浅谈增效扩容改造小型水电站装机容量的确定

杨新春

（博乐农五师全新勘测设计有限公司 新疆 博乐 833400）

新疆生产建设兵团第五师八十三团阿卡尔一级水电站建设于1983年，因受当时技术水平限制和经济条件的制约，加之电站多年运行，工程老化、机电设备落后，普遍存在机组效率差、水能利用效率低、建筑物破损严重等问题。对这些老旧电站进行增效扩容改造，不仅能提高水能资源利用效率，促进节能减排，保护河流生态环境，还能消除公共安全隐患，让当地群众得到更多实惠，是一项费省效宏、一举多得、利国惠民的德政工程和民生工程。经过对阿卡尔一级水电站水头损失的复核计算，得出电站改造后的保证流量和保证出力，最终经综合比选确定电站改造后的装机容量，希望对新疆兵团第五师其它需增效扩容改造的电站提供帮助。

1 工程概况

新疆生产建设兵团第五师阿卡尔一级水电站隶属于农五师八十三团管辖，站址位于阿卡尔河上游东西两支流汇合口下游5km松树沟沟口处，阿卡尔渠首的下游3.2km处，北距乌伊公路35km，为阿卡尔河梯级水电站开发中的第一座水电站，地理坐标东经 82°24′33″，北纬 44°16′09″，阿卡尔一级水电站建设于1983年，装机容量2×1000kW，设计水头60m，设计流量4.42m3/s，年设计发电量1040万kW·h（近三年电站平均发电量721kW·h），年利用小时数5200h，电站电能均通过35kV输电线路T接至阿卡尔三级站～阿卡尔110kV升压站35kV输电线路上，送入阿卡尔110kV升压站，再由其送入系统电网。

新疆兵团第五师阿卡尔河主流发源于科古尔琴山，东支流发源于婆罗科努山。产流区主要在伊犁地区境内，汇合后进入博州，呈南北流向，出山口后散失于冲积～洪积扇，没有河口。山口以上河长55km，河床纵坡在23‰～40‰之间，出山口后河床变宽，纵坡降至21‰以下。集水面积628km2，多年平均径流量为1.32亿m3。径流以冰雪水、雨水、地下水混合补给，年径流变化稳定，变差系数Cv计算值为0.10，径流年内分配为冬闲水占15.1%，春灌期占18.5%，夏灌期占42.6%，秋冬灌期为23.4%。阿卡尔河多年月平均流量见表1-1。

根据阿卡尔河实测长系列资料可知，阿卡尔河枯水年（90%）Q年均=3.27m3/s，平水年（P=50%）Q年均=4.11 m3/s，丰水年（P=10%）Q年均=4.97m3/s。

由于电站设备老化、落后、自动化水平低，发电量低，电站效益较差，职工收入较低，导致职工的工作积极性不高，严重制约电站的运行管理。经过增效扩容改造项目的实施，不仅可巩固电站现有的水电发电能力，还可新增发电量，提高电站效益，增加职工收入。本文将重点介绍阿卡尔一级水电站经增效扩容改造后电站装机容量的确定。

2 装机容量的确定

2.1 设计水头确定

表1-1 阿卡尔河多年平均流量表

图表2-1 流量～频率关系曲线

该站为干渠引水式无调节水电站，改造后电站设计流量为5.2m3/s。复核整个流道的沿程水头损失与局部水头损失共4.01m电站改造后毛水头62.69m，减去总水头损失4.01m，得58.68m，即改造后电站设计水头为58.68m。

图表2-2 出力～频率关系曲线

表2-1 经验频率、次数及水能指标表

2.2 装机规模的确定

该站为无调节水电站，网上负荷主要为农业用电，季节性强，根据水利部《小水电水能设计规程》（SL76-94）该工程并网运行，且在小水电网中所占比重大于25%，水电站设计保证率取90%。

2.2.1 电站保证流量Q保的确定

根据阿卡尔河三个设计代表年得年均流量值，在表2-1查出其相应的年份,其年内各月流量即为设计年代表年年径流量的年内分配。即：

丰水年（1991年）Q年均=4.97m3/s；

平水年（1984年）Q年均=4.18m3/s；

枯水年（1997年）Q年均=3.27m3/s。

将以上三个代表年得月平均流量以0.25m3/s为间隔，通过列表计算每个流量值的经验频率，见表2-1。绘制出流量～保证率曲线、出力～保证率曲线、装机～发电量曲线（详见图表2-1、图表2-2、图表2-3）。

通过查图表2-1流量～保证率曲线，得知电站设计保证率为90%时，保证流量为Q保=2.20m3/s。

2.2.2 保证出力N保的确定

采用公式计算：

式中：N保——机组保证出力

A——出力系数，取为8.2

Q保——保证流量，为2.20m3/s

H设——设计水头，为58.68m

计算得：N保=AQ保H设=8.2×2.20×58.68=1059（kW）

2.2.3 电站运行方式

农五师八十三团阿卡尔一级水电站为径流式水电站，装机容量在电力系统中所占比重小于20%，其运行特征是任何时刻的出力主要决定于大河来水量，由于河道天然流量日内变化不大，该站担任系统负荷中的基荷。

2.2.4 装机容量选择

根据《农村水电增效扩容改造项目初步设计指导意见》的要求，增效扩容改造项目不增加原有的机组台数，因此，电站机组台数与改造前保持一致，即电站机组维持在两台。

根据经济比较确定，初步拟定以下三个装机方案进行比较，最终确定最优装机规模。计算结果见表2-2～表2-4。

方案一：装机2×1000kW，只更换水轮机转轮、增设自动化控制系统、更换前池排沙闸闸门及启闭设备和引水渠、前池的改造等。

表2-2 不同流量装机、年发电量、年利用小时数

表2-3 阿卡尔一级水电站不同装机容量水能计算指标表

表2-4 阿卡尔一级水电站不同装机容量指标表

方案二：装机2×1250kW，更换水轮机组及其附属设备、增设自动化控制系统，更换前池排沙闸闸门及启闭设备和引水渠、前池的改造等。由于发电流量有所增加，需加高尾水渠以满足过流能力。

方案三：装机2×1600kW，更换水轮机组及其附属设备、增设自动化控制系统，因流量增加过大，故需全部拆除重建。

优点：方案一和方案二均可在原设备基础上进行改造，投资相对较低，工期较短，方案三未拆除新建电站，在自动化控制、年发电量等方面均有较高效果。

缺点：方案一和方案二在水轮机转轮更换及水轮机组更换过程中需与厂家协商确定，耗时较长，方案三的缺点在于投资较高，施工期长，投资回收期较长。

从上表可以看出：

（1）各方案的投资随着装机容量的增加而增大，由于装机容量增加，电站工程量和投资均相应的增加，且从投资回收期上来看，方案二效益回收最快；

（2）随着装机容量的加大，多年平均发电量也随之增大，但当超过最优值时，发电量会呈下降趋势，从资源的合理开发利用和满足负荷发展的需求适当增大装机是有利的，但考虑到该水电站无调节能力，方案间增加电量主要为汛期电量，不能被系统完全吸收，因此装机容量不宜过大，所以本电站的装机规模主要根据其经济性决定。

（3）装机从2000kW增加到2500kW，投资增加37.22万元，系统吸收电量增加94万kW·h，单位电能投资4.55元/（kW·h），补充千瓦投资744元/kW，优于方案一。

因此，由以上比较可知，电站增容至2500kW是合适的、经济的。

3 结语

新疆生产建设兵团第五师缺煤少电，资源匮乏，故必须大力发展可再生能源。同时由于水电增效扩容不需移民，不增加环境负担，开发成本和电能质量均优于风电、太阳能等同类清洁能源。经过对阿卡尔一级水电站水头损失的复核计算，得出电站改造后的保证流量和保证出力，最终经综合比选确定电站改造后的装机容量，希望对新疆兵团第五师其它需增效扩容改造的电站提供帮助。陕西水利