農(nóng)村水電站增效擴(kuò)容改造設(shè)計(jì)探討

葉 永，牟玉池(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

農(nóng)村水電是我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施, 是生態(tài)環(huán)境建設(shè)和環(huán)境保護(hù)的重要手段。目前我國已建成小水電站約4.5萬座，總裝機(jī)容量和年發(fā)電量約占我國水電裝機(jī)和年發(fā)電量的1/3[1]。這些小水電站中，很多早期建設(shè)的電站受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件制約，經(jīng)過多年運(yùn)行普遍存著設(shè)備老化、機(jī)組效率低、水能資源浪費(fèi)大、自動(dòng)化程度低、安全隱患多等問題[2]。對(duì)老舊小水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，使水能資源得到充分利用，讓電站發(fā)揮更多社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益具有積極作用。在進(jìn)行增效擴(kuò)容改造過程中，受電站本身各種限制因素制約，如廠房尺寸及布置、壓力管道、地下土建部分等，使其技術(shù)設(shè)計(jì)較之新建電站設(shè)計(jì)過程更為復(fù)雜。本文以三背河水電站增效擴(kuò)容改造工程為例，探討一庫多站式開發(fā)在進(jìn)行改造過程中的設(shè)計(jì)思路，為該類工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

三背河水電站工程位于湖北省境內(nèi)，系清江中游南岸一級(jí)支流小溪流域梯級(jí)開發(fā)的骨干工程。該工程于1999年建成發(fā)電，主要由混凝土面板堆石壩、溢洪道、放空排砂洞、發(fā)電引水隧洞、發(fā)電廠房和升壓站等主要建筑物組成。最大壩高59 m，水庫總庫容417萬m3，洪水按50年一遇設(shè)計(jì)，300年一遇校核。三背河水電站原裝機(jī)容量2×1 000 kW，近5年年平均發(fā)電量658萬kWh。電站尾水直接進(jìn)入下游羊子巖電站(2×630 kW)引水隧洞，羊子巖電站尾水直接進(jìn)入紅耀電站(2 500+4 000 kW)引水渠。三背河水庫不僅對(duì)三背河水電站具有調(diào)節(jié)作用，同時(shí)對(duì)下游羊子巖電站和紅耀電站具有調(diào)節(jié)作用，屬于典型的一庫三站式開發(fā)。

2 存在問題

(1)引水建筑物隱患嚴(yán)重。三背河水電站引水系統(tǒng)布置在左岸，由進(jìn)水口建筑物，引水隧洞，支、叉管組成。引水隧洞為有壓隧洞，洞徑1.40 m，總長度214.12 m，采用鋼筋混凝土襯砌。經(jīng)過多年發(fā)電運(yùn)行，近年監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)襯砌出現(xiàn)了一定損壞，洞身局部出現(xiàn)裂縫，對(duì)電站的安全運(yùn)行產(chǎn)生巨大安全隱患。

(2)發(fā)電機(jī)組效率低、電氣設(shè)備老舊，自動(dòng)化程度低。三背河水電站原總裝機(jī)2×1 000 kW，水輪機(jī)型號(hào)為HLA153-WJ-50、配套發(fā)電機(jī)SFW-1000-6/1180。經(jīng)過多年運(yùn)行，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪導(dǎo)葉等過流部件出現(xiàn)了不同程度汽蝕、磨損及變形，機(jī)組效率較設(shè)計(jì)初期有較大降低。機(jī)組前閘閥經(jīng)過多年運(yùn)行，有明顯漏水現(xiàn)象，局部銹蝕嚴(yán)重，操作不便，嚴(yán)重影響電站安全運(yùn)行。機(jī)組高壓開關(guān)柜和互感器柜元器件老化，可靠性較差；電站自動(dòng)化元件配置不全，自動(dòng)化系統(tǒng)采用繼電器式系統(tǒng)，陳舊老化，損壞較多，維修工作量大，已不能滿足正常安全運(yùn)行的需求。

(3)水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、不能保證下游電站發(fā)電所需流量。電站經(jīng)過多年運(yùn)行，在初設(shè)時(shí)裝機(jī)容量選擇較保守，在豐水期經(jīng)常出現(xiàn)大量棄水，導(dǎo)致水資源被大量浪費(fèi)。電站下游的紅耀水電站已于2014年完成了增效擴(kuò)容改造，裝機(jī)容量由原來的2×2 500 kW增容到2 500+4 000 kW，設(shè)計(jì)引用流量由原來的3.94 m3/s增加至5.13 m3/s，而三背河水電站改造前設(shè)計(jì)引用流量為4.18 m3/s，不能滿足紅耀水電站機(jī)組達(dá)到滿發(fā)狀態(tài)。

3 改造方案

3.1 裝機(jī)容量選擇

本次電站裝機(jī)容量選定時(shí)，主要考慮兩個(gè)因素：①電站現(xiàn)有建筑物對(duì)裝機(jī)容量的限制，重點(diǎn)是有壓隧洞的過流能力和安全性；②發(fā)電流量與下游電站流量相匹配。以該因素為限制條件，3個(gè)電站總效益最大化為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行裝機(jī)容量選擇。

三背河水電站水能復(fù)核選用1960-2004年共45年系列的徑流資料作為長系列入庫徑流量，多年平均入庫流量2.41 m3/s，與初設(shè)報(bào)告中2.08 m3/s相差不大，說明所選水文系列資料可靠。三背河水庫為不完全年調(diào)節(jié)水庫，水能計(jì)算[3-5]按照年調(diào)節(jié)水庫進(jìn)行計(jì)算。通過對(duì)不同裝機(jī)容量模擬計(jì)算，電站裝機(jī)容量與年平均發(fā)電量關(guān)系見圖1。

圖1 三背河水電站裝機(jī)容量與年發(fā)電量關(guān)系曲線Fig.1 The relation curve of installed capacity and annual electricity production of Sanbei River hydropower station

初步擬定4種裝機(jī)方案：方案1,保留其中一臺(tái)機(jī)組裝機(jī)容量不變，另一臺(tái)機(jī)組增容至1 250 kW，總裝機(jī)容量2 250 kW；方案2,兩臺(tái)機(jī)組均增容至1 250 kW，總裝機(jī)容量2 500 kW；方案3,隧洞過流能力最大時(shí)，裝機(jī)容量最大為2 800 kW，將兩臺(tái)機(jī)組均增容至1 400 kW；方案4,裝機(jī)容量為2 800 kW，將兩臺(tái)機(jī)組改為一臺(tái)。通過對(duì)四種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行水能計(jì)算及效益分析，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 三背河水電站裝機(jī)容量方案選擇對(duì)比Tab.1 The comparison installed capacity schemes of Sanbei River hydropower station

在進(jìn)行投資比較時(shí)，以更新現(xiàn)有機(jī)組為基準(zhǔn)，來計(jì)算四種方案的投資差額。由表1可知，隨著三背河水電站裝機(jī)容量增加，三背河水電站多年平均發(fā)電量變化較小，但是3個(gè)電站總的發(fā)電量有較大提高，電站年發(fā)電效益得到大幅度提升，增效擴(kuò)容后效益顯著。其中方案4收益投資比最優(yōu)，更符合經(jīng)濟(jì)合理，安全適用的原則。得到三背河水電站增效擴(kuò)容改造擬裝機(jī)2 800 kW，將原有兩臺(tái)機(jī)組改造為一臺(tái)機(jī)組。

3.2 機(jī)型選擇

三背河水電站原裝機(jī)兩臺(tái)HLA153-WJ-50水輪機(jī)組，本次改造擬將兩臺(tái)機(jī)組改為一臺(tái)機(jī)組。根據(jù)水能計(jì)算結(jié)果及電站多年運(yùn)行資料統(tǒng)計(jì)，水庫水位在470.00～502.24 m范圍內(nèi)變化，同時(shí)考慮尾水位及水頭損失，確定機(jī)組運(yùn)行水頭范圍在34.68～63.5 m之間。通過對(duì)多個(gè)模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行比較篩選，并結(jié)合廠房實(shí)際尺寸，初選HLJ240-WJ-86和HLA616-WJ-80兩種轉(zhuǎn)輪進(jìn)行方案比較，以確定優(yōu)選方案。

根據(jù)電站運(yùn)行水頭范圍及水輪機(jī)綜合特性，確定水輪機(jī)的同步轉(zhuǎn)速均為750 r/min。利用水輪機(jī)的綜合特性曲線，分別計(jì)算在流量和工作水頭變化時(shí)的多種運(yùn)行工況，并繪制了兩種轉(zhuǎn)輪運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，進(jìn)行對(duì)比分析：①HLJ240-WJ-86的最優(yōu)效率高于HLA616-WJ-80；②在工作范圍內(nèi)，HLA616-WJ-80所包含的高效率區(qū)更廣，經(jīng)常運(yùn)行工作范圍內(nèi)的平均效率高于HLJ240-WJ-86，隨著水頭降低，更能充分的利用水資源；③HLA616-WJ-80的汽蝕性能優(yōu)于HLJ240-WJ-86，且安裝高程更接近原機(jī)組高程，可減少土建工程量；④HLA616-WJ-80的機(jī)組尺寸較HLJ240-WJ-86機(jī)組小，更有利于廠房其他設(shè)備布置。

綜上所述，此次改造采用HLA616-WJ-80水輪機(jī)及其配套的SFW2800-8/1730發(fā)電機(jī)。同時(shí)對(duì)機(jī)組吸出高、過流能力、調(diào)節(jié)保證計(jì)算及電站廠房各部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，所選機(jī)型及其配套發(fā)電機(jī)均滿足要求。

3.3 電氣系統(tǒng)改造

3.3.1主接線

三背河電站原裝機(jī)為兩臺(tái)1 000 kW機(jī)組，為兩機(jī)一變擴(kuò)大單元接線方式。此次改造后，發(fā)電機(jī)組由兩臺(tái)1 000 kW機(jī)組變?yōu)橐慌_(tái)2 800 kW機(jī)組，主接線方式改為一機(jī)一變接線方式，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為6.3 kV，送電電壓為10.0 kV。

3.3.2綜合自動(dòng)化

為適應(yīng)系統(tǒng)調(diào)度要求，按“無人值班，少人值守”方式設(shè)計(jì)，結(jié)合國內(nèi)中小型水電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及發(fā)展方向，采用以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主的集中監(jiān)控方式，配置微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

(1)對(duì)全廠設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)視與記錄。由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)完成全廠設(shè)備數(shù)據(jù)采集、處理及設(shè)備運(yùn)行狀況自動(dòng)監(jiān)視與記錄。

(2)對(duì)電站設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。根據(jù)電站運(yùn)行方式要求，對(duì)電站設(shè)備進(jìn)行操作或調(diào)節(jié)。

(3)實(shí)現(xiàn)電站運(yùn)行管理自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)運(yùn)行報(bào)表自動(dòng)生成，運(yùn)行操作自動(dòng)記錄，電站設(shè)備參數(shù)或整定值記錄與保存，所有報(bào)表均可自動(dòng)或召喚打印。

(4)實(shí)現(xiàn)與調(diào)度的通信。

(5)對(duì)發(fā)電機(jī)、主變、母線、線路等主設(shè)備及輔助設(shè)備進(jìn)行保護(hù)與監(jiān)控。

3.3.3勵(lì)磁系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源由接在機(jī)端的勵(lì)磁變壓器經(jīng)晶閘管整流后供給，勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁變壓器、微機(jī)調(diào)節(jié)控制裝置、可控硅整流裝置、起勵(lì)滅磁裝置及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置等部分組成。勵(lì)磁系統(tǒng)采用殘壓?jiǎn)?lì)，機(jī)組殘壓不小于2%機(jī)組額定電壓。同時(shí)系統(tǒng)滿足180%的強(qiáng)勵(lì)要求。

4 效果分析

(1)消除安全隱患，保證電站安全運(yùn)行。有壓隧洞采用環(huán)氧樹脂砂漿對(duì)洞內(nèi)襯砌進(jìn)行防滲、防裂和修補(bǔ)處理，有效保障電站的安全運(yùn)行。

(2)充分發(fā)揮三背河水庫調(diào)節(jié)作用，大大增加了發(fā)電量。改造前電站年發(fā)電量為658萬kWh，較設(shè)計(jì)初期762萬kWh有較大的差距，水能未能得到充分利用。改造后，電站裝機(jī)容量由原來2 000 kW增加到2 800 kW，年增發(fā)電量166萬kWh。同時(shí)，增加機(jī)組容量可加大設(shè)計(jì)引用流量，提高了下游羊子巖水電站和紅耀水電站的發(fā)電效益，3個(gè)電站多年平均發(fā)電量總增加475萬kWh。

(3)提高電站設(shè)備自動(dòng)化控制水平。通過增容改造后，電站設(shè)備的保護(hù)、控制及自動(dòng)化系統(tǒng)均使用技術(shù)先進(jìn)、成熟的高科技產(chǎn)品，使得全站設(shè)備保護(hù)及控制自動(dòng)化水平大大提高。 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用，大大減輕了運(yùn)行值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和精神壓力，改善了工作環(huán)境。實(shí)現(xiàn)了“無人值班，少人值守”的目標(biāo)。

(4)提高項(xiàng)目區(qū)的社會(huì)、環(huán)境效益。經(jīng)濟(jì)方面可促進(jìn)地方、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展，增加國家和地方財(cái)政收入，繁榮地方經(jīng)濟(jì)。社會(huì)環(huán)境方面可改善農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)“以電代柴”、“以電節(jié)煤”等項(xiàng)目的實(shí)施，為保護(hù)森林植被，凈化空氣，改善氣候，促進(jìn)生態(tài)良性循環(huán)和國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施提供基礎(chǔ)條件。

5 結(jié) 語

農(nóng)村水電站增效擴(kuò)容改造工程由于電站本身限制因素多，設(shè)計(jì)過程相對(duì)新建電站更為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)勘察，找出電站存在問題和提出合理解決方案。以三背河水庫水電站增效擴(kuò)容改造設(shè)計(jì)為例，探討一庫多站式開發(fā)在增效擴(kuò)容改造設(shè)計(jì)中思路。主要以電站本身限制因素為條件，水庫下游電站總效益最大化為目標(biāo)函數(shù)，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較分析，進(jìn)行裝機(jī)容量的選擇以及改造方案的確定。為該類工程的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

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