農村水電站增效擴容改造方案及評價分析

張樹峰

（新華水力發電有限公司，河南 洛寧 471700）

農村水電站增效擴容改造方案及評價分析

張樹峰

（新華水力發電有限公司，河南 洛寧 471700）

針對農村小水電增效擴容改造方案中，水能復核計算、裝機容量確定、機組選型、機電設備改造和經濟評價等關鍵技術問題，以河南省某水電站為例，結合農村小水電增效擴容改造的具體要求，重點分析說明改造方案的具體內容，為該類工程設計提供參考。

農村水電站；增效擴容改造；水能復核計算；裝機容量；經濟評價

河南省某水電站位于濟源市境內黃河一級支流沁河下游，為無壩引水式水電站。電站上游水庫控制流域面積9 223km2，占沁河流域面積的68.2%，占黃河小花間無工程控制面積的34%。水庫為Ⅱ等大（2）型，工程由混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪道、引水發電系統等組成。水電站裝機容量為6×200kW，引水隧洞長430m，引水渠道420m。

1 機電設備存在問題

水電站自投入運行至今，電站廠房、渠道等建筑物結構部分運行良好，但廠房局部破損。而電站機電設備及水輪機組存在的主要問題如下：①6臺機組已有4臺報廢，只有2臺可以工作，且無法達到滿負荷，水輪機葉片汽蝕磨損嚴重，發電機的勵磁機使用多年，嚴重老化，故障頻繁，且構件難以購買，維修困難；②電站調速器由于年代久遠，無法與上網頻率相符合，各機構配合不靈敏，電站運行多年一直手動調頻，存在安全隱患；③主變壓器為20世紀產品，屬于國家明令淘汰的高能耗變壓器，現已嚴重老化，且備件難買，維修困難，嚴重影響電站的安全運行；④電站主、副廠房及附屬建筑年代較久，滲漏嚴重，門窗封閉不嚴，地面、墻體老化剝落，亟需整修；⑤引水渠道長期漫流，大量浪費水資源；⑥隧洞壁面不夠光滑，有多處凸起部位，影響水流通行。

2 水能復核計算

河流生態用水是保證河流健康與生態平衡的重要措施，此次水電站增效擴容改造立足于河流的生態主體地位，在不影響河道生態平衡的基礎上，對其進行合理的水能復核計算。對于一般北方河流的生態設計水量計算，應采用近十年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量。本次增效擴容改造計算生態用水，采用近十年最枯月平均流量進行估算，得到近十年最枯月流量為1.03m3/s，此流量為此次計算生態用水流量。

水電站引用發電流量應先滿足生態流量，當沁河來水小于生態流量時，電站不引水發電，所有來水作為生態流量排放；當沁河來水大于生態流量時，排放生態流量后的來水可用作電站的發電引用流量。結合水電站的實際情況，遵循上述用水條件，充分考慮沁河生態用水需求，對其徑流做如下處理：①對于沁河來水小于等于生態流量，所有來水作為生態流量下泄，發電可用徑流值取0；②對于沁河來水大于生態流量，扣除生態流量后的富裕水量作為電站的可用發電徑流。

通過對徑流及電站引水流量分析處理后，利用皮爾遜Ⅲ型曲線表示徑流量頻率關系，如圖1所示。

圖1 流量頻率皮爾遜Ⅲ型曲線

根據《小型水電站設計規范》，同時考慮到電站的運行要求，取電站設計保證率P=70%，由下列電站出力計算公式計算電站保證出力：

式（1）中，K為綜合出力系數；Q保為發電流量；H為發電凈水頭。

根據規范對中小型水電站綜合出力系數取值范圍的規定，水電站屬于引水式中小型水電站，結合其所在電網的實際運行情況，本次計算綜合出力系數取7.5。H為發電凈水頭，取設計值9.3m。綜上所述可知，對出力N取保證率70%相當于對流量Q取保證率70%，利用流量頻率曲線，計算得到對應于電站設計保證率P=70%的流量Q保=8.93m3/s。因此，由式（1）得電站的保證出力：

按照裝機容量的保證出力倍比法可計算裝機容量范圍，根據武漢大學主編《水文水利計算》提供的倍比系數參考值，結合本地電網組成、負荷特點、水力資源條件等情況，倍比系數按2.0～3.0倍控制，則水電站裝機容量范圍為：N裝=（2.0～3.0）×N保=1 245.74～1 868.60kW （2）根據水能復核公式，可求出電站多年平均發電量與裝機容量關系，如圖2所示。

圖2 水電站多年平均發電量與裝機容量關系曲線

3 裝機容量確定

根據裝機容量的范圍和裝機容量與發電量關系曲線圖（見圖2）可知，電站裝機小于1 500kW時，隨著裝機容量的增加，其發電量有明顯增幅；當裝機容量大于1 500kW時，隨著裝機容量的增加，其發電量增幅有限。在此基礎上，初步確定以下2種裝機方案：①保持原總裝機容量1 200kW不變，單臺機組裝機不變，共6×200kW；②將原有每臺裝機增加到250kW，總裝機容量為6×250kW。

對2種方案進行分析對比：方案Ⅰ，原裝機方案不變，機組對電站現有設備的匹配性較好，土建部分改動較小，工程量小，投資較小；但其接近電站裝機下限，水能利用效率較低；方案Ⅱ，增加原有裝機容量，在電站合理裝機范圍內可提高水能的利用率，增加發電量，且機組增幅相對較小，電站現有建筑物可滿足增容需求，且投資效益比總體較高［1］。

通過對上述2種裝機方案進行論證分析，此次水電站改造推薦采用方案Ⅱ，總裝機容量為6×250kW。

4 機組選型

本次改造在對水輪發電機組現場勘察的基礎上，結合水能、水頭、管道布置及建筑物等參數情況，通過對多個模型轉輪性能比較篩選，初步確定250kW機組初選ZDT03-LM-80（φ=20°、φ=22.5°）和ZDJP502-LM-80（φ= 5°、φ=10°）2種型號的水輪機；通過性能參數計算和比較分析確定改造方案為250kW機組選擇ZDJP502-LM-80（φ=5°）。發電機采用與ZDJP502-LM-80（φ=5°）水輪機配套的SF250-12/850。額定水頭下250kW機組水輪機基本性能表見表1。

表1 額定水頭下250kW機組水輪機基本性能表

5 電氣及輔助設備技術改造

電站目前裝機6×200kW，以10kV架空出線一回接入地方電網，電站裝機6臺，出口電壓0.4kV，0.4kV發電機電壓側母線采用單母線接線，設置2臺升壓變壓器，廠用電源取自0.4kV母線。水電站電氣設備具體更新改造設計內容如下：①現原主變壓器有1臺630kVA變壓器，本次設計在原基礎上增設1臺容量為1 250kVA節能型變壓器；②新增1臺S11-10/100廠用變壓器；③更換部分電力電纜及控制電纜。

水電站自建成運營至今，各類輔助設備均已嚴重老化，設備型號陳舊，絕大部分已被淘汰，此次增效擴容改造，需對電站輔助設備進行相應的更換，以提高電站的綜合管理水平、自動化水平和保障電站的安全運行。改造內容：①調速器維修；②勵磁系統升級改造；③更換自動化元件。

6 經濟評價

6.1 財務及國民經濟評價

財務評價計算電價為0.32元/（kW·h），按該計算電價進行財務分析計算的結果表明，所得稅前財務內部收益率46.73%，所得稅后財務內部收益率為37.39%，大于農村水電行業基準財務內部收益率10%，所得稅前投資回收期為2.14a，所得稅后投資回收期2.85a，盈利能力較強。因此，本項目在財務上是可行的。

本項目國民經濟評價表明，經濟內部收益率61.50%，大于國家規定的社會折現率8%；經濟凈現值1 478.91萬元，大于0。因此，本項目在國民經濟方案經濟上是合理的［2］。

6.2 社會及環境效益評價

水電站改造后，社會及環境效益主要體現在以下幾個方面：①鞏固和增加水電發電能力，項目實施后總裝機容量為1 500kW，年增發電量623.74萬kW·h，相應鞏固和增加了水電站的發電能力；②促進節能減排，項目實施后以水電替代燃煤火力發電，從而有效減少用煤發電而產生的危害性粉塵和氣體，促進節能減排方針的順利實現；③推進河流梯級綜合調度與改善河流生態環境，以增效擴容改造為契機，鼓勵同一河流、區域農村水電開展聯合優化調度，充分發揮已建農村水電發電潛力和水資源綜合利用效益推進河流梯級綜合調度，同時保證河流的生態流量排放，改善河流的生態環境［3］。

7 結論

本文通過對河南省某水電站增效擴容改造水能復核及裝機容量分析的基礎上，探討了機組選型和電氣設備的改造內容，最后分析得出經濟效益和社會效益，為農村小水電改造方案提供參考。

［1］楊新春.淺談增效擴容改造小型水電站裝機容量的確定［J］.陜西水利，2015（5）：66-68.

［2］原文林，萬芳，馬躍先.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.

［3］滕飛.河南省農村水電增效擴容改造效益分析［J］.河南水利與南水北調，2014（10）：10.

Scheme and Evaluation Analysis of Efficiency and Capacity Expansion of Rural Hydropower Station

Zhang Shufeng
（Xinhua Hydropower Co.Ltd.，Luoning Henan 471700）

In view of the key technology such as water power review calculation,installation capacity determination, unit selection,mechanical and electrical equipment transformation and economic evaluation of the rural small hydro?power capacity expansion reconstruction project,taking a hydropower station in Henan Province as an example,com?bined with the specific requirements of the reform of rural small hydropower capacity expansion,this paper emphased on the specific content of reform plan to provide a reference for the engineering design.

rural hydropower station；efficiency and capacity expansion reconstruction；hydraulic power review calcu?lation；installed capacity；economic evaluation

TV742

A

1003-5168(2016)09-0141-03

2016-08-17

張樹峰（1974-），男，本科，工程師，研究方向：小水電運行、檢修及生產管理。