山區(qū)農(nóng)村小水電站設(shè)計(jì)分析

周 率

(遵義市赤水市水利局，貴州遵義564700)

0 引言

山區(qū)小水電站是農(nóng)村的重要基礎(chǔ)設(shè)施和公共設(shè)施，是由地方組織實(shí)施的各種所有制經(jīng)濟(jì)主體通過開發(fā)農(nóng)村水能資源形成的中小水電站及其配套電網(wǎng)，服務(wù)區(qū)域主要是農(nóng)村和縣域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。我國的山區(qū)農(nóng)村小水電是加快農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高農(nóng)民生活水平的重要途徑。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活方式發(fā)生著日新月異的變化，電力需求也不斷增大。尤其在山區(qū)農(nóng)村都把發(fā)展水電，加快電氣化建設(shè)，作為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村現(xiàn)代化的主要途徑，因此，人們對(duì)山區(qū)農(nóng)村小水電的發(fā)展也更加關(guān)注。

1 成因及分析

山區(qū)農(nóng)村小水電站有的建成年代早，在設(shè)計(jì)時(shí)不同程度存在一些不合理因素。主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面:①多處小水電站的裝機(jī)容量偏小，沒有經(jīng)過精確計(jì)算，影響了發(fā)電效率。②水輪發(fā)電機(jī)組選型不當(dāng)，發(fā)電模式不合理。③勵(lì)磁系統(tǒng)不能適應(yīng)并網(wǎng)運(yùn)行。④水能資源利用率低，水電站的經(jīng)濟(jì)效益低。

通過以上調(diào)查，分析出有以下4點(diǎn)原因:①在設(shè)計(jì)上沒有充分的掌握水文資料，對(duì)地勢(shì)和山形等地理概況了解不全面。②電站的設(shè)計(jì)方案沒有體現(xiàn)科學(xué)合理。③電站的主要設(shè)備選型也不夠合理。④自動(dòng)化程度和環(huán)保節(jié)能沒有達(dá)到水利部《農(nóng)村水利技術(shù)現(xiàn)代化指導(dǎo)意見》的要求。

2 解決方案

2.1 裝機(jī)容量的確定

確定裝機(jī)容量是農(nóng)村小水電站設(shè)計(jì)的重要構(gòu)成部分，因?yàn)檠b機(jī)容量的大小影響著水電站的規(guī)模和效益與科學(xué)合理的開發(fā)。裝機(jī)容量擬定過大，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行效率不高等問題，設(shè)備利用率的降低就會(huì)間接導(dǎo)致建設(shè)成本的增加。如果裝機(jī)容量擬定過小，則不能最大限度的利用水能資源。因此裝機(jī)容量的擬值既要保證設(shè)備的利用率又要合理的利用水能資源，確定裝機(jī)容量按如下6個(gè)步驟:

1)對(duì)山區(qū)農(nóng)村的水能進(jìn)行計(jì)算，求出保證出力Np以及保證電能Ep。

2)山區(qū)農(nóng)村小水電站的裝機(jī)容量年利用小時(shí)數(shù)一般不超過5 000 h，因此，在接步驟1)之后就要確定年利用小時(shí)數(shù)的目標(biāo)值。

3)完成以上2步驟之后，接下來關(guān)鍵就是要確定保證出力倍比系數(shù)C。可根據(jù)公式N(裝)=C×Np計(jì)算。計(jì)算保證出力倍比系數(shù)C要根據(jù)山區(qū)農(nóng)村小水電站的具體情況進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)還可以參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出山區(qū)農(nóng)村小水電站的裝機(jī)容量，詳見表1。

表1 保證出力倍比系數(shù)C參考表

4)根據(jù)實(shí)際情況、機(jī)組臺(tái)數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)容量的大小來確定裝機(jī)容量的方案，在通常情況下一個(gè)發(fā)電站會(huì)選擇相同型號(hào)的機(jī)組，山區(qū)農(nóng)村小水電站一般會(huì)選擇一至四臺(tái)機(jī)組，在特殊情況下可以選用大小機(jī)組相搭配的方案。

5)可根據(jù)不同設(shè)計(jì)方案的裝機(jī)容量數(shù)值的多少，再結(jié)合已經(jīng)算出的水能計(jì)算成果可求出多年的平均發(fā)電量E(年)，各個(gè)裝機(jī)容量對(duì)應(yīng)的裝機(jī)容量年利用小時(shí)數(shù)h(年)可根據(jù)公式h(年)=E(年)/N(裝)求出。

6)裝機(jī)容量的選擇可根據(jù)以上數(shù)值的計(jì)算成果，并參照目標(biāo)值，選取跟目標(biāo)值差距最小的方案。

3.2 水輪發(fā)電機(jī)組的選擇

3.2.1 型號(hào)的選擇

水輪機(jī)根據(jù)水力作用的不同分為2大類:反擊式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)。在這兩大類中，又可細(xì)分為6種不同的型號(hào)樣式。因此，在選擇水輪發(fā)電機(jī)組的時(shí)候不僅要從經(jīng)濟(jì)成本預(yù)算的方面考慮，更要綜合考慮不同水輪發(fā)電機(jī)組型式的流量、高效率區(qū)域以及適應(yīng)水頭等方面，只有各方面考慮全面才能最大程度的保證選出理想的機(jī)型。如果在運(yùn)行參數(shù)基本相同的情況下選擇立軸式機(jī)型比較好。比如，水頭范圍在20～40 m，采用混流式的水輪發(fā)電機(jī)組比較好;如果水頭范圍＜20 m，就不宜采用混流式發(fā)電機(jī)組而應(yīng)選擇軸流式的發(fā)電機(jī)組。這樣才能最大限度的利用水能資源。

3.2.2 機(jī)組安裝高程的確定

水輪發(fā)電機(jī)的型號(hào)確定后，關(guān)鍵就是發(fā)電機(jī)機(jī)組安裝高程的確定，為了盡量避免水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪被汽蝕以及防止水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)不良的現(xiàn)象，就要求發(fā)電機(jī)機(jī)組的安裝高程要低于設(shè)備所允許的最大吸出高度，并以此為依據(jù)確定水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的安裝高程。

1)臥式機(jī)組計(jì)算公式為:

式中:Z(下)為水最低水位，m;hs為機(jī)理論吸出高度，m;D為輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，m;為電站廠房所在地的海拔高程，m。可以將計(jì)算出的數(shù)值降低0.2～0.3 m確定安裝高程以便消除或減輕水輪機(jī)汽蝕。

3.3 電氣主接線的選擇

山區(qū)農(nóng)村小水電站的電站運(yùn)行人員進(jìn)行各種操作和事故處理的重要依據(jù)是電氣主接線。山區(qū)農(nóng)村小水電站的裝機(jī)臺(tái)數(shù)一般不超過4臺(tái)，總裝機(jī)容量大多在1000kW以下，正因如此，主變的臺(tái)數(shù)、回路數(shù)以及相應(yīng)的電壓等級(jí)也比較少。再加上山區(qū)農(nóng)村小水電站的工作人員和技術(shù)操作人員的專業(yè)素質(zhì)不是很高，只要滿足基本要求的電氣主接線擬定好，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)基本符合要求，再稍微使得接線的形式簡(jiǎn)單清晰即可。比如在有2臺(tái)或3臺(tái)機(jī)組的情況時(shí)，可以共用1臺(tái)主變并采用單母線不分段接線的形式。而在只有1臺(tái)機(jī)組的情況下，接線方式可以采用變壓器與發(fā)電機(jī)的組合方式。如果有4臺(tái)機(jī)組，那么可以根據(jù)水電站的實(shí)際情況來組合接線的方式。

3.4 水電站的勵(lì)磁系統(tǒng)

半導(dǎo)體勵(lì)磁裝置是多數(shù)山區(qū)農(nóng)村小水電站同步發(fā)電機(jī)所采用的裝置。這種類型的機(jī)組在單機(jī)運(yùn)行時(shí)有裝置簡(jiǎn)單，自動(dòng)恒壓和迄今迅速的優(yōu)點(diǎn)。但在與電網(wǎng)并列運(yùn)行時(shí)，會(huì)發(fā)生勵(lì)磁性能不適應(yīng)的情況:一旦當(dāng)水電站的電網(wǎng)配電壓力過高，發(fā)電機(jī)組就會(huì)發(fā)生明顯的震動(dòng)現(xiàn)象，此時(shí)便會(huì)自動(dòng)減少功率的輸出，造成這些現(xiàn)象的原因是無功負(fù)載與有功負(fù)載分配不穩(wěn)定所導(dǎo)致的，這不利于山區(qū)農(nóng)村小水電站經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展。所以應(yīng)按照實(shí)際和科學(xué)的參數(shù)來配備勵(lì)磁系統(tǒng)，農(nóng)村小水電站的建設(shè)若采用500 kW以上的發(fā)電機(jī)，那就需要配備可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)。如果發(fā)電機(jī)＜500 kW，那就需要首先考慮可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，同時(shí)合理運(yùn)用電抗移相相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)。

3.5 保護(hù)裝置

山區(qū)農(nóng)村小水電站的保護(hù)裝置，可以對(duì)發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷進(jìn)行保護(hù)，還可以做到水阻保護(hù)以及變壓器過載的短路保護(hù)等，全面的保護(hù)裝置還應(yīng)包括對(duì)防雷保護(hù)和過流及欠電壓的保護(hù)。在設(shè)計(jì)保護(hù)裝置的部分要盡量使得裝置簡(jiǎn)單可行，掌握起來容易，方便操作人員的檢修和維護(hù)，但關(guān)鍵是要滿足繼電保護(hù)的要求。這是設(shè)計(jì)保護(hù)裝置的前提。

4 小結(jié)

1)在考慮山區(qū)農(nóng)村小水電站的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)因地制宜，綜合考慮自然條件，比如溫差的大小，高差的大小等因素。

2)山區(qū)農(nóng)村小水電站的設(shè)計(jì)可采用外置式攔污柵，這樣不僅能使得清污更加方便容易，且保障電站的安全正常運(yùn)行，可減少水頭損失。

3)可以盡量擴(kuò)大徑流引水式電站的前池容量，提高調(diào)節(jié)能力。

5 結(jié)語

在設(shè)計(jì)山區(qū)農(nóng)村小水電站時(shí)要把握好設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都要遵循科學(xué)合理的原則。農(nóng)村小水電站的建設(shè)對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)方面發(fā)揮了不可替代的作用，因此，在設(shè)計(jì)過程中做好裝機(jī)容量的確定和水輪發(fā)電機(jī)組選擇的同時(shí)也要兼顧勵(lì)磁和保護(hù)裝置的優(yōu)化，從而使得山區(qū)農(nóng)村小水電站的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益最大化、合理化。

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