农村水电增效扩容改造设计浅谈

◎邹明明

介绍当前农村水电增效扩容改造的背景及小水电存在的系列问题，分析开展农村水电增效扩容的必要性，并举例说明增效扩容改造设计的内容。

农村水电不仅是重要的可再生、清洁能源，而且具有防洪灌溉、生态涵养、改善民生等多重功能，是农村重要的基础设施。农村水电事业直接关系到我国农村经济社会发展、山区生态建设和环境保护。改革开放以来，我国农村水电建设蓬勃发展，目前全国已建成农村水电站45000多座，装机容量6500多万千瓦，超过3个三峡电站的装机容量，年发电量近2200亿千瓦时，约占全国水电的30%，在增加能源供应、减排温室气体、保护生态环境等方面发挥了积极作用，为农村发展、农民增收和民生改善作出了重要贡献。但也要看到，由于受当时技术水平和经济条件的制约，农村水电站设备设施老化，能效逐年衰减，不仅大量浪费水能资源，影响河流生态环境，还带来不少安全隐患。

一、改造设计内容

1.改造设计原则。增效扩容改造设计应遵循《农村水电增效扩容改造项目初步设计指导意见》中的要求，以提高综合能效和安全性能、促进水资源综合利用、维护河流健康为目标。改造内容应以机电设备更新改造为重点，并对影响发电效益、工程安全、河道生态和运行环境的挡水、泄水、引水、厂房等建筑物、金属结构及送出工程等进行必要的改造。增效扩容改造项目不增加原有机组台数，原则上不新增移民和永久占地。

从水电站水能利用过程和现今行业发展趋势来看，水轮机组及其附属设备、发电机组及其他电气设备以及综合自动化是农村小水电改造的主要内容，也是决定设计成果是否达到增效目的的关键因素，因此，改造任务应主要抓住这三方面改造设计。

2.水轮机及其附属设备改造。水轮机技术改造应遵循先进性、合理性、经济性的原则，再根据河流具体水质情况，通过更换新型转轮或改进通流部件型线与结构，提高水轮机运行效率。最终达到增效的目的。

调速系统、进水阀、起重设备等则根据机组设备技术改造要求和工程具体情况，对水力机械辅助设备系统作相应的校核改进或更新改造。

3.发电机及变配电设备改造。发电机的技术改造，首先应考虑与水轮机在容量上互相配合。并根据设备实际情况与制造厂研究协商，采用新材料、新结构和新工艺，并选定合理的改造方式和范围达到改造目的。可通过改进通风冷却系统；更换定子绕组和转子磁极线圈或同时提高绝缘等级；增加定子和转子磁极的铁芯长度或重新设计、制造符合增容要求的发电机等方式完成。

变配电设备主要包括主变压器及其他电气设备。这部分设备主要以更新换代为主：老式变压器应更换为新型节能型变压器；其他电气设备（如断路器、隔离开关、高压开关柜、电缆、母线、互感器及高压出线等）均应在满足各种可能运行方式下回路持续工作电流和动、热稳定性要求外，优先考虑安全可靠性高、节能环保型设备。

4.综合自动化改造。大部分农村水电增效扩容改造项目由于受当时技术水平和经济条件的制约，电站根本无法实现自动化或者自动化程度很低，远不能实现现代化运行的需要。因此综合自动化改造升级也是农村小水电改造的核心。

综合自动化改造应统筹兼顾国家和部颁标准，根据电站装机规模，从经济实用的原则分别对监控系统、励磁系统、同期系统、调速器、继电保护装置和直流系统进行改造和增设。电站改造升级后，要求当保护装置动作时，在没有运行人员干预的情况下，能够实现自动停机；有条件的水电站还可进一步改造为无人值班遥控水电站。

二、改造案例

1.工程概况。渔洞子水电站于1994年建成并网发电。电站位于陕西省宁陕县龙王镇境内，为径流引水式电站，由取水枢纽、引水建筑物和电站厂区建筑物组成，工程主要任务为发电。电站改造前设计水头73.5m，设计流量4.45m3/s，装机容量3×800kW，多年平均发电量1260万kW·h，年利用小时数5000h。目前渔洞子水电站上游已建成一级不完全调节的水库式电站——宁陕县太山水电站，其水库总库容835万m3，调节库容524万m3，上游建库后调节流量大幅增加，为渔洞子水电站扩容创造了极为有利的水源条件。

2.工程现状分析。渔洞子水电站建设年代较早，受当时设计施工条件的限制，设计装机容量选择偏小，电站每年产生大量弃水，水能资源未能得到充分利用；电站已运行近二十年，机电设备已严重老化，效率极低，严重影响了电站的正常发电和效益。电站目前主要存在以下问题：（1）水轮机磨损和锈蚀严重，机组出力严重不足，最大出力只能达到1800kW；推力瓦温度过高，运行不稳定；（2）电气设备陈旧落后，可靠性低，安全隐患多，且大多为国家明令淘汰产品；（3）电站自动化程度极低，不能满足现今行业运行管理要求；（4）该电站上游已建成的太山水电站为不完全调节水库式电站，为本站创造了极为有利的水源条件。

3.改造方案。根据渔洞子水电站运行现状及水能计算结果，电站增效扩容改造方案如下：（1）将原有三台800kW机组更换为两台1500kW机组和一台3600kW机组；（2）更换原有 6kV开关设备为KYN28-12（Z）型手车式铠装金属封闭高压开关柜；更新改造35kV变配电设备，选用S11-8500/35型低损耗节能主变压器；更新改造电站全部监控、保护和直流电源设备。（3）考虑到电站升压站位置及架构基础已定，电站主接线方案确定为三台发电机出口6.3kV侧采用单母线接线，经一台8500kVA主变压器（S11-8500/35）升压至35kV接入系统，升高电压侧采用线—变组接线；接入系统方式维持原有不变，且接入线路经初步核算满足要求。

4.改造前后对比论证。（1）发电效益（取电站厂用电率5%，上网电价0.31元/kW·h）。①改造前。由于改造前电站水量充足，发电量按超发5%计算，多年平均发电量为：2400×（1+5%）×5000h=1260万 kW·h；年销售电量：1260×（1-5%）=1197万kW·h；年售电收入：1197×0.31=371.07万元。②改造后。多年平均发电量：6600×3010=1986.6万 kW·h；年销售电量：1986.6×（1-5%）=1887.27万kW·h；年售电收入：1887.27×0.31=585.05万元。（2）运行管理。①改造前。原机组设备老化、效率低，且机型已经停产，大修时配件难于购买；电站电气设备老化、故障多，自动化程度很低，运行管理安全可靠性差，基本不能实现现代化运行的需要。②改造后。按照最新标准规范，对水轮发电机组、变配电设备、监控保护系统等进行重点改造，提高了水电站自动化、信息化和现代化水平，消除了各类安全隐患，保障了公共安全和生产安全。

三、小结

当前许多农村小水电由于受当时技术水平和经济条件的制约，普遍存在设备设施老化，能效逐年衰减，不仅大量浪费水能资源，影响河流生态环境，还带来不少安全隐患。全面推进农村水电增效扩容改造，不仅能提高水能资源利用效率，消除公共安全隐患，更有利于促进节能减排，保护河流生态环境。是一项投资少、见效快、一举多得、利国惠民的德政工程和民生工程。