淺談增效擴容改造小型水電站裝機容量的確定

楊新春

（博樂農五師全新勘測設計有限公司 新疆 博樂 833400）

新疆生產建設兵團第五師八十三團阿卡爾一級水電站建設于1983年，因受當時技術水平限制和經濟條件的制約，加之電站多年運行，工程老化、機電設備落后，普遍存在機組效率差、水能利用效率低、建筑物破損嚴重等問題。對這些老舊電站進行增效擴容改造，不僅能提高水能資源利用效率，促進節能減排，保護河流生態環境，還能消除公共安全隱患，讓當地群眾得到更多實惠，是一項費省效宏、一舉多得、利國惠民的德政工程和民生工程。經過對阿卡爾一級水電站水頭損失的復核計算，得出電站改造后的保證流量和保證出力，最終經綜合比選確定電站改造后的裝機容量，希望對新疆兵團第五師其它需增效擴容改造的電站提供幫助。

1 工程概況

新疆生產建設兵團第五師阿卡爾一級水電站隸屬于農五師八十三團管轄，站址位于阿卡爾河上游東西兩支流匯合口下游5km松樹溝溝口處，阿卡爾渠首的下游3.2km處，北距烏伊公路35km，為阿卡爾河梯級水電站開發中的第一座水電站，地理坐標東經 82°24′33″，北緯 44°16′09″，阿卡爾一級水電站建設于1983年，裝機容量2×1000kW，設計水頭60m，設計流量4.42m3/s，年設計發電量1040萬kW·h（近三年電站平均發電量721kW·h），年利用小時數5200h，電站電能均通過35kV輸電線路T接至阿卡爾三級站～阿卡爾110kV升壓站35kV輸電線路上，送入阿卡爾110kV升壓站，再由其送入系統電網。

新疆兵團第五師阿卡爾河主流發源于科古爾琴山，東支流發源于婆羅科努山。產流區主要在伊犁地區境內，匯合后進入博州，呈南北流向，出山口后散失于沖積～洪積扇，沒有河口。山口以上河長55km，河床縱坡在23‰～40‰之間，出山口后河床變寬，縱坡降至21‰以下。集水面積628km2，多年平均徑流量為1.32億m3。徑流以冰雪水、雨水、地下水混合補給，年徑流變化穩定，變差系數Cv計算值為0.10，徑流年內分配為冬閑水占15.1%，春灌期占18.5%，夏灌期占42.6%，秋冬灌期為23.4%。阿卡爾河多年月平均流量見表1-1。

根據阿卡爾河實測長系列資料可知，阿卡爾河枯水年（90%）Q年均=3.27m3/s，平水年（P=50%）Q年均=4.11 m3/s，豐水年（P=10%）Q年均=4.97m3/s。

由于電站設備老化、落后、自動化水平低，發電量低，電站效益較差，職工收入較低，導致職工的工作積極性不高，嚴重制約電站的運行管理。經過增效擴容改造項目的實施，不僅可鞏固電站現有的水電發電能力，還可新增發電量，提高電站效益，增加職工收入。本文將重點介紹阿卡爾一級水電站經增效擴容改造后電站裝機容量的確定。

2 裝機容量的確定

2.1 設計水頭確定

表1-1 阿卡爾河多年平均流量表

圖表2-1 流量～頻率關系曲線

該站為干渠引水式無調節水電站，改造后電站設計流量為5.2m3/s。復核整個流道的沿程水頭損失與局部水頭損失共4.01m電站改造后毛水頭62.69m，減去總水頭損失4.01m，得58.68m，即改造后電站設計水頭為58.68m。

圖表2-2 出力～頻率關系曲線

表2-1 經驗頻率、次數及水能指標表

2.2 裝機規模的確定

該站為無調節水電站，網上負荷主要為農業用電，季節性強，根據水利部《小水電水能設計規程》（SL76-94）該工程并網運行，且在小水電網中所占比重大于25%，水電站設計保證率取90%。

2.2.1 電站保證流量Q保的確定

根據阿卡爾河三個設計代表年得年均流量值，在表2-1查出其相應的年份,其年內各月流量即為設計年代表年年徑流量的年內分配。即：

豐水年（1991年）Q年均=4.97m3/s；

平水年（1984年）Q年均=4.18m3/s；

枯水年（1997年）Q年均=3.27m3/s。

將以上三個代表年得月平均流量以0.25m3/s為間隔，通過列表計算每個流量值的經驗頻率，見表2-1。繪制出流量～保證率曲線、出力～保證率曲線、裝機～發電量曲線（詳見圖表2-1、圖表2-2、圖表2-3）。

通過查圖表2-1流量～保證率曲線，得知電站設計保證率為90%時，保證流量為Q保=2.20m3/s。

2.2.2 保證出力N保的確定

采用公式計算：

式中：N保——機組保證出力

A——出力系數，取為8.2

Q保——保證流量，為2.20m3/s

H設——設計水頭，為58.68m

計算得：N保=AQ保H設=8.2×2.20×58.68=1059（kW）

2.2.3 電站運行方式

農五師八十三團阿卡爾一級水電站為徑流式水電站，裝機容量在電力系統中所占比重小于20%，其運行特征是任何時刻的出力主要決定于大河來水量，由于河道天然流量日內變化不大，該站擔任系統負荷中的基荷。

2.2.4 裝機容量選擇

根據《農村水電增效擴容改造項目初步設計指導意見》的要求，增效擴容改造項目不增加原有的機組臺數，因此，電站機組臺數與改造前保持一致，即電站機組維持在兩臺。

根據經濟比較確定，初步擬定以下三個裝機方案進行比較，最終確定最優裝機規模。計算結果見表2-2～表2-4。

方案一：裝機2×1000kW，只更換水輪機轉輪、增設自動化控制系統、更換前池排沙閘閘門及啟閉設備和引水渠、前池的改造等。

表2-2 不同流量裝機、年發電量、年利用小時數

表2-3 阿卡爾一級水電站不同裝機容量水能計算指標表

表2-4 阿卡爾一級水電站不同裝機容量指標表

方案二：裝機2×1250kW，更換水輪機組及其附屬設備、增設自動化控制系統，更換前池排沙閘閘門及啟閉設備和引水渠、前池的改造等。由于發電流量有所增加，需加高尾水渠以滿足過流能力。

方案三：裝機2×1600kW，更換水輪機組及其附屬設備、增設自動化控制系統，因流量增加過大，故需全部拆除重建。

優點：方案一和方案二均可在原設備基礎上進行改造，投資相對較低，工期較短，方案三未拆除新建電站，在自動化控制、年發電量等方面均有較高效果。

缺點：方案一和方案二在水輪機轉輪更換及水輪機組更換過程中需與廠家協商確定，耗時較長，方案三的缺點在于投資較高，施工期長，投資回收期較長。

從上表可以看出：

（1）各方案的投資隨著裝機容量的增加而增大，由于裝機容量增加，電站工程量和投資均相應的增加，且從投資回收期上來看，方案二效益回收最快；

（2）隨著裝機容量的加大，多年平均發電量也隨之增大，但當超過最優值時，發電量會呈下降趨勢，從資源的合理開發利用和滿足負荷發展的需求適當增大裝機是有利的，但考慮到該水電站無調節能力，方案間增加電量主要為汛期電量，不能被系統完全吸收，因此裝機容量不宜過大，所以本電站的裝機規模主要根據其經濟性決定。

（3）裝機從2000kW增加到2500kW，投資增加37.22萬元，系統吸收電量增加94萬kW·h，單位電能投資4.55元/（kW·h），補充千瓦投資744元/kW，優于方案一。

因此，由以上比較可知，電站增容至2500kW是合適的、經濟的。

3 結語

新疆生產建設兵團第五師缺煤少電，資源匱乏，故必須大力發展可再生能源。同時由于水電增效擴容不需移民，不增加環境負擔，開發成本和電能質量均優于風電、太陽能等同類清潔能源。經過對阿卡爾一級水電站水頭損失的復核計算，得出電站改造后的保證流量和保證出力，最終經綜合比選確定電站改造后的裝機容量，希望對新疆兵團第五師其它需增效擴容改造的電站提供幫助。陜西水利