農村水電站增效擴容改造機組選型探討

葉 永，雷 未，牟玉池(三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

水電是一種優質的清潔能源，對其進行充分合理地利用，以滿足社會發展需要，提高國民生活質量，是構建新型和諧社會的必要保證。除去在建和已建成的幾個大型水利樞紐，目前水電行業的發展重點，基本已經轉向小型水電項目。小水電本身具有一系列優點，它資源分布廣泛，技術成熟，對生態環境的負影響較小。目前，我國已建成農村水電站45 000多座，裝機容量達到73 000 MW,年發電量達2 200多億kWh，超過了全國水電發電量的1/5,使3億多農村人口告別了“無電生活”,為農村經濟社會發展做出了重要貢獻[1]。受當時科技和經濟條件的限制，早期建成的眾多中小型水電站均已出現技術水平落后，設備設施老化，能效逐年衰減等諸多問題。這不僅未能充分利用寶貴的水資源，而且還存在諸多安全隱患。因此，對這些中小型電站進行增效擴容改造，能促進我國能源結構調整，節能減排，消除公共安全隱患，兼收國民經濟與安全之雙重效益。本文以關門巖水電站增效擴容改造工程為例，探討沖擊式水輪機選型方法，為同類小水電站更新改造中沖擊式水輪機選型提供參考依據。

1 工程概況

關門巖水電站位于湖北省長陽縣境內，系淋湘溪流域水能梯級開發電站，電站于1987年底開始建設，1992年4月建成發電，水電站為徑流式水電站，裝機容量2×1 000 kW，關門巖水電站取水源有四處，分別為磨石溪取水壩、三叉溪取水壩、曬流溪取水壩和車溝取水壩。本工程引水渠系總長10 984 m，其中隧洞長度8 430 m，明渠長度2 554 m。設計引用流量0.8 m3/s，設計水頭為344.9 m，多年平均發電量為685萬 kWh，保證出力324.21 kW，年利用小時3 425 h。工程以發電為主，并擔負改善下游桃山一級電站引水和大沙壩灌溉渠灌溉任務。

2 存在問題

關門巖電站已運行時間較長，目前主要存在以下幾方面問題：由于早期設計較為保守，經多年運行發現，在豐水期棄水較多，說明裝機容量偏小；機組經過多年運行，磨損較為嚴重，效率逐年降低，機組維護投入逐年增加，年發電效益逐年下降；由于早期建設時科學技術較落后，電站自動化程度較低，運行不可靠；電站絕緣等級較低，存在諸多安全隱患。由于該電站存在這些問題，給企業和國家造成了較大經濟損失。

3 改造方案

3.1 水能計算

水電站的水能計算主要涉及水電站出力、裝機容量和多年平均發電量等指標，基本公式如下[2]。

出力：

B=9.81ηHQ

(1)

其中

η=η機η電η傳

年發電量：

(2)

代表年的多年平均發電量：

(3)

經計算，改造后年發電量E年=(E豐+E平+E枯)/3=(1 346.06+1 099.79+796.14)/3=1 080.66萬kWh，P=85%保證出力Np為324.41 kW。

3.2 裝機容量選擇

關門巖水電站為徑流式水電站，原有裝機容量2×1 000 kW。考慮現有廠房的安全性，充分利用現有壓力鋼管，控制引水渠系投資的基礎上，提出以下3種改造方案[3]，即1 250+1 250 kW、1 000+1 500 kW、1 000+2 000 kW，對改造方案進行技術經濟比較[4]，詳見表1。

從表1可以看出，方案3最具經濟合理性，既能充分利用水力資源，又可以滿足電站正常運行要求，且可以充分利用現有管道，所以采用方案3，即1 000+2 000 kW的裝機容量。

3.3 機型選擇

3.3.1水輪機機型初選

根據原始資料，該水電站運行水頭范圍為314.2～359.41 m，查詢《水力機械》[5]中水輪機的類型及使用范圍可知，混流式水輪機的適用水頭范圍為30～700 m，而水斗式水輪機的適用水頭范圍為100～2 000 m，故而適合該電站水頭范圍的水輪機類型有混流式水輪機和水斗式水輪機。

表1 裝機容量技術經濟比較表Tab.1 the comparison on technical and economic for installed capacity schemes

混流式水輪機結構緊湊，效率較高，適用水頭自30～700 m的范圍，單機出力從幾十kW到幾十萬kW。目前這種水輪機最大出力已經超過70萬kW，是我國現代應用最廣泛的一種水輪機。

水斗式水輪機結構相對簡單，其應用水頭范圍100～2 000 m，尤其適用于高水頭，小流量的情況。目前最高應用水頭已達到1 771.3 m，是沖擊式水輪機中應用最廣泛的一種機型。且該機型的土建開挖量小，可降低電站造價。

選取混流式轉輪與水斗式轉輪進行技術比較分析，結果可見表2。

表2 轉輪型式比較表Tab.2 The comparison for runner type

從表2可以看出，水斗式機組轉輪直徑略小于混流式機組，而混流式機組轉速和效率略高于水斗式機組，總體來看二者相差不大。但混流式機組吸出高度較大，這樣會增加廠房的開挖工程量。另一方面，當機組突然丟棄全部負荷時，混流式機組閘門突然關閉，會在管道內形成過大的水擊壓力，這就對壓力鋼管的要求更為嚴格。而若選擇水斗式水輪機，可讓折流板首先轉動，在1～2 s內使射流全部偏向，不再沖擊轉輪，此時針閥可緩慢地在5～10 s或更長一些時間內關閉，而不至造成過大的水錘壓力。且本工程水頭較高，宜優先選取沖擊式水輪機組，因此選擇水斗式機組。

3.3.2機組選型

根據水輪機型譜，適用于該電站水頭范圍的水斗式轉輪很多[6]，初選CJA237、CJA475兩種轉輪進行分析、計算，比較結果見表3。

表3 機型方案比較Tab.3 The comparison for the unit type schemes

(1)轉輪直徑D1的選擇。當主軸上裝有zp個轉輪，每個轉輪上裝有z0個噴嘴時，則轉輪的直徑應為：

(4)

式中：Nτ、Hτ為額定出力和額定水頭；Q′1為單轉輪、單噴嘴在限制工況的單位流量；η為水輪機在限制工況的效率，根據模型轉輪在限制工況的Q′1和n′10，可先由模型特性曲線上查得相應的ηM，并取η=ηM。

(2)射流直徑d0的選擇。

(5)

(3)轉速n的選擇。

(6)

式中：最優單位轉速n′10可在模型綜合特性曲線圖上選取，所選定的轉速亦應符合發電機的標準同步轉速。

沖擊式水輪機的設計選型與混流式水輪機選擇時考慮的因素略有不同，因此對于本工程的機組選型，應在考慮模型轉輪綜合特性曲線和水輪機運轉特性曲線的基礎上，充分考慮轉輪直徑比、機組尺寸、造價、機組效率和應用程度等方面來選擇最佳機型。

(1)直徑比。對沖擊式水輪機來說，其特征參數不是轉速，而是直徑比m=D1/d0。若直徑比m過小，會導致效率下降，強度計算難以通過；若直徑比m過大，將使比轉速下降，能量指標降低，又會使轉輪的風損等損失增大，也會使效率下降。為使水輪機在運行范圍均保持有較高的效率，所選出的m值應為10～20。從表3中數據可以看出，CJA237的直徑比m=12.14、m=10.85和CJA457的直徑比m=12.12、m=10.83都符合要求。

(2)機組尺寸和造價。從上表可知，兩種機型的機組尺寸一致，轉輪參數也較為接近，特別是涉及對廠房開挖量的參數一致，例如排水高度，為保證水輪機穩定運行和具有較高效率，當下游水位在設計最高尾水位時，尾水渠水面以上應有足夠的通氣高度。根據設計規范要求，沖擊式水輪機的排水高度應滿足1.0～1.5倍的轉輪直徑，這樣就土建二次開挖量和填量而言，兩種機型的成本是接近的。

(3)機組效率。根據水電站運行水頭及水輪機模型綜合特性曲線，確定兩種機型的工作范圍，進行比對得出：兩種機型均能保持在較高的效率范圍內運行，且均能達到89%以上，但CJA475的最優效率高于CJA237。

在目前的科學技術上，尚無法根據模型試驗結果準確判斷原型機的真實效率，但卻可以保證新設計的水輪機效率不低于某些模型實驗結果。同時，因為兩種型號的沖擊式水輪機的效率非常接近，所以本文認為其模型轉輪的最高效率可以作為沖擊式水輪機選擇比較的一個考慮因素[7]。如表3所示，CJA475模型轉輪的最高效率為91.6%，高于CJA237模型轉輪的最高效率90%。

(4)應用前景。目前，我國水利事業不斷發展，水輪機的技術更新也日新月異。CJA237轉輪是上世紀90年代到本世紀開始幾年廣泛開始使用的一種轉輪，雖然現在仍然在很多電站在使用這種轉輪，但CJA237的設備技術已逐漸落后?，F在國內應用最廣泛的是CJA475轉輪，這種轉輪早期在結構上有一定問題，但后來采用了加強型結構，部分在水斗后靠近根部增加了加強筋，使其強度有了很大提高。目前這種轉輪已經逐漸取代了CJA237，所以本工程建議優選CJA475機型。

4 結 語

本文首先根據水能計算結果，確定裝機容量，考慮原有的各種條件進一步確定單機容量。再根據水輪機型譜，初選水斗式水輪機和混流式水輪機，并對其轉輪參數進行了比較分析，驗證了本工程選擇水斗式水輪機的優越性。最后在前人的基礎上，初選若干合適機型后，從直徑比、機組尺寸、造價、機組效率和應用前景等幾個方面綜合比較，選出最優化的沖擊式機組方案。

農村水電增效擴容改造的核心是提高綜合能效，要重點抓好水輪機的改造。綜合考慮技術、經濟等多方面因素，既要做到合理利用水能資源，滿足技術先進、安全適用、經濟合理的要求，又要保證發揮更大的生態、社會效益。

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[1] 原文林,萬 芳.農村小型水電站增效擴容改造關鍵應用技術研究[J].中國農村水利水電,2015,(10):190-193.

[2] 鄧 歡,吳亞楊.小水電站增效擴容的徑流和水能計算方法及應用[J].水電能源科學，2014,32(5):160-164.

[3] 何俊仕,林洪孝.水資源規劃及利用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4] 王麗萍.水利工程經濟學[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[5] 金鐘元.水力機械[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[6] SL76-2009，小水電站水能設計規程[S].

[7] 劉 怡,劉林濤.小型水電站更新改造中的沖擊式機組選擇[J].中國農村水利水電,2013,(1):144-148.