农村小水电站增效扩容水能复核及技术改造方案

谭剑波 王正中 甘雪峰 何自立

摘要：为准确掌握农村小水电增效扩容潜力，优化改造后机组运行组合，采用有径流资料的水力发电要素关联性函数，联合发电量反算引用流量，对峡口水电站水能进行详细复核，并确定与工程相匹配的装机容量和机型。设计应用表明，通过山岔河鹦鸽站径流资料及电站多年运行发电量统计数据的核算与反算，可获得能真实反映电站水能指标的准确数据，确保增效扩容改造设计方案具有较高技术可行性和经济优越性、通过合理改造，峡口水电站水能利用率及转换效率得到全面提高，弃水量减小，运行能耗降低，在增效扩容的同时实现了节能降耗的目的。

关键词：小水电；水能复核；发电量；装机容量；机组选型

中图分类号：TV747；TV76

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.029

小水电是帮助农村新兴经济体应对快速增长能源需求、减少CO2排放量的优质可再生清洁能源，对其合理开发利用是加强农村清洁能源基础建设，构建和谐新农村的重要保障。小水电在新农村社会经济发展、精准扶贫、节能降耗和抗旱应急救灾等方面均发挥着非常重要的作用。截至2016年年底全国已建成农村中小型水电站47000余座，总装机约7791万kWc。其中，在1995年以前建成且现处于低效运行条件或达到报废条件的农村中小型水电站有5700余座，装机容量约800万kW。这些水电站技术落后、机组效率低、安全自动化水平低和综合利用功能衰退，导致大量宝贵水能资源浪费，且运行存在较大安全隐患。因此，为提高水能资源利用效率，促进能源结构调整，改善河流生态，加速农村现代化发展和新农村建设，中央财政从可再生能源专项资金中安排资金对全国农村小水电进行增效扩容改造，以促进农村小水电行业的转型升级，充分发挥其综合效益。

农村小水电站增效扩容改造工程要求在水能复核基础上合理进行机型优选并配置先进的自动化监控系统，对落后陈旧、老化失修的电站设备进行全面更新改造，确保电站社会、经济综合效益高效稳定发挥。相比新建电站，在增效扩容改造过程中，受输水系统、过流流道、电站厂房结构等因素制约，改造增效设计方案更加复杂5。鉴于此，针对不同水电站具体工程特性，对增效扩容潜力、电站装机容量和机型进行合理分析研究，是农村小水电增效扩容改造亟待解决的问题。

1 水力发电要素关联性函数

在中小河流水资源合理开发利用中，径流计算在水力综合利用和水工建筑物布置与结构优化方面占有决定性地位。对于增效扩容小水电而言，可按照《小型水电站水文计算规范》（SL77-2013）推荐的频率分析法、水文比拟法或区域综合分析进行径流计算，也可根据电站多年发电量反推引用流量。小水电水能复核计算中，其关联性函数指标主要涉及电站出力、总装机和多年平均发电量。

电站出力为在某一运行工况下发出的电能功率，即式中：η为水轮发电机组总效率，由水轮机效率η机、发电机效率η电中、传动效率η传组成；A为电站综合出力系数，为总效率η与9.81的乘积；Q为电站发电引水流量；H为水轮机工作水头。

电站年发电量为出力与发电时间的乘积，即式中：∑N为全年月均出力之和；工为月均小时数，为730h。

设计多年平均发电量计算公式为式中：E丰、E平和E枯分别为丰、平和枯设计代表年的电站年发电量；E15%、E50%、E85%分别为保证率为15%、50%、85%时电站年发电量。

农村小水电所在中小河流通常只有参证站实测径流资料，为提高计算精度，确保水能计算成果与电站工程特性具有良好匹配性能，设计推荐采用电站同期发电量统计数据，利用式（1）、式（2），根据发电量数据反算获得发电引用流量：式中：Ei为电站第i月发电量。

若反算获得的发电引用流量均小于河流实测径流数据，则说明电站发电量统计数据全面准确，获得的引用流量数据合理可靠。结合电站前池与尾水波动特性、机组综合出力系数和引用流量3个指标，即可获得包含电站总装机容量与多年平均发电量、电站总装机容量与年利用小时数等特性关系的水能特性曲线。

2 农村小水电站增效扩容实例分析

2.1 工程概况

峡口水电站位于太白县鹦鸽镇六家村石头河一级支流山岔河上，属山岔峡流域梯级开发第一级。引水口位于山岔峡峡口以上约2.3km的峡谷内，采用低坝引水，坝址控制流域面积l12km2，经1853m无压隧洞引水至压力前池。原设计引水流量2.22m3/S，设计水头74.20m，裝机容量1320kW（2x500kW+lx320kW）。工程以引水发电为主，并担负下游山岔峡水电站引水调节任务。

2.2 机组存在的主要问题

峡口水电站已投运近20a，目前引水隧洞、进水前池、输水管道、过流流道和电站厂房等水工建筑物运行性能良好，仅局部存在破损、性能降低问题。而机电设备受当时建造水平低、设计标准偏低、管理理念滞后等因素制约，在电站投运以来问题不断且呈恶化发展趋势。机组长期带病运行，发电效率和自动化水平低、设计参数与实际不匹配、丰水期弃水严重、高能耗等，严重制约电站社会经济效益的稳定发挥，同时还存在绝缘性能降低、防洪标准不达标等诸多安全隐患。

（1）电站装机容量偏小，丰水期大量弃水。峡口水电站属低坝引水的径流式电站，无调节能力，装机容量偏小，当丰水期上游来水量超过电站所有机组引水流量上限时，多余流量就会从溢洪道直接下泄到下游。电站丰水期长期处于弃水状态，造成大量水能资源浪费。

（2）设计参数与实际不匹配，机组效率低。峡口水电站原设计水头低于实际水头，发电水头、过流能力等设计参数与实际运行工况间存在较大偏差，水轮机长期远离最优工况区运行，出力受阻。另外，机组参数偏差、空蚀、磨损及变形等导致水轮机叶片过流曲面出现开闭阻滞，以非平顺状态绕流，水力调节稳定性差，已无法达到额定出力，效率逐年降低，年发电效益递减。

（3）冷却系统损坏严重，机组运行能耗高。发电机冷却系统损坏严重，一些电子元器件已属于淘汰产品，无法找到合适替换元件。自机组投运以来，发电机冷却性能一直较差，机组未达到额定出力温度就已超高，只能处于非满负荷状态运行，导致水能资源浪费。发电机定子、转子绝缘等级偏低，为A/B级，存在耐电晕性能差、功率不稳定、漏电等不正常状态，对整个水轮发电机组安全稳定运行和运行维护人员人身安全埋下较大安全隐患。

2.3 水文分析及水能复核

鹦鸽水文站设立于1974年，在石头河水库坝址以上13km处，控制流域面积507km2。测验项目有水位、流量、泥沙、降水、蒸发，测验的水文要素均被整编刊布，径流资料连续完整，质量较好，可信度高。流域的气候条件相似，下垫面条件稳定，无较大引水工程，对流域年径流影响较小，年径流资料一致性较好。

峡口水电站选用鹦鸽站1974-2014年共41a年径流资料进行水能复核，年径流量过程线与趋势线见图1。

由图1可以看出，在41a径流资料系列中，丰水年年份有1980年、1981年、2003年，平水年年份有1988年、1999年等，枯水年年份有1997年、2006年。径流系列在1974-1978年变化较为平缓，在1979-1985年呈上升趋势，在1986-2014年呈下降趋势，可见所选年径流量系列中包含了丰、平、枯各种量级的流量，年径流系列具有一定的代表性。鹦鸽站所选资料多年平均流量为9.70m3/S，多年平均径流总量为306×l06m3。采用水文比拟法并考虑面积修正计算峡口水电站不同频率年径流量，结果见表1。

由表1可知，峡口水电站多年平均流量为2.14m3/S、多年平均径流量为67.60x106m3，与电站原设计发电引水流量2.22m3/S、发电引水总量56xl06mi相差不大，说明鹦鸽站实测水文系列资料的可靠性、一致性和代表性均较好。

为进一步掌握电站水能特性，根据太白县山岔峡水电开发有限公司提供的2005-2014年逐月发电量统计值E和机组运行工况记录，按照式（4）进行引用流量反算。结果表明：①发电运行水头H为73.15～73.85m，低于74.20m设计水头，机组长期运行在非高效工况区，效率较低：②机组综合出力系数为7.05～7.80，虽然满足原设计出力系数（7.70）要求，但在现代制造水平基础上，水轮发电机组整体效率可以达到88%，综合出力系数可以达到8.70甚至更高，机组综合出力较低，更新增效效益可观：③2005-2014年电站年均发电量为449.7万kW.h，年利用小时数高达5200h，年利用小时数大，电站装机容量明显不够，长期处于超发状态，不仅水能利用效率低，而且对电站设备安全运行不利，存在较大扩容潜力：④经引用流量反算，求得同期发电引水流量均小于电站上游来水流量.说明发电量反算数据准确可靠，电站在丰水期弃水流量高达1.2m3/S，扩容空间较大。

2.4 装机容量选取

根据相关参数分析，结合电站工程特性，计算来水逐月动能，获得电站装机容量一多年平均发电量和电站装机容量一年利用小时数间的关系曲线，见图2。

由图2可知，反算获得的电站装机容量一多年平均发电量关系曲线，能真实反映发电量随装机容量增大而增大且其增幅逐渐减小的特性。为获得最佳装机方案，必须寻找装机容量与发电量间的最优匹配组合。采用二阶导数求曲线反曲点（由正比关系变反比关系的拐点），在装机容量为1650kW时装机与发电量关系曲线出现拐点，即单从装机容量和发电量来看，1650kW是峡口水电站最优装机。但综合考虑机槽特征、机组功率序列和综合投资，最终确定峡口电站总装机为1580kW（2x630kW+lx320kW），年发电量502万kW.h。此时，年利用小时数为3180h，满足小水电站增效扩容改造要求大于3000h的技术指标要求。

扩容改造后，峡口水电站设计引用流量由2.22m3/S增大到2.66m3/S。为确保电站调度运行具有较高经济性，需根据前池来水量合理优化工作机组组合。由径流分析知，峡口水电站前池多年平均来水流量为2.14m3/S，超过2.66m3/S的发生频率为57.8%，也就是丰水期尚有部分弃水，改造后3台机组相互间影响很小。枯水期11月至次年3月，前池平均来水流量为1.27m3/S，占最大引用流量的48%，虽不满足3台机组全部正常运行，但可优化采取2台机组或320kW小机单机组运行组合，充分利用水能资源。

根据水能特性曲线及设计指标，最终确定装机容量为1580kW，比原来装机扩容260kW，容量增大比例为19.7%。改造后年发电量由改造前的449.7万kW.h增大到502.0万kW.h，年利用小时数由5200h降低到3180h，增效明显。

2.5 机组选型

根据水利部下发的“农村水电增效扩容改造”相关文件，增效扩容改造机型选择基本原则为：台数应保持与原台数不变，机型及布置要匹配原厂房结构及机坑建筑物。峡口水电站水头波动范围为73.1～75.3m，设计水头确定为74.2m。电站1#和2#水轮机容量由500kW增大到630kW，3#水轮机容量320kW保持不变。

峡口水电站工作水头为74.2m，属混流式水轮机适用水头范围（30～700m），宜优选混流式机组。根据额定水头和单机容量，查水轮机型谱，初选水轮机型式为630kW机组（推荐HLA550-WJ，备选HLA542-WJ）、320kW机组（推荐HLA542-WJ，备选HLD54-WJ）。通过计算水轮机出力、单位流量和工作验算范围等特性参数来合理确定转轮优选方案。

根据模型转轮单位流量及工作水头，确定推荐及备选转轮均为标准同步转速n=1000r/min。根据水轮机综合运转特性曲线计算得到不同流量及水头工况条件下的运转特性数据，对比分析结果如下。

（1）630kW机组。①HLA550-WJ水轮机工作范围在高效区，其最高模型效率可达93%，与备选机型HLA542-WJ相比，差异甚小，但HLA542-WJ额定工况点超越了95%出力限制线，明显不符合条件：②在同样水头且额定出力工况下，HLA550-WJ机型工作效率高，且工作范围及运转特性范围均更接近于高效区：③抗空蚀性方面，两种机型几乎相当。

（2）320kW机组。HLA542-WJ水轮机工作范围在高效区，其最高模型效率可达93%，性能优于HLD54-WJ；②在同样水头且额定出力工况下，HLA542-WJ机型效率高且工作范围好，更能适应不同运转工况：③抗空蚀性方面，HLA542-WJ更好，空蚀系数较小。

峡口水电站增效扩容改造优选性能较好的HLA550-WJ-60和HLA542-WJ-50水轮机及其配套的SFW-630-6/990和SFW-320-6/740发电机。同时，经吸出高程、过流能力、调节保证和结构应力适应性等复核计算，结果表明所选水轮机机型及配套发电机均能满足相关设计规范要求。

3 结论

农村小水电站增效扩容改造是水能资源合理开发、减少水损、提高机组综合能效、增加效益、降低運行能耗、节能减排的再创造过程。水能复核及机组选型是增效扩容计算分析的关键内容，也是工程改造后能否取得预期效益的设计关键点。结合工程特性和运行现状，根据实测径流资料水能复核及发电量反算关系，对峡口电站增效扩容潜力进行了详细计算分析，并经曲线二阶求导获得装机容量与发电量间的最优匹配参数。改造工程实施后，电站弃水量大、机组效率低等问题得到成功解决，发电效益得到明显提高。峡口电站改造方案具有较高科学性、合理性和可行性，可为有实测径流资料的无调节低坝引水式水电站的增效扩容改造方案设计提供一定参考。