高 哲

（西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程管理中心，陜西 西安 710018）

1 水電站簡(jiǎn)介及發(fā)電擴(kuò)容思想

西安市引湑濟(jì)黑水電站（以下簡(jiǎn)稱水電站）是西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程的組成部分，屬于西安黑河區(qū)域保留整改提升的水電站。水電站工程設(shè)施設(shè)備屬于國有資產(chǎn)，地處黑河源頭，于2011年建成投產(chǎn)運(yùn)行，具體位于西安周至縣厚畛子鎮(zhèn)釣魚臺(tái)村黑河上游五里河，水電站為徑流式電站，發(fā)電水流源于無壓調(diào)水隧洞，經(jīng)隧洞出水口壓力鋼管引入水輪機(jī)，后流入黑河上游河道。水電站水頭40 m，裝機(jī)容量2×320 kW，單臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電需水量1.02 m3/s，設(shè)計(jì)發(fā)電年利用小時(shí)數(shù)為5115 h，年設(shè)計(jì)發(fā)電量167萬kW·h。發(fā)電上網(wǎng)匹配電壓等級(jí)10 kV，變配電于33 km處的周至縣沙梁子變電所管理。

按照西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程的初步設(shè)計(jì)報(bào)告[1]，引湑濟(jì)黑調(diào)水工程是一個(gè)跨流域調(diào)水工程，調(diào)水水源隸屬長(zhǎng)江流域漢江水系的湑水河，是將秦嶺南麓長(zhǎng)江流域的湑水河水調(diào)入黃河流域的渭河支流黑河，經(jīng)黑河水庫調(diào)節(jié)后補(bǔ)充西安市城區(qū)生活、工業(yè)用水。該項(xiàng)目于2007年開工，2010年8月已基本完成了電站、引水樞紐和管理設(shè)施等附屬工程，工程輸水隧道實(shí)現(xiàn)全線貫通。水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備折舊年限為10年，目前已運(yùn)行10年，設(shè)備運(yùn)行即將屆滿經(jīng)濟(jì)年限?；?014年～2019年6年的實(shí)調(diào)水量、發(fā)電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在水電站現(xiàn)有壓力鋼管不變的條件下，按照《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組更新擴(kuò)容，最大化利用豐水期調(diào)水水能資源，提升發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)國有資產(chǎn)增值。

2 水電站壓力鋼管的最大過流條件約束

2.1 水電站壓力鋼管現(xiàn)狀

水電站現(xiàn)有壓力鋼管直徑900 mm、厚度14 mm，長(zhǎng)70 m，水頭40 m。按照《西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，此壓力鋼管的流量可為3 m3/s～5 m3/s。水電站壓力前池通過引水隧洞（引水隧洞設(shè)計(jì)最大流量10 m3/s）貫通上游的引水樞紐，引水樞紐控制流域面積為125 km2，區(qū)域年降雨量為860 mm，降雨集中在每年5月～10月的豐水期。

水電站現(xiàn)有2臺(tái)320 kW的臥式混流式發(fā)電機(jī)組，發(fā)電功率最大為640 kW，推算壓力鋼管對(duì)應(yīng)的水流量為2.04 m3/s。

2.2 壓力鋼管最大過水流量

按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中壓力鋼管明管水力計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合一般經(jīng)驗(yàn)，明管內(nèi)壓30 m～70 m，流速約3 m/s～6 m/s。

若將壓力管道內(nèi)部流速按照V=5.0 m/s計(jì)算時(shí)，此時(shí)壓力鋼管的流量，滿足設(shè)計(jì)報(bào)告中壓力鋼管設(shè)計(jì)流量3 m3/s～5 m3/s的要求，則水電站的出力可達(dá)W=

2.3 現(xiàn)有壓力鋼管的理論擴(kuò)容量

由2.1與2.2可知，現(xiàn)有的壓力鋼管可滿足954 kW的發(fā)電需要的過水流量，但目前水電站2臺(tái)發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電只能達(dá)到640 kW，可擴(kuò)容314 kW。在現(xiàn)有壓力鋼管安全運(yùn)行條件下，具備擴(kuò)容能力。

3 發(fā)電機(jī)組更新擴(kuò)容的方案選用

要在實(shí)際中對(duì)水電站進(jìn)行擴(kuò)容，是要具備一定前提條件的。對(duì)水電站發(fā)電機(jī)組更新擴(kuò)容，是在現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組設(shè)備折舊期滿、經(jīng)濟(jì)使用壽命完成條件下，根據(jù)2014年～2019年6年實(shí)際真實(shí)的調(diào)水量、發(fā)電量數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有壓力鋼管等工程設(shè)施安全運(yùn)行條件、最小化代價(jià)下，研究分析論證方案。

1）方案一：水電站發(fā)電擴(kuò)容，更換壓力鋼管?，F(xiàn)有壓力鋼管與調(diào)水工程出水口壓力前池接口部位有閘門設(shè)施，退水陡坡，屬于調(diào)水工程出水口核心部位。在原工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行變更，需原設(shè)計(jì)單位重新設(shè)計(jì)論證，方案經(jīng)上級(jí)主管部門批復(fù)同意后實(shí)施。施工過程中需要更換壓力鋼管、發(fā)電機(jī)組，安裝相應(yīng)配套的電力電屏操作柜、電力開關(guān)設(shè)施、電力線路等，工程改建程序多，土建與水電工序交接多，施工工程量大，資金投入較多。

2）方案二：水電站發(fā)電擴(kuò)容，不更換壓力鋼管，僅更換水輪發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)發(fā)電擴(kuò)容。需安裝匹配相應(yīng)水流的發(fā)電機(jī)組設(shè)備，安裝相應(yīng)的配電屏、開關(guān)、線路、變壓器等電力配套設(shè)施，整個(gè)變更過程的工程量較小，資金投入相對(duì)小。

3）通過對(duì)比，推薦選用方案二：不更換壓力鋼管，僅更換水輪發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)發(fā)電擴(kuò)容。擴(kuò)容后的最大發(fā)電水流量為壓力鋼管的最大限流3.18 m3/s，最大發(fā)電功率954 kW。

4 水電站擴(kuò)容后發(fā)電量計(jì)算

2014年～2019年，連續(xù)6年，其中含平水年，調(diào)水水流數(shù)據(jù)也更具有一般代表性，西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程2014年～2019年每月日均調(diào)水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程月均調(diào)水量統(tǒng)計(jì)（2014年～2019年） 單位：m3/s

其中，超過發(fā)電機(jī)組額定功率2臺(tái)320 kW所需額定水流2.04 m3/s的部分，按照終端水輪機(jī)組用水流量，以2.04 m3/s計(jì)算，見表2。由表2最后一行可知發(fā)電機(jī)實(shí)際用水流量。

表2 西安市引湑濟(jì)黑水電站發(fā)電水流量統(tǒng)計(jì)（2014年～2019年） 單位：m3/s

由表2可知，在2014年～2019年6年調(diào)水期間，發(fā)電機(jī)組發(fā)電所需額定水流量，均小于壓力鋼管最大過水流量5 m3/s。并且，在一年中有7個(gè)月（4月～10月），發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)額定水流量均小于調(diào)水流量，調(diào)水流量未能全部參與發(fā)電，水能資源未充分用于發(fā)電，出現(xiàn)流失浪費(fèi)。直接判定，更換現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電擴(kuò)容，是可行的，也是能產(chǎn)生最大化發(fā)電收益的。

用壓力鋼管的最大過水量3.18 m3/s，來選型水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電容量則可以擴(kuò)至954 kW，考慮發(fā)電功率因數(shù)0.8。

現(xiàn)有2臺(tái)相同水輪機(jī)型號(hào)均為HLD46-WJ-55，每臺(tái)額定水頭1.02m3/s，出力344kW。2臺(tái)發(fā)電機(jī)型號(hào)均為SFWE-K320-8/850，輸出電壓400 V，勵(lì)磁裝置SFZL-320/8，調(diào)速器SDT-300，閥門型號(hào)Z945T-0.6DG600，控制屏BKF-3/320，采用直聯(lián)方式連接。

通過閱讀《水輪發(fā)電機(jī)原理及運(yùn)行》中第8篇水輪發(fā)電機(jī)增容改造[4]，按照《中小型水電站電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]，選用相近的混流式水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)，找到2臺(tái)水輪機(jī)型號(hào)均為HL180-WJ-60，出力547 kW，每臺(tái)對(duì)應(yīng)水頭39 m，額定水流1.634 m3/s。配套2臺(tái)發(fā)電機(jī)型號(hào)均為SFW 500-8/990，輸出電壓400 V，勵(lì)磁裝置SCR，調(diào)速器YT300，閥門型號(hào)Z941H-1.0，直徑Ф600，采用直聯(lián)方式連接。

按照以上參數(shù)對(duì)2臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)容更新，更新匹配相應(yīng)的勵(lì)磁、調(diào)速器、水流閥門、配電屏、電力開關(guān)、低壓線路，升壓變壓器等，可擴(kuò)容360 kW，即可將目前640 kW的水電站發(fā)電功率擴(kuò)容至1000 kW的目標(biāo)任務(wù)。

表3 西安市引湑濟(jì)黑水電站水輪機(jī)組更新擴(kuò)容后發(fā)電量預(yù)計(jì) 單位：m3/s

5 擴(kuò)容后結(jié)果與實(shí)際對(duì)比分析

選擇好新的匹配參數(shù)的水輪機(jī)組，2臺(tái)功率均為500 kW，擴(kuò)容至1000 kW。按照現(xiàn)有壓力鋼管計(jì)算發(fā)電量時(shí)，以壓力鋼管最大過流量3.18 m3/s計(jì)算，見表3。對(duì)水電站水輪機(jī)組更新擴(kuò)容后的發(fā)電量進(jìn)行預(yù)計(jì)，在2014年～2019年6年的實(shí)際調(diào)水?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，逐月進(jìn)行仿真計(jì)算，得到年度發(fā)電量。

由表4可知，水電站擴(kuò)容后的發(fā)電量預(yù)計(jì)為496.32萬kW·h，是擴(kuò)容前年均發(fā)電量205.57萬kW·h的141.44%。

擴(kuò)容前后的發(fā)電效益計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知：擴(kuò)容后，發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益也相應(yīng)擴(kuò)大。

表4 西安市引湑濟(jì)黑水電站擴(kuò)容前后的發(fā)電效益對(duì)比

按照目前市場(chǎng)價(jià)格，1套水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、配套電力設(shè)備按照100萬元投資成本計(jì)算，2套約合200萬元固定資產(chǎn)成本。而更新發(fā)電機(jī)組擴(kuò)容運(yùn)行后，1年的經(jīng)濟(jì)收益可達(dá)158萬元，投資200萬元的固定資產(chǎn)只需要1.5年左右周期就能收回成本，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^，是值得投資的。故水電站的發(fā)電量擴(kuò)容，不僅能滿足技術(shù)上的條件許可，而且也能獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。借助水電站固定資產(chǎn)設(shè)備10年折舊期滿之機(jī)，可進(jìn)行更新發(fā)電機(jī)組設(shè)施設(shè)備，發(fā)電擴(kuò)容對(duì)水電站的運(yùn)營管理、國有資產(chǎn)的保值增值具有明顯積極的現(xiàn)實(shí)意義。

6 結(jié)論

（1）通過對(duì)引湑濟(jì)黑調(diào)水工程調(diào)水流量的實(shí)際統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在豐水期，現(xiàn)有水輪機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)，部分水能資源溢出水電站壓力前池，未能充分參與發(fā)電，水能資源流失。

（2）現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)使用壽命屆滿之際，在水電站現(xiàn)有壓力鋼管不變的條件下，可對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組更新擴(kuò)容，采用同類別不同容量的臥式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電容量由現(xiàn)有2臺(tái)320 kW擴(kuò)容至2臺(tái)500 kW。

（3）分析判定，水電站的發(fā)電量擴(kuò)容，不僅能滿足技術(shù)上的條件許可，而且也能獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。更新現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電擴(kuò)容，對(duì)水電站的運(yùn)營管理、國有資產(chǎn)的保值增值具有明顯積極的現(xiàn)實(shí)意義。

（4）擴(kuò)容后預(yù)計(jì)，水電站每年發(fā)電收益增加了141.44%，擴(kuò)容的投資費(fèi)用將在1.5年左右收回成本，經(jīng)濟(jì)效益可觀，可實(shí)現(xiàn)國有資產(chǎn)增值。