(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 崇州，611231)

1 項目背景及意義

在全球發(fā)展綠色能源的大趨勢之下，加強小型水電站增效擴容改造項目建設(shè)，不僅能夠提高水能資源利用效率，獲得較理想的改造收益，還能在改造過程中有效地改善河流生態(tài)環(huán)境，消除安全隱患，實現(xiàn)“以水發(fā)電，以電護綠，以綠涵水”的良性循環(huán)。由此，中央財政從可再生能源專項資金中安排資金對全國農(nóng)村小水電進行增效擴容改造，以促進小水電行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，充分發(fā)揮其綜合效益，也達到節(jié)能降耗的環(huán)境保護作用[1]。

川西某水電站存在水能資源利用不充分、電能損耗高、發(fā)電綜合效能降低、運行安全隱患較多等問題，在全面復(fù)核計算水能的基礎(chǔ)上進行技術(shù)升級改造，可讓水電站社會經(jīng)濟效益得到提升。

2 水電站概況及增效擴容改造的必要性

2.1 水電站概況

川西某水電站位于川西平原的都江堰市境內(nèi)，它是1987年初投產(chǎn)發(fā)電的灌溉河道上無調(diào)節(jié)徑流式河床電站。主要由取水樞紐、引水渠道、壓力前池、發(fā)電廠房及尾水渠道組成，進水口接岷江支流灌溉河渠的進水閘，尾水與下一電站進水口相接，原設(shè)計進水口水位為714.81m，前池蓄水位為714.63m，尾水位為706.21m，工作水頭為7.5m，引用流量50m3/s，總裝機容量3×1000kW，主要任務(wù)為灌溉、輸水和發(fā)電。

1989年由水電站廠方提出，并經(jīng)屬地相關(guān)政府部門同意，在基本不改動電站原有建筑物和不影響原機組發(fā)電的條件下，擴建一臺200kW的小型機組。故電站共有機組4臺，分別是3臺1000kW和1臺200kW的機組，總裝機容量為3200kW。

2.2 電站現(xiàn)狀分析

2.2.1 電站運行不安全

該水電站投入生產(chǎn)運行后，由于最初設(shè)計無備用電源，每當遇到電網(wǎng)系統(tǒng)甩負荷時，全廠所有交流電源立即消失，造成前池的泄洪閘、沖砂閘均不能及時開啟，從而給電站安全運行構(gòu)成嚴重威脅。同時該電站使用的水輪機組型號老、性能落后、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護維修麻煩；交流同步發(fā)電機年代久遠、效率低；鋁芯升壓主變壓器型號老、損耗高，尤其是200kW小機組的機電設(shè)備更是隱患突出，生產(chǎn)運行嚴重不安全。根據(jù)《小型水電站機電設(shè)備報廢條件》要求，主要發(fā)電設(shè)備都需要更新?lián)Q代。

2.2.2 水能資源利用不充分

電站經(jīng)過30余年的運行，監(jiān)測到電站壩址多年平均流量為49.7m3/s。電站原總裝機3200kW，最大設(shè)計引用流量為55m3/s，棄水量較多，水量利用率為82%，對本段河流的水能資源利用不充分。

2.2.3 水頭利用不足

2009年有關(guān)勘測設(shè)計單位在對灌溉河渠整治工程設(shè)計中，采用了對灌溉河渠節(jié)制閘、電站進水閘進行修復(fù)并加高94cm，灌溉河渠進水閘正常水位就變?yōu)?16.30m，同期對電站進水口至前池兩岸河堤進行了加固、加高處理。因當初電站設(shè)計的正常取水口水位是714.81m，這樣就有灌溉河渠進水閘至電站取水口河段1.49m的落差沒有得以利用，但電站原前池的溢流堰沒有加高，從而使取水口加高的水頭沒有得到利用，已有水頭未充分利用。

2.2.4 變壓器為落后淘汰產(chǎn)品

該水電站原有一臺升壓主變壓器為S7-4000/35型，兩臺廠用變壓器為S7-100/6型、S7-100/35型。S7型號系列變壓器是鋁芯油浸式，能耗高、變損大，況且經(jīng)過多年運行后設(shè)備陳舊、絕緣老化，屬國家電力設(shè)備相關(guān)規(guī)范要求中明令淘汰的落后產(chǎn)品。按有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，鋁芯高耗能變壓器應(yīng)更換成S11型低耗節(jié)能型變壓器，需對主變、廠變進行更新淘汰。

2.2.5 綜合能效利用不足

2009年該電站經(jīng)“5·12”汶川大地震后進行了重建，對1-3號水輪發(fā)電機組的監(jiān)控保護設(shè)施、輔助控制保護設(shè)備、高壓開關(guān)柜等進行了微機自動化改造。但由于重建時未對流量和水頭都進行提升，導(dǎo)致單機出力不足1000kW，4號200kW的小水輪機組廠房也因地震破壞使局部墻體開裂、基礎(chǔ)下沉，造成機組無法運行。該電站改造前5年的平均發(fā)電量僅為1932.37萬kW·h(詳見表1)，與原設(shè)計的2100萬kW·h相比，降低了約8%的綜合能效。

表1 川西某電站2006-2010年度發(fā)電量統(tǒng)計 單位：萬kW·h

2.3 增效擴容改造的必要性

2.3.1 生態(tài)環(huán)境保護的需要

該電站位于國家級城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境區(qū)內(nèi)，自然生態(tài)環(huán)境在汶川“5·12”特大地震中受損嚴重。增效擴容項目首先是立足于電站的運行狀況及工程特性作詳細的水能復(fù)核計算，通過優(yōu)選高效新型水輪發(fā)電機組，提高水能轉(zhuǎn)化效率，適當擴大機組容量來充分挖掘現(xiàn)有水力資源的發(fā)電潛力，在起到保護和改善周邊生態(tài)環(huán)境作用的同時還能改變當?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)。因此，電站增效擴容是非常必要的。

2.3.2 電站安全生產(chǎn)運行的需要

電站機電設(shè)備因運行時間長，老化嚴重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而維護維修不便；變壓器型號老、損耗高，運行安全隱患較多；水輪發(fā)電機組設(shè)備設(shè)施在保護、控制、操作等方面也落后于時代發(fā)展，不滿足運行安全管理規(guī)范要求。通過增效擴容，既可淘汰與改善電站老舊落后電氣設(shè)備，也能提高綜合工況效率和生產(chǎn)安全可靠性。

2.3.3 充分利用水能資源的需要

電站自建成以來已運行多年，由于機組老化，效率低，棄水量較多，綜合能效低于76%。經(jīng)過擴容技術(shù)改造，可將電站原55m3/s的引用流量擴大為66m3/s，水頭由原來設(shè)計的7.5m提高到8.2m以上，單臺大機組的出力提高到1250kW，4號小機組利用大機組使用后剩余的10m3/s流量，也能將機組容量提升。技改后更能充分利用汛期徑流，水輪發(fā)電機組綜合能效達83%以上。

3 增效擴容改造方案

按照水利部下發(fā)的《農(nóng)村水電增效擴容改造有關(guān)要求》等有關(guān)文件，增效擴容改造機型選擇基本原則為：臺數(shù)應(yīng)保持與原臺數(shù)不變，機型及布置要匹配原廠房結(jié)構(gòu)與機坑建筑物。在水能復(fù)核及裝機容量確定的基礎(chǔ)上，通過對水輪機機型進行比選，優(yōu)選技術(shù)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[2]。

3.1 額定水頭的確定

由于地震后水利工程修復(fù)加高了94cm的原因，該電站取水口水位已由原設(shè)計的714.81m變?yōu)?15.75m。通過技改使動力渠道和前池溢流堰加高、加寬，前池水位由714.63m變?yōu)?15.58m，可利用水頭增加了0.95m，額定水頭增加了0.65m。

依據(jù)該電站徑流資料，按相關(guān)水能算法核算，可得其壓力前池最高水頭為9.94m，最低水頭為7.86m，年加權(quán)平均水頭為8.43m，汛期的加權(quán)平均水頭為8.21m。由于該電站屬于河床式低水頭電站，根據(jù)現(xiàn)有水頭特性，同時考慮到電站在當?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)中的作用，為減少機組水頭受阻，采用略小于汛期加權(quán)平均水頭，綜合確定電站額定水頭為8.15m。

3.2 裝機容量的選擇

通過對該電站1-3號機組的流道過水能力進行計算，流道的最大過水能力為56m3/s。按電站額定水頭為8.15m，根據(jù)出力在某一運行工況條件下電站發(fā)出的電能功率公式：

N=9.81η機η電QH=AQH

式中：η為水輪發(fā)電機組總效率；A為電站綜合出力系數(shù)[3]。

經(jīng)計算得到電站裝機總?cè)萘浚篘=9.81×0.88×0.96×56×8.15=3782kW，確定1-3號裝機容量為3750kW。

技改后的引水流量為66m3/s，1-3號機組使用56m3/s流量后尚剩余流量10m3/s，可多出675kW出力，因而4號裝機容量確定為630kW。

3.3 水輪機組型號選擇

該電站技改確定額定水頭為8.15m，裝機容量為3×1250kW+1×630kW。根據(jù)該電站情況來選擇水輪機型號，宜采用軸流定槳式水輪機。經(jīng)對國內(nèi)現(xiàn)有水輪機機型分析，吸取同類型、同水頭的水輪機選型經(jīng)驗，大機組推薦使用ZDJP502-LH-180，小機組采用ZDJP502-LH-140。

3.4 上網(wǎng)形式及主變的選擇

按照電網(wǎng)對電站上網(wǎng)要求，原有上網(wǎng)關(guān)系、電壓等級、上網(wǎng)點均不變，主接線應(yīng)滿足運行靈活可靠、操作簡單。擴容技改后1-3號機組采用單母線接線，4號機組與前3臺機組構(gòu)成6.3kV的擴大單元接線，通過一臺S11-6300/35型號的主變升壓至35kV；然后采用變壓器-線路單元接線方式與35kV電網(wǎng)連接。

4 經(jīng)濟效益

增效擴容后電站裝機容量4380kW，新增裝機1180kW，裝機年利用小時數(shù)達到5919h，較技改之前年均發(fā)電量增加了660.14萬kW·h(詳見表2)，提高了34%。

表2 川西某水電站技改后發(fā)電量統(tǒng)計 單位：萬kW·h

以上網(wǎng)電均價為0.22元/kW·h進行計算，年均增收電費145.2萬元，扣除電力產(chǎn)品增值稅17%、城市維護建設(shè)稅5%和教育費附加3%，以及人工、維修、折舊等費用，電站每年凈增收入約為92萬元。

如以燃煤火電為替代電源，按火電每kW·h耗標準煤310g計算，并考慮5%的火電廠用電，項目地區(qū)每年可節(jié)約用煤214萬t，減少一氧化碳、二氧化碳、煙塵、二氧化硫等污染氣體排放約3134t，對減輕環(huán)境污染、保護生態(tài)環(huán)境具有較大作用。

5 結(jié)論

(1)該電站為灌溉河渠梯級開發(fā)的第一級電站，灌溉河渠上游流量大，比降較陡，水能資源豐富，擴容增效符合區(qū)域水能資源開發(fā)利用規(guī)劃要求，改造后水輪發(fā)電機組綜合能效提升到83%以上。

(2)擴容增效改造后，電站將單機1000kW的機組增容為1250kW，小機組容量由200kW擴容為630kW，總裝機容量為4380kW，增加裝機容量1180kW，年均發(fā)電量2592.51萬kW·h，增加年發(fā)電量660.14萬kW·h，年增加凈收入92萬元，獲得了較好的經(jīng)濟和社會效益。

(3)擴容改造后原上網(wǎng)方式不變，充分滿足了主接線運行靈活可靠、操作簡單、技術(shù)領(lǐng)先、經(jīng)濟合理等要求，其監(jiān)控方式采用“無人值守(少人值班)運行方式”，進一步提高了水電站綜合自動化系統(tǒng)水平。

綜上所述，該水電站資源條件好，對外交通方便，具有良好的增效擴容條件，增效擴容后將水力資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟優(yōu)勢，促進了當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展，緩解了水電站周邊范圍電力緊張的狀況，同時對改變當?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)，保護和改善生態(tài)環(huán)境都起到了非常重要的作用。