河北省农村水电站更新改造设计要点

杨铁树，回建文

(1.河北省水利水电勘测设计研究院，天津市 300250；2.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)



河北省农村水电站更新改造设计要点

杨铁树1，回建文2

(1.河北省水利水电勘测设计研究院，天津市 300250；2.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

摘要：河北省小农村水电站多建于20世纪七八十年代，由于设备老化，机组实际效率显著下降。通过技术改造，发电效率可显著提高，与新建电站相比，具有投资少、见效快、经济效益好等特点。对其更新改造设计的要点进行了详细阐述。表2个。

关键词：农村水电站；更新改造；水能利用率；最小独立运行结构单元；统筹设计

1建设概况

河北省农村水能资源蕴藏量为190.19万 kW，可开发量为120.60万 kW。截至2014年底，全省共建有农村水电站246座，总装机容量38.87万 kW。“十二五”期间，农村水电站发电量达到23.5亿 kW·h，相当于减少标准煤消耗82万t，减少薪柴消耗191万t，减少CO2排放205万t，减少SO2排放27 237万t，保护森林植被面积2 191万亩。农村水电站促进了农村能源结构调整，成为重要的可再生绿色能源。

2更新改造的必要性

河北省农村水电站大多数建于20世纪七八十年代，经过几十年运行，许多电站机电设备陈旧老化、性能下降，水工建筑物部分存在安全隐患；机组主要性能参数与电站实际运行参数不匹配；自动化水平及管理水平低，故障报警和事故处理不及时，造成带病运行或事故扩大，存在严重安全隐患。在水电站性能降低到加速恶化前，可利用更新改造将其恢复到原设计水平，或通过扩容增效，以全面提升水电站的发电能力和经济效益(见表1)。

3更新改造设计要点

3.1提高水资源水能利用率，优化水电站装机容量

(1)径流式水电站根据上游来水量水能计算，优化水电站装机容量

平山县康庄水电站根据径流区间水文计算，并与上游梯级开发水电站的流量配合，确定其引水流量由原4.0 m3/s增至17 m3/s，则装机容量由原2×500 kW增至2×2 000+1×1 000 kW，水能利用率提高425%，发电容量增加500%。对于来水量(或水头)比原设计增大的径流式水电站，应根据来水量(或水头)增大的计算值，重新选定水轮发电机组或设计改型新转轮，使其运行在高效率区，既加大单机容量，又提高水轮发电机组运行效率，可大幅度提高年发电量。

(2)坝后式水电站根据下游放水量统计计算，优化水电站装机容量

兴隆县老虎沟水电站为坝后式水电站，遵循“发电服从于灌溉”的调度原则， 通过及时了解水库向下游放水情况，做好放水量统计和发电预案，减少弃水；并充分利用水库泄洪发电，增加峰电，全面提高了年发电量。

隆化县改河水电站是利用老陡山水电站的剩余水量发电，为坝后式水电站的1个发电车间。通过近年来实际发电情况并延长水文系列，将年发电量由120万kW·h修改为76万kW·h。对于来水量(或水头)比原设计减小了的水电站，根据实际来水量(或运行水头)，选用合适的新型转轮或设计改型新转轮，将水轮发电机组调整到较优工况区运行，可提高水能利用率。

表1　河北省“十二五”期间实施更新改造的农村水电站典型现状问题分类

(3)引水式水电站通过维修加固拦河坝等调蓄工程，提高水电站发电量

承德县柳河水电站为设有拦河坝的引水式水电站，在满足生态流量的前提下，通过维修加固拦河坝工程，增加了水电站的日调节能力，满足了最小发电流量和发电水头，提高了年利用小时数和水电站的发电量。

(4)水电站装机容量调整后，需进行过流能力及出口水位的复核计算

涉县西达水电站为径流引水式，利用河道裁弯取直获得落差发电，通过实测径流资料进行年径流分析，并以频率法进行比较验证，对水流条件较好的2号水轮发电机组由500 kW增容至630 kW，保证其运行于运转特性曲线的高效区间。在保证机组参数完全适应水能参数外，还对引水系统的引用流量、水头损失、结构强度等进行校核计算，维修加固了引水渠道、输水隧洞，改造了压力前池和尾水渠，满足了发电机组增容后的过流能力及水头损失等要求。

3.2以水电站独立运行结构单元为改造对象，提高更新改造工程投资利用率

(1)水电站更新改造工程中最小独立运行结构单元的划分

确定水电站最小独立运行结构单元，是合理确定水电站更新改造工程范围的前题，若更新改造范围过大，势必造成工程量的增加和工程投资的增大，从而降低了更新改造工程投资的利用率；若更新改造范围过小，将影响到更新改造工程的整体质量和效果，造成更新改造后的水电站仍带病运行。通过对水电站结构体系和运行体系的解剖分析，找出其最小结构单元和独立运行单元，在确定更新改造工程最小项目单元时，应使其同时具备最小结构单元和独立运行单元的双重条件，以同时兼顾设备制造安装的个体因素和系统运行发电的整体因素。若更新改造工程最小项目单元仅满足最小结构单元条件，将影响到更新改造项目的运行质量；若最小项目单元仅满足最小独立运行单元，将影响到更新改造工程的结构质量(见表2)。

表2　水电站最小独立运行结构单元划分

(2)水电站更新改造项目安排顺序

水电站更新改造项目在结合其运行现状及存在问题的基础上，按最小独立运行结构单元划分表确定其更新改造工程所包含的单元项目及数量，并遵循以下原则安排其更新改造顺序：

①先“运行安全”项目，后“功能完善”项目。在表1中的赤城县隔河寨二级水电站，更新改造项目优先安排“机电设备老化严重，挡水建筑物塌方，厂房渗漏等存在安全隐患”的项目，包括更新2台水轮发电机组及微机调速器、高低压开关柜；翻修溢流坝面、整修主副厂房屋顶等；而后才考虑安排“功能完善，提高性能”的项目，增设了微机监控保护系统。

②先“扩容增效”项目，后“功能修复”项目。在表1中的涉县西达水电站，更新改造项目优先安排“2号水轮发电机组增容至630 kW”的项目，包括2号水轮发电机组增容改造及相关机电设备更新改造；而后才考虑安排“功能修复，辅助增容”的项目，维护整修了引水渠、输水洞及尾水渠。

③先“主机发电”项目，后“辅助运行”项目。在表1中的兴隆县老虎沟水电站，更新改造项目优先安排“更换2台大机组转轮、调速器、主阀”，而后才考虑安排“更新高低压开关柜和增设微机监控保护系统”。根据小水电站更新改造项目的“重、轻、急、缓”，在投入有限资金的前题下，通过合理安排更新改造项目，不仅可有效控制更新改造建设规模和改造费用，还可进一步优化更新改造项目，大大提高资金利用率。

3.3进行水电站整体发电效益和安全性统筹设计

(1)进行水电站整体发电效益提高的统畴性设计

水电站整体发电效益=水能利用率×水轮发电机组发电效率×升压变电设备效率。只有每个环节的效率达到最优，才能实现水电站整体发电效益最高。前述的提高水能利用率是提高水电站整体发电效益的前提，而水轮发电机组发电效率和升压变电设备效率又是提高水电站整体发电效益的保障，水轮发电机组和升压变电设备的更新改造，特别是水电站增容改造，水轮发电机组的选型及升压变电设备的容量匹配，任何一个环节都不能存在效率短板点，否则将影响到水电站整体发电效益的提高。

提高水轮发电机组发电效率应从水力、机械及电磁三方面综合考虑：一是提高水力效率，首先应提高转轮效率，适当增加转轮单位流量，或减小转轮漏水量，另外降低尾水水位提高发电水头也可提高水力效率。二是减小水轮发电机组的机械损失，改造推力轴承，减小机械损失；改造发电机通风系统，减小机组通风损耗。三是减小电磁损失，改造定子铁芯，减小铁芯损失；取消直流励磁机，采用可控硅励磁。

提高升压变电设备效率可结合机组增容改造需更换主变压器，应选用节能型变压器。如原有变压器容量足够，结合技术改造，也可将旧变压器改造为低耗能变压器；属淘汰序列的变压器一定要更换掉。低压机组水电站变压器有选用降压型的，应更换为升压型。

(2)进行水电站整体安全性提高的必要性设计

提高效益的保障是安全，安全的结果是效益。水电站整体安全涉及操作安全、保护安全及管理安全三个方面。操作安全是管理安全的前提，高自动化水平并非操作追求的目标，“简单实用”才是最安全可靠的，应在充分了解原有水电站的操作方式、控制水平的基础上提出切实可靠的、有针对性的操作运行及安全性设计。特别注意，水电站原有高压开关柜很多并不具备“五防”功能，低压开关柜也没有达到3C认证要求，应该在改造的同时进行更换。保护安全是操作安全的技术保障，当发生误操作或出现各类故障/事故时，继电保护系统应及时报警并切除故障，将事故限制在最小范围内。管理安全是提高水电站安全性的必要手段，在制定每个受控设备操作运行规程的基础上，还应结合原有水电站的运行经验制定反事故措施及相关事故处理预案，在建立建全运行组织管理制度的基础上，还应加强职工培训，提高整体素质。

3.4实现更新改造项目与原水电站现状的有机结合

(1)采用现代先进技术并兼顾原水电站基本现状

水电站的技术改造应积极采用成熟实用新技术成果，加大科技含量，大力推广低成本自动化技术，以最少的资金投入，获得最佳的经济效益和社会效益。最大限度地提高设备的安全可靠性和使用寿命，努力提高设备和水电站的自动化水平。但水电站的更新改造也不能脱离原有现状，应在对原水电站的设备状况(包括检修及事故停机时间)、技术水平(机组的先进性和运行管理现代化程度)、能量转换效率和安全隐患等进行全面调查和评估的基础上，提出切实可行的水电站更新改造方案。水电站技术改造前对设施和设备进行安全检测是非常必要的。根据检测结果，从安全角度对水电站的设施和设备作出改造与否的评价，并作为水电站技术改造的必要性、改造规模与时机以及技术改造成效的依据。

(2)实现更新改造设备与原有系统设备的有机结合

水电站更新改造是在吸纳原有设备技术优势并克服原有设备不足和弊端基础上的功能完善和质量提升。虽然机电设备实现了更新改造，但是原有的运行管理人员没有变动，操作运行习惯没有改变，这就要求新设备在增加新配置和新功能的同时，还应兼顾原有管理人员的操作习惯和操作规程，有效避免老人员对新设备的操作惯性而导致的误操作，特别是当事故发生时紧急操作和事故处理更是如此。应实现老规程与新设备、老模式与新功能的完整统一，原有操作规程及管理模式与更新设备的操作流程及功能配置的有机结合(包括主接线、设备布置、操作开关及按钮的布置、信号灯颜色等)。

在重新设计新发电机时，亦应充分利用原设备的基础及埋件，其他部件如大轴、上机架、下机架，凡经加工仍可使用者均应利用，以节省改造费用。拆除机组的设备及零件经检验并复核计算后，仍可利用者可作为其他未改造机组的替换零件或备件，提高拆除原有机电设备及零件的再利用率，节省改造费用。

4结语

河北省农村水电站更新改造设计要点，完全符合于《小型水电站技术改造规范》(GB/T 50700—2011)中所提出的“正确贯彻先进性、合理性、经济性和特殊性的四性原则”。先进性就是进一步优化水电站装机容量，选用高效节能型机电设备，提高水资源利用率；合理性就是紧密结合和妥善处理本电站的不可变更或不宜变更的制约条件，以其独立运行结构单元为改造对象，提高工程投资利用率；经济性就是通过更新改造工程增加水电站的年发电量，提高其经济效益；特殊性就是针对河北省各水电站工程现状，实现更新改造项目与原水电站现状的有机结合。河北省农村水电站的更新改造工作体现了先进性、合理性、经济性和实用性的完整统一，有效促进了小水电事业的健康繁荣发展。

参考文献：

[1]河北省水利水电第二勘测设计研究院.河北省赤城县巩固退耕还林农村能源小水电项目隔河寨二级水电站技术改造工程初步设计报告[R].石家庄：河北省水利水电第二勘测设计研究院，2013.

[2]河北省水利水电第二勘测设计研究院.河北省承德县巩固退耕还林成果柳河水电站技术改造工程初步设计报告[R].石家庄：河北省水利水电第二勘测设计研究院，2013.

[3]邯郸市水利水电勘测设计研究院.河北省涉县漳河小水电代燃料项目西达水电站更新改造工程初步设计报告[R].邯郸：邯郸市水利水电勘测设计研究院，2014.

[4]邯郸市水利水电勘测设计研究院.2014年度承德市小水电省级补助资金项目改河水电站技术改造工程实施方案[R].邯郸：邯郸市水利水电勘测设计研究院，2015.

[5]平山县冀兴水利水电勘察设计有限公司.河北省平山县康庄水电站建设工程修正初步设计报告[R].平山：平山县冀兴水利水电勘察设计有限公司，2013.

[6]河北省水利水电第二勘测设计研究院.2014年兴隆县省级补助资金项目老虎沟水电站技术改造工程实施方案[R].石家庄：河北省水利水电第二勘测设计研究院，2015.

[7]GB/T 50700—2011，小型水电站技术改造规范[S].

[8]GB 50071—2002，小型水力发电站设计规范[S].

■

责任编辑吴昊

作者简介：杨铁树(1963-)，男，教授级高级工程师，主要从事水利水电工程设计及研究工作。

收稿日期：2016-01-05