南秦水库水电站增容改造方案探析

苏 文

（商洛市水电勘测设计院，陕西 商洛 726000）

南秦水库水电站建成以来，因水能没有充分利用，加之部分设备老化，使得水电资源浪费严重。为了提升水电站效益，需对南秦水库水电站进行增容改造。

1 概况

南秦水库位于丹江一级支流南秦河上，是一座以防洪为主兼顾灌溉、发电、养殖等综合利用的小（1）型Ⅳ等水利枢纽工程[1]，由大坝、溢洪道、冲砂洞、泄洪洞、灌溉涵洞和发电引水隧洞等组成。南秦水库水电站站址位于水库溢洪道出口左侧，前临河，后靠坡，1994 年建成并正式投产发电，设计装机容量2×250 kW，设计水头23～33 m，引水流量3.0 m3/s，属南秦水库坝后式电站，调节性能为年调节[2]；设计年发电量为294万kW·h，目前多年平均发电量为38万kW·h。电站厂区建筑包括厂房、变电站、尾水渠等。

2 存在问题

因当时建设条件及其他诸多原因，南秦水库水电站建成后所实现的经济指标与设计值相比差距很大，多年平均发电量仅占设计值的13%，其问题主要表现在以下几个方面。

（1）水工建筑物中，厂房年久失修，漏水严重，且无避雷设施。

（2）引水洞口无控制设备，需新修放水塔、人行桥。

（3）进场交通桥及附近河堤遭水毁，需重新修建交通桥。

（4）进水口未设闸门，尾水渠末端未设防洪闸门。

（5）机电设备老化。电站经过近20 a的运行，水轮机蜗壳锈蚀；蝴蝶阀磨损、腐蚀严重；主变压器、电缆陈旧，耗能大，效率低；输出电路损坏严重，电气自动化设备已瘫痪。

综上，南秦水库水电站急需进行增容改造，以提高水资源利用效益。

3 增容改造方案

3.1 进水口设计

南秦水电站原进水口为隧洞直接进水，洞径1.5 m，拦污栅用角钢和扁铁加工而成。因进水口未设闸门，检修机组时只有关闭蝴蝶阀才可进行。在实际使用过程中，由于蝴蝶阀关闭不严，给检修工作带来很大困难。经过勘察和调查，结合工程实际地形条件，需要增设方便运行管理的进水口设施。进水口设计形式选择塔式进水口。新修放水塔1 座，进水口处设检修及工作闸门各1道；更换原拦污栅，拦污栅重1.2 t，尺寸2 m×2 m，安装角度90°，栅格外镀锌防锈。

3.2 厂区设计

电站厂区设计包括厂房、变电站、尾水工程、防洪河堤及厂区交通。

3.2.1 厂房

南秦水库水电站增容改造工程利用原有厂房。厂址位于溢洪道出口左侧，背坡面河。厂房为砖混结构，共4 间，跨度9 m，柱距4.2 m，净空高4.7 m，建筑面积151.2 m2。

将原2 台250 kW 水轮机机组扩容改造为2 台320 kW 机组，机组与厂房轴线平行布置，安装高程93.4 m。厂房进水形式为1#机组正向布置，2#机组与厂房纵向轴线交角为30°布置。

根据地质资料，电站厂房后部斜坡（引水隧洞出口）曾出现过滑塌，近几年雨季有掉块现象，为防止再次出现滑塌，影响人身和财产安全，在下部修建1道长30 m、高1.5 m 的梯形浆砌石挡墙。挡墙基础宽1.35 m，顶宽0.50 m，内侧为直墙，外侧坡比1∶0.5，均采用M7.5浆砌石砌筑；挡墙每间隔10 m设1 道伸缩缝，伸缩缝采用厚20 mm 的聚氯乙烯伸缩缝板。挡墙轴线与电站进水管交叉，该部位留一门洞，为城门洞型，为电站管道检修留有一定空间。

3.2.2 变电站

变电站位于厂房左后侧，将原安装SJL1-630/10型号变压器更换为S11-M-800/10 型号，以10 kV 出线和系统连接。

3.2.3 尾水工程

尾水室采用C20 钢筋混凝土衬砌，1#、2#机组尾水汇入尾水池，尾水池接尾水渠，尾水排至厂区下游河道。尾水渠采用浆砌石暗涵，渠道宽1.35 m，设计比降1/250，设计水深1.2 m。在原电站尾水排放系统基础上，在尾水渠末端设防洪闸门1 套，选用PGZ-1.5 m×1.5 m 平面铸铁闸门，配套LQ-10 t 手电两用螺杆启闭机1台。

3.2.4 防洪河堤

厂区防洪河堤防洪标准为20 a 一遇，设计洪峰流量606 m3/s。河堤总长度260 m，堤顶宽度4.0 m，堤身高5.0 m，临水坡面采用40～80 cm 厚M7.5 浆砌石砌护，坡比1∶1.5，背水侧坡比1∶2。河堤顶部用M10 砂浆抹面，底部与防冲齿墙连接，齿墙顶宽1.0 m、底宽1.5 m、埋深2.5 m。

3.2.5 厂区交通

进厂路为一架长39 m、宽1.8 m 五跨钢结构人行桥，桥两侧加1.2 m高防护栏杆。厂区内公路按临时道路设计，路面为泥结碎石。变电站至引水隧洞进口，沿溢洪道左侧边坡布置1 条长321 m、宽1 m的人行步道。桩号Y0+000—Y0+157 段，路面宽0.62 m，厚0.10 m；路外为宽0.38 m、高0.30 m 的路缘石。路面和路缘石均采用C15混凝土浇筑。路缘石上安装栏杆，栏杆立柱和横拉杆均采用C25 混凝土预制。路面和路缘石每间隔11.55 m 设1 道伸缩缝，伸缩缝采用厚20 mm 的聚氯乙烯伸缩缝板；路缘石每间隔10 m 设1 道排水管，排水管采用DN80 硬塑料管。

3.3 机电设备改造

3.3.1 水力机械现状

南秦水库原电站总装机容量2×250 kW，设计年发电量294 万kW·h，年利用小时5880 h，实际多年平均发电量38万kW·h[3]。原电站基本数据为：最大水头26.6 m，最小水头17.5 m，设计水头23.3 m；设计流量3.0 m³/s；机组安装高程93.4 m。原机组参数为：水轮机型号为HL260-WJ-50，额定出力274 kW，额定水头23.3 m，额定流量1.49 m³/s，额定转速750 r/min；发电机型号为SFW250-8/850，额定功率250 kW，额定电压0.4 kV，额定电流451 A，额定转速750 r/min；功率因数0.8，调速器YT-300，蝶阀Φ=800 mm。

3.3.2 水轮机确定

（1）电站基本资料。扩容后，最大水头26.6 m，最小水头17.79 m，设计水头22.55 m，设计流量3.6 m³/s，装机容量2×320 kW。

（2）单机容量及机组台数确定。依据水能计算公式计算得出总装机容量为650.3 kW，考虑原电站进水、退水水工结构及厂房结构的限制，装机方案拟定为在原电站机座的基础上装设单机容量为320 kW 的2台机组，即2×320 kW。此装机方案比原电站扩容140 kW。

（3）水轮机机型确定。根据《小型水电站机电设计手册》（水力机械）中各型水轮机的应用范围，适合本电站的机型为混流式水轮机（20～700 m）[4]，经查水轮机型谱，选用水轮机型号为HLD74-WJ-55，额定水头22.55 m，额定流量1.8 m³/s，额定出力344 kW，额定转速750 r/min，额定效率90%；发电机型号为SFW320-8/850，额定功率320 kW，额定转速750 r/min，额定电压0.4 kV，额定电流577 A，功率因数0.8，额定效率93%。

（4）调速器确定。机组所需最大调速功为206 N·m。为了满足电站机组运行要求，配备自动化程度较高的YWT 型微机式调速器，型号为YWT-300，调速功为300 N·m。

（5）机组安装高程。电站原地坪高程为92.6 m，安装高程为93.4 m。本次更换机组后，根据机组尺寸确定机组安装高程为93.4 m，满足机组汽蚀要求。

3.3.3 水轮机附属设备选择

根据同类电站运行经验，为了提高转轮抗磨蚀能力，降低电站维护检修工作量，本电站采用不锈钢转轮[5]。机组转轮直径55 cm，虽为非标准尺寸，但直径较小，不存在制造、运输等困难。本电站采用联合供水方式，水头为22.55 m，在每个分叉压力管道上设置手、电动操作蝶阀（Φ=800 mm）。

3.3.4 电气设备分析

目前，南秦水库水电站接入系统方式为1 回10.5 kV 出线，以“T”形接于南郊线输送至商州变电站，输电距离7 km。电站选用630 kVA 1 台变压器。系统经过多年运行，电流平衡，运行安全可靠。

（1）接线方案拟定。由于南秦水库水电站2 台机组相同且装机容量较小，考虑到小水电的特殊性，选用1 台变压器的单母线接线方式较为适宜，此方案具有接线简单、运行维护方便、可缩小布置场地、节省投资的优点。

（2）电站厂用电。厂用电采用380/220 V三相四线制供电系统，分别接自0.4 kV 母线及附近农网用电，采用双电源互投装置，互为备用。

（3）主要电气设备选择。设备选择原则如下：必须满足额定电压、电流大于回路最高工作电压和最大持续负荷电流；必须满足使用环境的要求；按系统提供的短路参数计算短路电流并进行校验；尽量选用国产通用型先进产品，在国产设备不能满足要求时，可少量进口必需的国外产品。根据以上原则及使用条件要求，南秦水库水电站主要电气设备选择详见表1。

表1 南秦水库水电站主要电气设备选择

（4）电缆及母线。机组出线电缆选用3 根YJV22-0.6/1 kV-1×400及1根JV22-0.6/1 kV-1×240型电缆，变压器低压侧采用LMY-80×10+50×5母线，短路电流热效应、动稳定均满足要求。

（5）过压保护。对直击雷的防护采用避雷针，对雷电侵入波的防护采用避雷器，尽量降低全厂各种接地网的接地电阻。具体措施为：厂房屋顶设避雷带；升压站附近设1座高24 m避雷针，并单设接地极；在10 kV出线端装1组氧化锌避雷器；选用优良设备，同时尽量避开出现谐振过电压的条件，以防损坏设备。

（6）机电设备布置。主厂房内布置2 台卧轴混流式水轮发电机组及其附属设备，机组轴线沿厂房Y 方向布置，根据机组尺寸和规范要求，轴线至上游边墙5.41 m。调速器安装在下游侧，安装高程为93.4m。南秦水库水电站采用户外变电站形式。变电站布置在厂房西侧，地面高程为92.45 m，升压站内安装1 台主变压器，容量800 kVA，另设置有隔离开关、避雷器、架杆等设备设施。

4 结语

制约南秦水库水电站效益发挥的主要原因是进水口和机电设备老化等问题，上述问题使得电站发电量没有达到原设计能力。通过分析探讨，根据水能选取2 台（2×320 kW）机组，比原电站扩容140 kW。同时，对老旧机电设备进行改造，可以有效提高南秦水电站发电效益。