kW.h。此時(shí)，年利用小時(shí)數(shù)為3180h，滿(mǎn)足小水電站增效擴(kuò)容改造要求大于3000h的技術(shù)指標(biāo)要求。

擴(kuò)容改造后，峽口水電站設(shè)計(jì)引用流量由2.22m3/S增大到2.66m3/S。為確保電站調(diào)度運(yùn)行具有較高經(jīng)濟(jì)性，需根據(jù)前池來(lái)水量合理優(yōu)化工作機(jī)組組合。由徑流分析知，峽口水電站前池多年平均來(lái)水流量為2.14m3/S，超過(guò)2.66m3/S的發(fā)生頻率為57.8%，也就是豐水期尚有部分棄水，改造后3臺(tái)機(jī)組相互間影響很小?？菟?1月至次年3月，前池平均來(lái)水流量為1.27m3/S，占最大引用流量的48%，雖不滿(mǎn)足3臺(tái)機(jī)組全部正常運(yùn)行，但可優(yōu)化采取2臺(tái)機(jī)組或320kW小機(jī)單機(jī)組運(yùn)行組合，充分利用水能資源。

根據(jù)水能特性曲線及設(shè)計(jì)指標(biāo)，最終確定裝機(jī)容量為1580kW，比原來(lái)裝機(jī)擴(kuò)容260kW，容量增大比例為19.7%。改造后年發(fā)電量由改造前的449.7萬(wàn)kW.h增大到502.0萬(wàn)kW.h，年利用小時(shí)數(shù)由5200h降低到3180h，增效明顯。

2.5 機(jī)組選型

根據(jù)水利部下發(fā)的“農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造”相關(guān)文件，增效擴(kuò)容改造機(jī)型選擇基本原則為：臺(tái)數(shù)應(yīng)保持與原臺(tái)數(shù)不變，機(jī)型及布置要匹配原廠房結(jié)構(gòu)及機(jī)坑建筑物。峽口水電站水頭波動(dòng)范圍為73.1～75.3m，設(shè)計(jì)水頭確定為74.2m。電站1#和2#水輪機(jī)容量由500kW增大到630kW，3#水輪機(jī)容量320kW保持不變。

峽口水電站工作水頭為74.2m，屬混流式水輪機(jī)適用水頭范圍（30～700m），宜優(yōu)選混流式機(jī)組。根據(jù)額定水頭和單機(jī)容量，查水輪機(jī)型譜，初選水輪機(jī)型式為630kW機(jī)組（推薦HLA550-WJ，備選HLA542-WJ）、320kW機(jī)組（推薦HLA542-WJ，備選HLD54-WJ）。通過(guò)計(jì)算水輪機(jī)出力、單位流量和工作驗(yàn)算范圍等特性參數(shù)來(lái)合理確定轉(zhuǎn)輪優(yōu)選方案。

根據(jù)模型轉(zhuǎn)輪單位流量及工作水頭，確定推薦及備選轉(zhuǎn)輪均為標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速n=1000r/min。根據(jù)水輪機(jī)綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線計(jì)算得到不同流量及水頭工況條件下的運(yùn)轉(zhuǎn)特性數(shù)據(jù)，對(duì)比分析結(jié)果如下。

（1）630kW機(jī)組。①HLA550-WJ水輪機(jī)工作范圍在高效區(qū)，其最高模型效率可達(dá)93%，與備選機(jī)型HLA542-WJ相比，差異甚小，但HLA542-WJ額定工況點(diǎn)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，HLA550-WJ機(jī)型工作效率高，且工作范圍及運(yùn)轉(zhuǎn)特性范圍均更接近于高效區(qū)：③抗空蝕性方面，兩種機(jī)型幾乎相當(dāng)。

（2）320kW機(jī)組。HLA542-WJ水輪機(jī)工作范圍在高效區(qū)，其最高模型效率可達(dá)93%，性能優(yōu)于HLD54-WJ；②在同樣水頭且額定出力工況下，HLA542-WJ機(jī)型效率高且工作范圍好，更能適應(yīng)不同運(yùn)轉(zhuǎn)工況：③抗空蝕性方面，HLA542-WJ更好，空蝕系數(shù)較小。

峽口水電站增效擴(kuò)容改造優(yōu)選性能較好的HLA550-WJ-60和HLA542-WJ-50水輪機(jī)及其配套的SFW-630-6/990和SFW-320-6/740發(fā)電機(jī)。同時(shí)，經(jīng)吸出高程、過(guò)流能力、調(diào)節(jié)保證和結(jié)構(gòu)應(yīng)力適應(yīng)性等復(fù)核計(jì)算，結(jié)果表明所選水輪機(jī)機(jī)型及配套發(fā)電機(jī)均能滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 結(jié)論

農(nóng)村小水電站增效擴(kuò)容改造是水能資源合理開(kāi)發(fā)、減少水損、提高機(jī)組綜合能效、增加效益、降低運(yùn)行能耗、節(jié)能減排的再創(chuàng)造過(guò)程。水能復(fù)核及機(jī)組選型是增效擴(kuò)容計(jì)算分析的關(guān)鍵內(nèi)容，也是工程改造后能否取得預(yù)期效益的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。結(jié)合工程特性和運(yùn)行現(xiàn)狀，根據(jù)實(shí)測(cè)徑流資料水能復(fù)核及發(fā)電量反算關(guān)系，對(duì)峽口電站增效擴(kuò)容潛力進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算分析，并經(jīng)曲線二階求導(dǎo)獲得裝機(jī)容量與發(fā)電量間的最優(yōu)匹配參數(shù)。改造工程實(shí)施后，電站棄水量大、機(jī)組效率低等問(wèn)題得到成功解決，發(fā)電效益得到明顯提高。峽口電站改造方案具有較高科學(xué)性、合理性和可行性，可為有實(shí)測(cè)徑流資料的無(wú)調(diào)節(jié)低壩引水式水電站的增效擴(kuò)容改造方案設(shè)計(jì)提供一定參考。