中小水电站增效扩容改造的经济设计

张春旭, 张晋新

(1.中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院，湖北武汉430073；2.中工武大设计有限公司，湖北武汉430073)



中小水电站增效扩容改造的经济设计

张春旭1, 张晋新2

(1.中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院，湖北武汉430073；2.中工武大设计有限公司，湖北武汉430073)

在“十三五”规划建设期间，我国仍有大量中小型水电项目列入增效扩容改造目录。如何利用有限的改造资金，最大限度的发挥电站增效潜力，提高水轮发电机组的综合效率，是工程设计单位制定改造方案考虑的重点。通过优化资源配置，提高电站经济效益，降低生产、维护成本，降低劳动强度是中小型电站增效扩容改造的根本目的。表2个。

中小型水电站；水轮发电机组；增容改造；设计方案； 提高效益

0　引　言

我国在2000年之前建设的大量农村中小型水电站，建设之初大多缺乏规范设计，对水资源利用不足，丰水期浪费严重；电站运行至今，设备严重老化，综合效率低下。国家“十二五”规划期间对全国中小型水电站实施了增效扩容改造的试点工程，改造效果明显，极大地提高了发电效率，消除了安全隐患，改善了电站经济效益。根据《财政部水利部关于继续实施农村水电增效扩容改造的通知》(财建〔2016〕27号文件指示)，在“十三五”规划建设期间，继续支持农村中小型水电项目的增效扩容改造。但由于全国改造项目众多，国家补贴资金有上限标准(东部700元/kW、中部1 000元/ kW、西部1 300元/ kW)，同时绝大多数电站运行单位自筹建设资金能力有限，怎么将有限的改造资金用到电站最需要的地方，最大程度的提高电站增效扩容的效益，成为工程设计单位考虑的重点和难点。

本文通过笔者在湖北省内近5年众多中小型水电站的实际改造经验，针对中小型电站增效扩容改造过程中改造效果明显、改造后发挥巨大工程效益、经济效益的工程设计经验进行总结，并辅以具体工程实例加以具体分析说明。

1　维修引水系统

大部分中小型水电站为引水式电站或者调节库容有限，丰水期的水资源没有得到有效利用。同时，由于电站年久失修，普遍存在引水建筑结构老化，金属部件锈蚀，引水过程中渗水、漏水现象较为严重，电站输水过程中的渗漏损失越来越成为影响发电效益的一个制约因素。

湖北省竹山县霍河三级水电站为引水式电站，电站装机容量3 750 kW，引用流量21 m3/s。电站引水线路由1 965 m的引水隧洞和240 m的引水明渠构成。其中隧洞现状完好，引水明渠由于建设之初未衬砌，加之年久失修，渗漏严重，且部分段泥沙杂物淤积，导致丰水期水流外溢，无法满足正常的发电流量需求。

改造方案对明渠破损段进行修复，对全段明渠采用100 mm厚C20混凝土衬砌，对淤积段进行疏浚。改造后渠底宽4.3 m，高7.9 m，糙率取0.014，设计流量21.0 m3/s。过流能力和边墙稳定重新复核，均满足要求(见表1)。对进水前池裂缝采用环氧砂浆补强，更换进水口节制闸和引水闸的止水橡皮。

综合改造后的霍河三级电站年发电量由740万 kW·h增加到890万 kW·h，增幅达到17%。

表1　引水渠过流能力计算

2　合理改造水轮发电机组

由于受建设之初的历史因素的制约，大部分电站存在水轮发电机组特性参数与电站实际运行工况长期偏离；丰水期水量(水头)没有得到充分利用，枯水期实际水头远远低于设计水头。致使发电机组在丰水期没有充分发挥效益，枯水期又长期运行在低效区。

湖北省宜都市香客岩电站改造前电站总装机容量8 900 kW，1～3号机水轮机型号为ZD560—LH—180，4号机水轮机型号为ZD560a—LH—180，所有机组均为轴流定桨式水轮机，设计水头为15.5 m。配套发电机如下：1号发电机型号为SF2000—20/2600，单机功率2 000 kW； 2、3号发电机型号为TSL260/35—20，单机功率2 200 kW；4号发电机型号为SF2500—20/2600，单机功率2 500 kW。

机组存在的问题：经过长期运行，机组已经出现设备老化、性能下降、故障频发等问题，在很大程度上影响了设备的安全、稳定运行。转轮叶片的材料采用45号钢制作，长期受水力冲击发生塑性变形，产生了严重裂纹，转轮气蚀、磨损严重，叶片变薄；维修时大面积补焊造成了叶片严重变形和裂纹加剧,致使水轮机水力损失加大，水轮机水力效率下降；顶盖、底环等磨损严重，致使水轮机漏水量加大，容积损失增加,浪费大量水资源，发电量减少。发电机由于运行年限长，定子线圈和转子线圈绝缘老化，绝缘电阻下降，存在较大的安全隐患，发电机功率因数低。

根据电站水力监测显示，电站毛水头常年在18.0 m左右。经水文专业复核，电站加权平均水头为17.0 m，电站可通过扩容提高效益。

根据以上论述，最终的改造方案主要从两个方面提高电站效率：一是扩容，维持电站现有土建尺寸不变的情况下，根据水文计算结果，将电站1～3号机组单机功率均扩容到2 500 kW。二是更换机组，根据水轮发电机组运行现状，对机组改造方案如下：更换1～3号机发电机，更换后新发电机型号为SF2500—20/2600，电机功率2 500 kW，转速300 r/min，电压6.3kV，效率95%，功率因数0.85，绝缘等级F；更换1号机组水轮机，更新后水轮机型号为ZDJP502—LH—180，转轮直径180 cm，额定出力2 688 kW，额定流量18.90 m3/s，额定效率91.5%；2、3、4号水轮机更换转轮(新转轮型号与1号水轮机转轮相同)，维修导水机构及主轴；4号发电机更换顶转子线圈，提高电机绝缘等级，提高发电机功率因数。同时，更换发电机组附属设备(即调速器、励磁系统、自动化元件等)。其中：调速器更换为高油压调速器，将现有励磁控制屏和励磁变压器更换为1套双微机可控硅静止整流自并励励磁装置和1台干式励磁变压器，增加电站自动化监测系统。

更新改造后1～4号机组额定工况下水轮发电机组段的综合效率：

式中，PN为发电机额定功率(kW)；Hr为水轮机额定水头(m)；Qr为水轮机额定流量(m3/s)。

电站改造前后水轮发电机组特性参数如下所示(见表2)：

表2香客岩电站改造前后水轮发电机组特性参数

名 称改造前改造后水轮机型号ZD560—LH—180ZDJP502—LH—180ZD560a—LH—180台数/台44最大工作水头/m17.019.0最小工作水头/m11.011.17额定水头/m13.616.15额定流量/(m3·s-1)19.6/19.817.94发电机型号SF2200—20/2600SF2500—20/2600TSL260/35—20SF2500—20/2600台数/台2/1/14总装机容量/kW890010000保证出力/kW11501420多年平均发电量/万kW·h28903500年利用小时数/h31343391机组综合效率76%87.96%电站综合能效69%80.0%增效潜力21.1%

电站已于2014年底全部改造完毕，2015年3月新机组正式投入发电。经电站运行人员反映，改造后机组效率明显提高，改造效益显著。

3　淘汰落后电气设备

20世纪90年代初建设的中小型电站，变压器仍以SJL型和SL型铝芯变压器为主，能耗高、效率低；高压柜多为GG—1A型，低压柜多为BSL型开敞式设备，“五防”功能不全，具有较大的安全隐患。继电保护以继电器为主，接线复杂、维护工作量大，误动、拒动时有发生，事故隐患大；大多数中小型电站仍以人员手动操作为主，极少数电站设有控制台，装设光子牌信号显示装置，整体设备配置较为落后，人员编制臃肿。

改造方案：

(1)采用新型的S11型变压器更换以往的淘汰铝芯变压器，变压器综合能耗可降低30%以上，减少自身损耗的同时加大了上网电量，提高了效益。

(2)结合老厂房的实际尺寸，高压柜可选择XGN—12或KYN28A—12两种形式的全封闭式开关柜。低压柜可选用GGD或GCS型低压开关柜，新型高、低压配电柜均具备完善的“电气五防”功能，在大大提高安全性的同时，操作维护更加便利。

(3)针对大部分电站继电保护简陋、自动控制设施落后的情况，采用新型微机保护装置替代老式继电器保护屏柜，灵敏度高、性能更加稳定可靠、数字信号传输更为便利。控制系统改造为可编程控制器(PLC)为主设备，针对电站装机容量构建不同规模的分层分布式计算机监控系统，整体上实现中小型水电站“无人值班(少人值守)”的新型运行管理模式。

对于单机容量小于500 kW的低压小型发电机组，可采用新型集电量采集、励磁调节系统、同期系统、机组继电保护装置一体化的综合控制屏，设备体积更小，集成化和自动化程度高。

以宜都市的熊渡电站为例，电站总装机容量4×7 500 kW。改造之前在职职工112人，负责电站的日程运行和维护管理。改造之后由于提高了自动化水平，减少了维护工作量，日常运行维护人员精简到25人，大大节约了人力成本，为企业创造了更多的效益。

4　结　语

中小型水电站增效扩容改造工程涉及水电站的方方面面，各座水电站具体情况各异，上述内容是笔者根据实际工程的一些经验总结，原则是将有限的改造资金投入到电站改造效益最明显的区域。除了水工结构、机电设备的工程改造措施以外，还可以通过优化发电调度规则，发挥梯级电站联合调度作用，以管理水平、技术水平的提高来更加充分的挖掘电站潜在效益。

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责任编辑吴昊

2016-07-25

张春旭(1984-)，男，工程师，主要从事水力发电厂的电气设计工作。

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