劉軍偉

（新疆伊犁州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 伊寧835000）

0 引言

小水電作為一種清潔可再生能源，對(duì)于農(nóng)村新興經(jīng)濟(jì)體發(fā)展有著重要的助力作用。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)已投入使用的中小型水電站數(shù)量超過4.7×104座，年發(fā)電量也超過了2683×108kW·h，對(duì)支持地方建設(shè)發(fā)揮著重要的能源載體作用。然而，受當(dāng)時(shí)建設(shè)技術(shù)條件和設(shè)備因素以及后期管理維護(hù)等方面的影響，2000前建成的小水電當(dāng)中，大多存在技術(shù)水平落后、設(shè)備老化嚴(yán)重、產(chǎn)能效率低下、安全管理要求不達(dá)標(biāo)等問題，極大地造成了水資源的浪費(fèi)，同時(shí)在安全和經(jīng)濟(jì)效益方面也有很大的缺陷，急需進(jìn)行升級(jí)改造。本文以東風(fēng)水電站為例，對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)容增效水能復(fù)核并提出體改方案。

1 工程概況

東風(fēng)水電站位于新疆鞏留縣境內(nèi)縣城以東11 km，阿尕爾森鄉(xiāng)二道灣村。該電站始建于1985年5月，1987年8月投入運(yùn)行。發(fā)電機(jī)出口電壓為6.3 kV，電站并網(wǎng)電壓等級(jí)110 kV，聯(lián)網(wǎng)到鞏留縣三鄉(xiāng)220 kV變電站。水電站自特克斯河恰甫其海山口引水，利用團(tuán)結(jié)渠，在干渠樁號(hào)13 km處引水發(fā)電，尾水退北支干灌區(qū)，多余水量退東風(fēng)排干，泄入伊犁河，是一項(xiàng)灌溉結(jié)合發(fā)電的綜合性工程。水電站發(fā)電機(jī)機(jī)組共三組（1#～3#），總裝機(jī)容量為4500 kW，其中1#～2#裝機(jī)容量為2×1250 kW，機(jī)組水頭為32.344 m；3#裝機(jī)容量為2000 kW，機(jī)組水頭為35.543 m。水電站機(jī)電設(shè)備為20世紀(jì)80年代產(chǎn)品，技術(shù)水平落后，產(chǎn)品陳舊老化，機(jī)組效率偏低，安全隱患偏高，不符合現(xiàn)代水電站綜合信息自動(dòng)化管理需求，需通過增效擴(kuò)容把機(jī)電設(shè)備更換為新式產(chǎn)品。

受到原有輸水系統(tǒng)、地質(zhì)條件、廠房結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)組安裝高度等條件的影響，東風(fēng)水電站增效擴(kuò)容需要結(jié)合實(shí)際條件，在達(dá)到增效擴(kuò)容改造目的的前提下，著重做好水能復(fù)核確定擴(kuò)容幅度、機(jī)組選型以及機(jī)型適應(yīng)性分析等內(nèi)容，保證升級(jí)改造后的發(fā)電機(jī)組具有很好的適應(yīng)性，滿足發(fā)電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2 水能復(fù)核及確定擴(kuò)容幅度

2.1 水能復(fù)核

徑流計(jì)算對(duì)于水力效益發(fā)揮、水電站建筑物布置及結(jié)構(gòu)優(yōu)化有著重要的意義，水電站增效擴(kuò)容改造工程中，也可結(jié)合水電站多年發(fā)電量反算獲得發(fā)電引用流量。發(fā)電引用流量Qi函數(shù)表達(dá)式為[1～3]：

選取1989年～2014年26年過流量資料進(jìn)行水能復(fù)核，其年均過流量為10.058 m3/s。電站多年平均發(fā)電量為3168.2萬kW·h，年利用小時(shí)數(shù)7040 h。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（1）進(jìn)行引用流量反算，得到以下四個(gè)方面結(jié)果：①1#～2#機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭低于其設(shè)計(jì)水頭32.3 m3/s，且3#機(jī)組運(yùn)行水頭也長(zhǎng)期低于設(shè)計(jì)水頭，水電站機(jī)組長(zhǎng)期在非高效工況區(qū)運(yùn)行，運(yùn)行效率偏低；②發(fā)電機(jī)組綜合出力系數(shù)在7.12～7.83，滿足設(shè)計(jì)要求，但經(jīng)過升級(jí)改造之后機(jī)組整體效率最高可以達(dá)到88%，出力系數(shù)平均可以達(dá)到8.5，原機(jī)組綜合出力情況不佳，升級(jí)改造后效益顯著；③電站多年平均發(fā)電量為3168.2萬kW·h，年利用小時(shí)數(shù)7040 h。年利用小時(shí)數(shù)較長(zhǎng)，而水電站現(xiàn)狀裝機(jī)容量則明顯不足，水能利用效率低，具有較好的擴(kuò)容潛力；④反算得到，同期發(fā)電引水發(fā)電流量小于電站上游過流量，表明反算結(jié)果數(shù)據(jù)可靠[4]。水電站豐水期棄水量達(dá)到了0.85 m3/s，具有較大的擴(kuò)容空間。

2.2 裝機(jī)容量選取

將東風(fēng)水電站多年平均引流量-頻率關(guān)系與豐水年引水流量-頻率關(guān)系進(jìn)行頻率組合，得到其發(fā)電流量日平均流量歷時(shí)關(guān)系。根據(jù)東風(fēng)水電站工程運(yùn)行特性，計(jì)算水電站機(jī)組來水逐月水能，進(jìn)而得到水電站機(jī)組裝機(jī)容量分別與多年平均發(fā)電量以及年利用小時(shí)數(shù)的關(guān)系曲線，見圖1。為確定最優(yōu)裝機(jī)容量數(shù)值，需通過曲線關(guān)系獲得裝機(jī)容量和發(fā)電量之間的最佳組合[5～6]。求解過程是獲得曲線的反曲線點(diǎn)，由圖1可知，在裝機(jī)容量為5500 kW時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，此值就是東風(fēng)水電站的最佳裝機(jī)方案。根據(jù)相關(guān)要求，農(nóng)村水電增效擴(kuò)容要求水工建筑物基本不動(dòng)，因此需要在3臺(tái)發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行升級(jí)改造。經(jīng)過水能計(jì)算，電站進(jìn)水閘、壓力前池、壓力水管等水工建筑物過水能力復(fù)核，裝機(jī)容量在5400 kW～5700 kW水能利用效率最高。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，擬把（1#～2#）機(jī)組由原來的2×1250 kW增至2×1500kW。3#機(jī)組由原來的1×2000kW增至1×2500kW，使總裝機(jī)達(dá)到2×1500 kW+1×2500 kW=5500 kW。電站多年平均發(fā)電量為3168.2萬kW·h，年利用小時(shí)數(shù)7040 h，通過增效擴(kuò)容后年理論發(fā)電量為4266萬kW·h，年利用小時(shí)數(shù)7756 h，可增加發(fā)電量1097.8萬kW·h。

圖1 東風(fēng)水電站水能特性曲線

3 水電站發(fā)電機(jī)型選擇

3.1 額定水頭

通過增效擴(kuò)容進(jìn)一步核算，設(shè)計(jì)流量由原來的17.5 m3/s，增至為 19.5 m3/s。（1#～2#）機(jī)組水頭原為32.344 m，現(xiàn)為33.374 m；3#機(jī)組水頭原為35.543 m，現(xiàn)為35.678 m。

3.2 機(jī)組增效擴(kuò)容型號(hào)及參數(shù)

（1）1#、2#機(jī)組增容改造轉(zhuǎn)輪。該電站原水輪機(jī)型號(hào)為HL240-WJ-84，海拔高度900 m。現(xiàn)擬對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行增容改造，升級(jí)1#-2#機(jī)組水頭為33.374 m，流量為5.6 m3/s，改造后發(fā)電機(jī)的出力能達(dá)到1500 kW。根據(jù)HL240的導(dǎo)葉相對(duì)高度b0/D1=0.365，可以替代的轉(zhuǎn)輪型號(hào)方案有三種，見表1。方案比選分析可知，方案三在最高模型效率、真機(jī)效率、最大過流量等方面都具有較高優(yōu)勢(shì)，因此1#、2#機(jī)組建議更換轉(zhuǎn)輪為HL3605C-WJ-84，轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為ZG06Cr13Ni5Mo。

表1 設(shè)計(jì)水頭為33.374m時(shí)1#～2#機(jī)組轉(zhuǎn)輪型號(hào)方案

（2）3#機(jī)組增容改造轉(zhuǎn)輪。電站3#機(jī)組原水輪機(jī)型號(hào)為HLA551-WJ-100，海拔高度900 m，現(xiàn)擬對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行增容改造，升級(jí)3#機(jī)組水頭為35.678 m，流量為8.28 m3/s，改造后發(fā)電機(jī)的出力能達(dá)到2500 kW。HLA551導(dǎo)葉相對(duì)高度為0.304，可替代的轉(zhuǎn)輪型號(hào)方案有一種，將之與原方案對(duì)比見表2。由表2可知，新方案中最大過流量時(shí)發(fā)電機(jī)出力有明顯增加，建議3#機(jī)組選擇HLA551C-WJ-100型號(hào)水輪機(jī)。

表2 設(shè)計(jì)水頭為35.678m時(shí)

3.3 調(diào)節(jié)保障計(jì)算

1#、2#機(jī)組吸出高度為1.3 m，調(diào)速器建議采用分段關(guān)閉措施，第一段關(guān)閉時(shí)間4 s，第二段關(guān)閉時(shí)間10 s，壓力和速率均上升49%，滿足要求。3#機(jī)組吸出高度為1.8 m，調(diào)速器關(guān)閉時(shí)間4.5 s，壓力和速率均上升50%，可滿足要求。

4 結(jié)語

東風(fēng)水電站始建于上世紀(jì)九十年代，現(xiàn)階段存在水能利用率低、發(fā)電效益差、設(shè)備老化等問題。通過水能復(fù)核得到東風(fēng)水電站具有較大的可擴(kuò)容空間，但受水工建筑物的影響，確定電站裝機(jī)容量為5500 kW（2×1500 kW+1×2500 kW）。電站裝機(jī)容量增加1000 kW，多年平均發(fā)電量理論增加1097.8 kW·h，年利用小時(shí)數(shù)增加716 h，大幅提高了水能利用和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)選的1#、2#機(jī)組轉(zhuǎn)輪為HL3605C-WJ-84，3#機(jī)組水輪機(jī)型號(hào)選擇HLA551C-WJ-100，運(yùn)行效率高，可提高發(fā)電運(yùn)行的增效電量和滿足電站高效調(diào)節(jié)運(yùn)行需求，具有較強(qiáng)的匹配性和適應(yīng)性。