琅口水电站增效扩容改造方案浅析

姜　妍

(三明市水电工作站， 福建三明365000)



琅口水电站增效扩容改造方案浅析

姜妍

(三明市水电工作站， 福建三明365000)

2011年，福建省三明市开始启动农村水电增效扩容改造工作，“十二五”期间共对73座农村水电站进行了增效扩容改造。农村水电增效扩容改造项目的实施，提高了水能资源利用效率，提升了自动化水平，改善了电站运行环境，增强了电站安全可靠性。沙县琅口水电站是73座农村水电站进行增效扩容改造电站之一，该电站由于多年运行，设备设施老化，效率减退，安全可靠性下降，增效扩容改造十分必要。增效扩容改造设计总装机容量为2×2 500 kW，新增装机容量200 kW，水轮发电机组综合效率提高到87.43%，发电量新增27.5%，安全可靠性和自动化水平明显提高，改造顺利完成，达到设计要求。表3个。

水电站；增容改造；改造方案

1　工程概况

琅口水电站位于闽江流域沙溪水系豆士溪支流上，福建省沙县虬江街道办琅口村境内，引水式开发，是豆士溪水力发电梯级开发的最末级。电站坝址以上流域面积286 km2，建于20世纪80年代中期。豆士溪水力发电梯级开发的第一级为官昌水库电站，中型水库，总库容2 440.0万 m3，年调节性能，调节下游各梯级水电站。琅口水电站工程为Ⅴ等工程，小(2)型规模，主要建筑物为5级，由拦河坝、溢洪道、发电引水系统、厂房及升压站等组成。大坝按20年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核，厂房按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。拦河坝为埋石混凝土重力坝，坝顶长50.0 m，最大坝高9.0 m，坝前正常蓄水位为179.3 m，坝顶自由溢流，溢流净宽40.0 m。发电引水系统由引水明渠、隧洞、渡槽、压力前池、压力钢管组成，引水建筑总长7.0 km，设计过水能力9.8 m3/s，压力前池长50 m×宽20 m×深4.5 m，正常蓄水位为171.1 m，压力钢管长169.0 m，内径φ1 800。电站总装机容量2×2 400 kW，厂房安装2台混流式水轮发电机组，水轮机为HL702—WJ—71型, 设计流量9.5 m3/s,设计水头64 m；发电机为SFW2—k—2400—8/1830型,设计年发电量1 999万 kW·h，年利用小时为4 165 h。升压站设主变1台SL7—5000/38.5型，近区变1台SL7—1600/10.5型。

2　必要性及改造主要内容

2.1改造的必要性

琅口水电站自80年代中期投产发电以来已有26 a之久，其水工建筑物、机电设备和金属结构都有不同程度的老化，水能资源利用率下降；特别是水轮发电机组及电气设备的老化，效率降低，严重影响机组出力和安全运行，近几年来更是每况愈下。电站改造前近5 a运行情况统计如下所示(见表1)：

表1　琅口水电站改造前近5 a运行情况

为了提高水能资源利用效率，提升设备自动化水平，增强电站安全可靠性及改善电站运行环境，对电站进行增效扩容改造十分必要。

2.2改造的主要内容

根据国家财政部、水利部关于印发《农村水电增效扩容改造财政补助资金管理暂行办法》的通知(财建〔2011〕504号)对农村水电增效扩容改造的定义：农村水电增效扩容改造是指以提高综合能效和安全性能，增加发电能力，推进流域梯级优化调度为目的，在不增加原有机组台数的基础上对老旧农村水电站机电设备和配套设施进行的更新改造。结合琅口水电站的实际现状情况，增效扩容改造主要内容为：

(1)对引水明渠、隧洞进行清淤，部分渠墙进行加高、加固和防渗处理；厂房设备基础开挖恢复工程和墙体及地面装修；升压站土建改造。

(2)更换水轮机及其辅助设备，更换发电机、更换主变和其他电气设备，自动化系统改造。

(3)更换前池进水口拦污栅。

(4)升压站配电设备、接地体改造。

3　增效扩容改造方案

琅口水电站为引水式电站，引水系统长达7.0 km，水工建筑物不宜进行大范围改造，压力前池正常蓄水位保持不变，电站下游设计尾水位亦不变，仅对引水系统做清淤及部分渠段加固防渗处理，保证过水能力。要达到国家财政部、水利部规定的改造后以电量计算的增效扩容潜力需增加20%以上，额定工况下水轮发电机组的综合效率应达到75%以上的要求，装机容量及水轮机机型选择极为重要；这也是本次增效扩容改造的关键，直接决定增效扩容改造的成败。

3.1电站装机容量的选择及台数

按照农村水电增效扩容改造应符合“科学性、合理性、经济性”的要求，电站力求在原水工建筑物基本不变的情况下进行增效扩容更新改造。通过对原有机组基础尺寸进行实地测量，并结合多年运行情况，在水文分析计算及水能复核的基础上，根据水轮机运转特性曲线按流量和净水头采用相应水轮机效率计算电站日平均出力和电量(见表2)。

表2　装机容量方案比较

通过技术经济比较，装机5 000 kW方案单位电能投资在各方案中最优，虽然装机利用小时数仍较高，但由于再扩大装机需要对引水系统进行大幅度改造，引水系统长，水工建筑物投资大，对水土保持和生态环境破坏严重，有违增效扩容改造经济合理、环保精神。结合保护生态环境考虑因素和从合理利用水力资源的角度出发，本次改造确定琅口水电站装机容量为5 000 kW，扩容200 kW，机组台数不变，为2台。

3.2水轮机机型选择

结合琅口水电站特点，水轮机机型选择主要考虑的因素有：水轮机工作水头范围适合电站的工作水头范围；水轮机型号合理，过流恰当且效率高；合理利用水能资源；满足引水道过流能力和厂房尺寸要求；尽量利用原机座及尾水管，不做大的改动。

琅口水电站上游有中型水库年调节，水电站工作水头范围60.0～67.9 m，对照水利部关于印发《农村水电增效扩容改造项目机电设备选用指导意见》的通知(水电〔2011〕438号)要求，根据对该水头段及流量机组机型分析及以上提出的机型选择考虑的主要因素，选择HLA630—WJ—80和HL220—WJ—71混流式水轮机进行比较(见表3)。

表3　水轮机机型选择比较

从表3可以看出，HLA630—WJ—80机型的效率高于HL220—WJ—71机型，虽然价格略高，但更能够满足前述水轮机机型选择考虑的主要要求，本次增效扩容改造选择HLA630—WJ—80机型。

3.3水工建筑物改造

本次改造设计发电引用流量为9.34 m3/s，引水系统过水能力为9.8 m3/s，满足要求。通过现场踏勘和复核，拦河坝处进水口不改造，满足要求，仅对7.0 km长的引水系统(其中隧洞4座，长度1 453 m；渡槽3座，长度149.0 m；明渠长度5 398 m)进行清淤，对部分渠墙进行加固、加高，对漏水点进行防渗处理；对厂房设备基础混凝土局部开挖和恢复工程，对厂房墙体及地面进行装修。升压站改造采用C20混凝土变压器墩、储油坑、排油管道，修复升压站围墙大门。

3.4水轮发电机组改造

琅口水电站为引水式电站，上游有龙头水库调节，工作水头范围60.0～67.9 m，设计引用流量9.34 m3/s。经以上综合比较选择了2台HLA630—WJ—80型水轮机，转轮直径80 cm，额定水头64.0 m，额定流量4.67 m3/s，额定转速750.00 r/min，额定点效率90.7%，额定出力2 660 kW。

对照水利部关于印发《农村水电增效扩容改造项目机电设备选用指导意见》的通知(水电〔2011〕438号)要求，选配2台SFW2500—8/1730型发电机，额定出力2 500 kW，额定点效率96.4%，额定电压6.3 kV，额定转速750.00 r/min，飞逸转速1 452 r/min，频率50 Hz，功率因数0.8，绝缘等级为B级，定子绕组为星型接法，冷却方式为管道通风。

3.5调速器及蝴蝶阀改造

电站原采用YT—1000机械式调速器，本次更换为YWT—1000微机调速器，满足微机监控、操作的要求。

电站原进水主阀采用型号为D941H—16(φ1 000)的手、电动操作蝴蝶阀，闸阀全关时有漏水现象，本次更换为1250HD7s41H—16C重锤式自动保压锁定型液控蝴蝶阀，并配电动旁通阀。

3.6升压站改造

淘汰原主变1台SL7—5000/38.5型和近区变1台SL7—1600/10.5型老式高耗能铝芯变压器，安装1台主变型号为S11—6300/38.5节能型变压器。近区工厂用电已改为电网供电，因此取消了近区变。同时，补充埋设接地体，降低接地电阻，设置均压带，采用高阻率材料敷面，确保人员安全。

3.7电气一次设备改造

电气主接线仍采用单母线不分段接线方案。本次改造除了更换电缆线外，还将GBC—35型开关柜更换为JYN1—40.5型开关柜，配用ZN85—40.5/1250真空断路器；将GG—1A型开关柜更换为KYN44—12(Z)型开关柜，配用VS1—12真空断路器；采用JDJJF2—35电压互感器取代JDJJ2—35电压互感器，提高电量测量与计量的精确度。

电站原配电装置中采用老式阀型避雷器，设备老化、可靠性低，接地系统中接地装置腐烂，接地电阻高，升压站内未设置均压网，未采用高阻率材料铺面，对设备及人身安全有一定的威胁。本次改造采取主变低压中性点不接地，发电机中性点经氧化锌避雷器接地。为防止雷电侵入波的影响，在6.3、35 kV配电装置母线及线路安装氧化锌避雷器，以实现配电装置过电压保护。主变户外安装场地紧挨主厂房旁边且比较矮，厂房屋顶及带避雷线的线路杆塔比较高，满足防雷保护要求，因此不再设立独立的避雷针。主、副厂房利用其原有屋面板钢筋及其引下线与全厂接地装置连接，以保护建筑物免受雷击。全厂接地设计充分利用现有接地体，补充设置一定数量的新人工接地体，以提高接地体的可靠性，降低接地电阻。所有电气设备均按规程规定可靠接地，全厂接地电阻值小于1 Ω。

3.8微机监控系统及电气二次设备改造

计算机监控系统改造按照“少人值守”的原则设置，采用全分层分布开放式网络结构，由电站控制层和现地控制保护层等组成，采用组屏方式安装，中控室集中监控。

计算机监控系统采用先进成熟的硬件、软件及网络技术，能够与调速器、励磁、同期装置、保护和低压智能开关等厂内智能设备进行通信，并预留远方调度接口，实现远动、遥信及遥测。具有数据采集和处理，实时控制和调节，安全运行监视及事故报警，屏幕显示事故处理指导和恢复指导，语音报警，统计与制表，数据通信，键盘操作，电站设备运行维护管理，系统自诊断与冗余切换，软件开发及培训仿真系统等基本功能；实现对机组开、停、运转以及增减负荷等自动控制的基本要求；对全厂的主要电量、非电量、状态量等进行实时监控，自动巡检、自动打印各种报表、事故记录和显示各种状态等功能。

本次改造弃用35 kV载波通信系统，改为租用电信光缆，实现与县调及其他计算机系统之间的通讯，传递各种事件信息，接受下行命令对设备进行监控。通信电源由厂用电和直流电源提供，正常时采用厂用交流电；当交流电源消失时，切换到直流电源屏上。

3.9金属结构改造

压力前池进水口拦污栅变形，锈蚀较严重，本次改造对拦污栅进行更换，重量3.5 t。

4　增效扩容改造实施效果

琅口水电站隶属沙县官昌水库管理处，为保障增效扩容改造工程顺利进行，专门成立领导小组，具体组织实施。工程于2013年12月16日动工， 2014年6月24日顺利并网发电，历经191 d，改造任务顺利完成。电站的增效扩容改造采用技术先进、质量可靠、节能环保、自动化水平高的机电设备，职工劳动强度减轻，生产环境改善，生产管理难度降低，设备安全隐患消除。通过电站增效扩容改造，完善生态流量泄放设施，改善河流生态环境，努力实现人水和谐，综合效益明显。

经实际运行记录，水轮发电机组综合效率达87.43%，额定工况下单机出力达2 500 kW，最大单机出力达2 700 kW，增效扩容改造效果达到设计要求，顺利通过2015年7月31日三明市水利局会同三明市财政局组织的完工验收，与会代表、专家对琅口水电站增效扩容改造的经济效益及效果和焕然一新的厂内外环境给予一致的好评。至完工验收之日，电站累计发电量2 995万 kW·h，相当于节约标准煤1 087 t，减排二氧化碳2 867 t，减排二氧化硫9.1 t,提高了环境效益。

5　结　语

通过对沙县琅口水电站增效扩容改造方案的浅析，有如下体会：

(1)应认真领会国家财政部、水利部有关农村水电增效扩容改造的文件精神，拟定增效扩容改造的范围和项目内容应符合能提高综合能效和安全性能，增加发电能力，能推进流域梯级优化调度的要求和规定。

(2)应全面分析水电站枢纽工程的特点与现状，在不增加原有机组台数的基础上对电站机电设备和配套设施进行更新改造，选准增效扩容改造的具体项目和内容。

(3)增效扩容改造总装机容量和水轮机型号选择应充分考虑和利用电站现有水工建筑物的使用效率，在尺寸上不宜有太大改动。本次增效扩容改造总装机容量选为5 000 kW，容量适宜，机组台数不变，仍为2台，不扩大厂房，节省了土建投资。水轮机型号选择为HLA630—WJ—80型，在电站工作水头范围内效率高，对原有基座改动小，并能充分利用原有尾水管，节省了土建投资。

(4)发电机选为效率高的SFW2500—8/1730型，符合技术要求。

(5)电气主接线仍采用单母线不分段接线方案，主变选择1台S11—6300/38.5节能型变压器，电压升压至38.5 kV，与县网的洋坊变并网，接线简洁，满足要求。

(6)相关配套设备设施均选用与主要设备相适应，符合水利部关于印发《农村水电增效扩容改造项目机电设备选用指导意见》的通知(水电〔2011〕438号)规定的型号、性能要求。

沙县琅口水电站增效扩容改造方案符合政策要求和工程实际现状特点，各改造项目及内容的选择符合实际要求，电站增效扩容改造效益及效果明显，运行工作环境及厂容厂貌焕然一新，对类似水电站工程的增效扩容改造设计有很好的借鉴意义。

[1]GB/T 50700—2011，小型水电站技术改造规范[S].

[2]陈建平.罗田水电站水轮发电机组增效扩容技术改造[J].广西水利水电，2012(1)：50_51.

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责任编辑吴昊

2016-06-15

姜妍(1982-)，女，工程师，主要从事水利水电工程建设管理工作。

E_mail:14347968@qq.com