山区农村小水电站设计分析

周 率

(遵义市赤水市水利局，贵州遵义564700)

0 引言

山区小水电站是农村的重要基础设施和公共设施，是由地方组织实施的各种所有制经济主体通过开发农村水能资源形成的中小水电站及其配套电网，服务区域主要是农村和县域经济社会的发展。我国的山区农村小水电是加快农村地区经济发展、提高农民生活水平的重要途径。随着农村经济的发展，人们的生活方式发生着日新月异的变化，电力需求也不断增大。尤其在山区农村都把发展水电，加快电气化建设，作为实现农业和农村现代化的主要途径，因此，人们对山区农村小水电的发展也更加关注。

1 成因及分析

山区农村小水电站有的建成年代早，在设计时不同程度存在一些不合理因素。主要表现在以下4个方面:①多处小水电站的装机容量偏小，没有经过精确计算，影响了发电效率。②水轮发电机组选型不当，发电模式不合理。③励磁系统不能适应并网运行。④水能资源利用率低，水电站的经济效益低。

通过以上调查，分析出有以下4点原因:①在设计上没有充分的掌握水文资料，对地势和山形等地理概况了解不全面。②电站的设计方案没有体现科学合理。③电站的主要设备选型也不够合理。④自动化程度和环保节能没有达到水利部《农村水利技术现代化指导意见》的要求。

2 解决方案

2.1 装机容量的确定

确定装机容量是农村小水电站设计的重要构成部分，因为装机容量的大小影响着水电站的规模和效益与科学合理的开发。装机容量拟定过大，会导致设备运行效率不高等问题，设备利用率的降低就会间接导致建设成本的增加。如果装机容量拟定过小，则不能最大限度的利用水能资源。因此装机容量的拟值既要保证设备的利用率又要合理的利用水能资源，确定装机容量按如下6个步骤:

1)对山区农村的水能进行计算，求出保证出力Np以及保证电能Ep。

2)山区农村小水电站的装机容量年利用小时数一般不超过5 000 h，因此，在接步骤1)之后就要确定年利用小时数的目标值。

3)完成以上2步骤之后，接下来关键就是要确定保证出力倍比系数C。可根据公式N(装)=C×Np计算。计算保证出力倍比系数C要根据山区农村小水电站的具体情况进行计算，同时还可以参考经验数据，从而计算出山区农村小水电站的装机容量，详见表1。

表1 保证出力倍比系数C参考表

4)根据实际情况、机组台数以及标准容量的大小来确定装机容量的方案，在通常情况下一个发电站会选择相同型号的机组，山区农村小水电站一般会选择一至四台机组，在特殊情况下可以选用大小机组相搭配的方案。

5)可根据不同设计方案的装机容量数值的多少，再结合已经算出的水能计算成果可求出多年的平均发电量E(年)，各个装机容量对应的装机容量年利用小时数h(年)可根据公式h(年)=E(年)/N(装)求出。

6)装机容量的选择可根据以上数值的计算成果，并参照目标值，选取跟目标值差距最小的方案。

3.2 水轮发电机组的选择

3.2.1 型号的选择

水轮机根据水力作用的不同分为2大类:反击式水轮机和冲击式水轮机。在这两大类中，又可细分为6种不同的型号样式。因此，在选择水轮发电机组的时候不仅要从经济成本预算的方面考虑，更要综合考虑不同水轮发电机组型式的流量、高效率区域以及适应水头等方面，只有各方面考虑全面才能最大程度的保证选出理想的机型。如果在运行参数基本相同的情况下选择立轴式机型比较好。比如，水头范围在20～40 m，采用混流式的水轮发电机组比较好;如果水头范围＜20 m，就不宜采用混流式发电机组而应选择轴流式的发电机组。这样才能最大限度的利用水能资源。

3.2.2 机组安装高程的确定

水轮发电机的型号确定后，关键就是发电机机组安装高程的确定，为了尽量避免水轮机转轮被汽蚀以及防止水轮机的转轮转动不良的现象，就要求发电机机组的安装高程要低于设备所允许的最大吸出高度，并以此为依据确定水轮发电机机组的安装高程。

1)卧式机组计算公式为:

式中:Z(下)为水最低水位，m;hs为机理论吸出高度，m;D为轮机转轮直径，m;为电站厂房所在地的海拔高程，m。可以将计算出的数值降低0.2～0.3 m确定安装高程以便消除或减轻水轮机汽蚀。

3.3 电气主接线的选择

山区农村小水电站的电站运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据是电气主接线。山区农村小水电站的装机台数一般不超过4台，总装机容量大多在1000kW以下，正因如此，主变的台数、回路数以及相应的电压等级也比较少。再加上山区农村小水电站的工作人员和技术操作人员的专业素质不是很高，只要满足基本要求的电气主接线拟定好，各项技术参数基本符合要求，再稍微使得接线的形式简单清晰即可。比如在有2台或3台机组的情况时，可以共用1台主变并采用单母线不分段接线的形式。而在只有1台机组的情况下，接线方式可以采用变压器与发电机的组合方式。如果有4台机组，那么可以根据水电站的实际情况来组合接线的方式。

3.4 水电站的励磁系统

半导体励磁装置是多数山区农村小水电站同步发电机所采用的装置。这种类型的机组在单机运行时有装置简单，自动恒压和迄今迅速的优点。但在与电网并列运行时，会发生励磁性能不适应的情况:一旦当水电站的电网配电压力过高，发电机组就会发生明显的震动现象，此时便会自动减少功率的输出，造成这些现象的原因是无功负载与有功负载分配不稳定所导致的，这不利于山区农村小水电站经济效益的发展。所以应按照实际和科学的参数来配备励磁系统，农村小水电站的建设若采用500 kW以上的发电机，那就需要配备可控硅励磁系统。如果发电机＜500 kW，那就需要首先考虑可控硅励磁系统，同时合理运用电抗移相相复励系统。

3.5 保护装置

山区农村小水电站的保护装置，可以对发电机的过负荷进行保护，还可以做到水阻保护以及变压器过载的短路保护等，全面的保护装置还应包括对防雷保护和过流及欠电压的保护。在设计保护装置的部分要尽量使得装置简单可行，掌握起来容易，方便操作人员的检修和维护，但关键是要满足继电保护的要求。这是设计保护装置的前提。

4 小结

1)在考虑山区农村小水电站的设计时应因地制宜，综合考虑自然条件，比如温差的大小，高差的大小等因素。

2)山区农村小水电站的设计可采用外置式拦污栅，这样不仅能使得清污更加方便容易，且保障电站的安全正常运行，可减少水头损失。

3)可以尽量扩大径流引水式电站的前池容量，提高调节能力。

5 结语

在设计山区农村小水电站时要把握好设计的每一个环节，每个环节都要遵循科学合理的原则。农村小水电站的建设对农村经济的发展，保护生态环境，减轻农民负担方面发挥了不可替代的作用，因此，在设计过程中做好装机容量的确定和水轮发电机组选择的同时也要兼顾励磁和保护装置的优化，从而使得山区农村小水电站的经济和生态效益最大化、合理化。

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