機組選型對于小型水電站改造的重要性研究

趙國榮

(甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

隨著經濟的發展，能源需求量增大的同時需要減少對礦物燃料的依賴，水能是取代礦物燃料的清潔能源之一［1］。疏勒河灌區自上世紀開發以來，建成水電站24座，總裝機達136950kW，年發電量達57794萬kW·h，為地區的發展做出突出的貢獻，但隨著疏勒河流域部分小型水電站修建時間長，機電設備老化、磨損嚴重，導致水能利用率和設備效率大幅度下降。為充分利用水能資源，對部分小水電站急需進行改造。

改造電站與新建電站在技術的應用上是不同的，新電站的建設可以根據水頭、水情、工程區現狀進行踏勘，然后制定方案進行建設［2］。而老電站改造過程中，除復核以上工況外，還必須對現有電站進行全面系統的復核。首先是電站建設時期的條件，通過比較選定機組，并需著重對該機組的額定流量進行全面復核，使之能夠滿足現狀流道、尾水管等已存水力機械的性能要求。其次是機組選型，除了要保持優良的水力性能外，還需考慮尺寸的改變對與土建工程改造的影響，這比新建水電站在技術上難很多。

1 改造電站存在的主要問題

(1)發電機定子線圈絕緣老化嚴重。隨著機組運行年限的增長，當發電機出力達到65%～70%的時候，定子溫度高達95℃左右(電機絕緣和溫度成反比)，為保證設備和人員的安全，發電機出力只能限制在額定出力的65%～85%以內，設備長期處于帶病狀態運行。

(2)水輪機磨損嚴重。由于水質較差、水中夾雜著大小不等的石粒，經過多年運行，對水輪機的過流部件、導水機構及轉輪室磨損非常嚴重，導致引水量增大、機組出力卻達不到預計要求。

(3)高壓開關柜關鍵部件老化嚴重。電站高壓開關柜是GGA型開關柜，柜內安裝的斷路器為SN10－10型少油斷路器，此型號的斷路器現已基本淘汰，斷路器觸頭接觸電阻嚴重超標，需更換其導電桿的蓮花頭，咨詢多個廠家都已經不生產，其他操作機構早已不同程度的出現拒動，元、部件無處購買。

(4)電站發電機勵磁屏、水輪機調速設備、直流饋電系統等都基本處于將就的程度。機電設備均為80年代早期產品，現在的廠家已不再生產原來的配件，諸多設備配件均已淘汰，導致維修難度大、成本高，且大部分零件無法更換。

2 機組選型方案的確定

疏勒河流域小型水電站需改造的有新河口一級水電站和河西水電站［4］，本文以這2個水電站為例，著重研究水輪機機組選型對于改造電站的重要性。

2.1 新河口一級水電站裝機的確定

2.1.1 基本情況

新河口一級水電站位于疏勒河灌區昌馬舊總干渠上，坐落在昌馬總干渠42#陡坡至43#陡坡之間，為渠道引流式季節性電站。新河口一級水電站原有理論設計水頭為16.5m，總引水流量為22.5m3/s，總裝機3臺×1000kW，年利用時間為5256h，年發電量1576.8萬kW·h。通過數據整理，新河口一級水電站平均來水量達到30m3/s，通過對全年數據分析整理，發現年棄水量達到23%，水資源損失巨大，故根據來水和水頭確定改造后裝機為4000kW，并對裝機方案為3臺方案和4臺方案進行了比選。

通過必選發現，由于電站設計時按照設計流量選定進水口尺寸和管道管徑，如果選定為3臺機組方案，那么設計流量將有7.5m3/s變化到10m3/s，從而進水口尺寸過小，管道流速過快，最終導致水損加大，浪費水資源。如果對引水系統進行拆除重建，則土建投資為601.44萬元。而如果更改為4臺裝機，新建一個前池，新增壓力管道，引水系統土建費用投資235.73萬元。故最終確定方案為4臺裝機方案，即保持原有裝機不變的情況下新增1臺機組。

2.1.2 機組選型方案比選

由于新河口一級水電站原有3臺機組安裝高程確定(改造時為保證節約投資，蝸殼部分和尾水管不動)，故對原有機組和新增機組分別進行機組選型。由于現狀機組為軸流式機組，故在改造時為節約投資，也選用軸流式機組作為更換機組。原機組為軸流定槳式立式機組，更換后機型保持不變，原有機組更換水輪機可采用新型軸流定槳式轉輪ZDJP502和ZDJP401，故更換機組用此2種機型進行比較。新增機組由于不牽涉現狀廠房的改造，所以機組選型時可采用新型軸流定槳式轉輪ZDJP502和HLA551，故新增機組用此2種機型進行比較，具體見表1。

表1 更換水輪機機組選型比較表

對于現狀需更換的機組通過表1可以得出:(1)ZDJP502氣蝕系數稍大。(2)ZDJP502發電效率優于后者。(3)ZDJP502的出力比ZDTP401要大。綜合以上比較結果，更換機組水輪機推薦水輪機轉輪型號為ZDJP502。故確定機組型號為ZDJP502-LH-110，配發電機SF1000—14/1430。該機組土建時只需配合拆除水輪機層座環等部位鋼筋混凝土，其余部分均利用現有結構，極大的節約了投資。

對于新增機組通過表2可以得出:(1)ZDJP502氣蝕系數略大。(2)ZDJP502設計點效率稍高。(3)ZDJP502機組效率較HLA551機組對流量的變化非常敏感，當流量偏離額定點時機組效率急劇下降。HLA551機組效率對流量的變化相對不是很敏感，機組流量偏離額定工況時也能在高效區運行。綜合以上比較結果，機組水輪機推薦水輪機轉輪型號為HLA551。水輪機選型為HLA551-LJ-120，配發電機SF950—14/1430，土建部分按照新建標準進行建設。

2.2 河西水電站機組裝機的確定

2.2.1 基本情況

河西水電站位于玉門市疏勒河昌馬舊總干渠48#～49#陡坡之間，于1989年1月建設，電站總裝機2400kW。2003年通過電站的平均引水流量(約35m3/s)中的2/3分配到了西干渠。導致通過河西水電站的平均流量約13.5m3/s。故對原有的3#水輪發電機組進行了報廢，使得電站裝機變為1600kW(2臺×800kW)，設計水頭14.21m，設計流量13.5m3/s。本次改造通過對水頭、水情復核，并保持原有裝機臺數不變。

2.2.2 機組選型方案比選

在考慮機組選型時，首先對機組裝機形式進行了比選，分別為1臺1000kW+1臺650kW和2臺×850kW方案。若采用1000kW+650kW方案，則需將1臺水輪機改為ZDJP502－LH－116，配發電機SFK1000－14/2150;另1臺改為 ZDJP502－LH－95，配發電機SF－K650－12/1730，通過分析由于河西水電站現有2臺水輪機均為ZD560a－LH－100，配發電機SF－K800－10/1730。

原水輪機尾水肘管進口直徑φ1312mm，進口面積1.352m2;渦殼進口第一斷面底寬585mm，頂寬854mm，高1400mm，第一斷面面積1.007m2。而選定的ZDJP502－LH－116水輪機，在額定水頭14.2m，額定轉速 428.6r/min，機組額定出力1000kW時，單位轉速 131.9r/min，單位流量1.681m3/s查模型綜合特性曲線，槳葉安放角度在5°～8°之間，利用等差差值取槳葉安放角度6°，水輪機額定模型效率91.5%，根據《水輪機設計手冊》綜合考慮渦殼和尾水肘管混泥土澆筑誤差、澆筑表面光潔度和模型機與原型機的各種差異，效率負修正1.5%，即原型機額定效率取90%，由此水輪機額定流量需要8.479m3/s。

根據原型機與模型機流道相似原則，ZDJP502－LH－116水輪機尾水肘管進口直徑φ1392mm，進口面積1.522m2;渦殼進口第一斷面底寬825mm，頂寬1138mm，高1762mm，第一斷面面積1.753m2，相應的尾水肘管進口流速5.571m/s，渦殼第一斷面流速4.837m/s。若維持現有尾水管不動，考慮到肘管水力損失與流速相關，為使尾水肘管的水力損失在合理范圍內，需維持尾水肘管內流速不變，由此原尾水肘管過流量為7.532m3/s，由于軸流定漿式水輪機有效運行區域僅75%～105%額定出力，及該水輪機有效運行區域僅750～1050kW，若尾水肘管僅過7.532m3/s水量，此時水輪機單位轉速131.9r/min，單位流量1.49m3/s，查模型綜合特性曲線，水輪機模型效率僅84%，及整機效率僅81.5%，機組出力僅能達到814kW。若加大尾水肘管過流量，尾水肘管水力損失會顯著增大，機組出力將得不到有效提高。對于渦殼的運行分析同理，由于新水輪機座環直徑加大，將占用部分原渦殼過流空間，渦殼的有效過流量將進一步減小，最終嚴重影響效率。若堅持用該方案，則電站尾水管底板以上機組段必須全部拆除，這顯然土建工程量巨大，所以最終確定方案為2臺×850kW，定水輪機型號為ZD550－LH－106，配發電機SF－K850－12/1730。

3 改造后效益分析

新河口一級水電站工程改造完成后總裝機容量4000kW，多年平均發電量2044.33萬kW·h。工程于2011年施工，同年發電，總投資1600.30萬元，其中建設投資1586.12萬元，建設期利息14.18萬元。河西水電站于2014年12月開始進行改造，預計于2015年5月進行發電，改造完成后總裝機容量1700kW，多年平均發電量496萬kW·h，工程投資約600萬元左右。指標結果分析，工程融資前稅前財務內部收益率大于行業財務基準收益率7%，財務凈現值大于零。從項目整體的基本面分析，項目融資后稅后的財務內部收益率大于目前銀行貸款利率5.96%，資金投資風險較小。從項目資本金角度分析，資本金稅后財務內部收益率大于行業資本金財務基準收益率10%，說明資本金方承擔風險較小。綜合以上分析，電站改造完成后效益良好。

4 結論

電站的機組改造是電站運行過程中常見改造方法，通過對機組的更換，可以有效提高發電量，增加電站效益，利用現有的尾水管和壓力管道，可以有效的節約投資，達到機組安裝要求。從以上方案的比選和投資效益分析，可以看出小型水電站在改造時，合理的機組選型對于電站的工期、投資、效益至關重要。

［1］何璟.中國水電資源開發現狀及21世紀發展戰略探討［J］.水利技術監督，2002(01):1-10.

［2］趙冰，張千里.水電站改造中改型轉輪研究［J］.電站系統工程，2010(03):73-74.

［3］汝楠，劉海瑞.水電建設項目財務評價實踐與分析［J］.水利規劃與設計，2014(10):12-14.

［4］覃憶油.小型水電站增效擴容改造技術［J］.科技傳播，2014(10上):214-215.

［5］肖瀟.水電站機墩動力計算方法改進與實用研究［J］.水利技術監督，2014(03):60-62.