基于水能復(fù)核的水庫式水電站技術(shù)改造裝機(jī)方案研究

摘 要：裝機(jī)方案是否合理直接決定技術(shù)改造的成敗。基于此，本文以河南省信陽市南灣水庫水電站為實(shí)例，探討水能復(fù)核計(jì)算在裝機(jī)方案確定中的應(yīng)用，歸納和梳理了水庫式水電站裝機(jī)方案論證的基本思路和步驟，希望可以為同類電站的技術(shù)改造提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：水庫式水電站;技術(shù)改造;水能復(fù)核;裝機(jī)方案

中圖分類號：TV72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0079-03

目前，全國已建成小水電站4萬余座，總裝機(jī)容量約5.1億MW，小水電在農(nóng)村社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、節(jié)能減排等方面發(fā)揮了重要作用。水庫式水電站作為小水電的重要組成部分，通過水庫的調(diào)節(jié)作用對天然徑流進(jìn)行調(diào)配，具有較好的調(diào)節(jié)性能。由于部分水電站建成年代較早，在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了許多問題，需要進(jìn)行技術(shù)改造。而裝機(jī)方案是否合理直接決定技術(shù)改造的成敗。因此，有必要對水庫式水電站裝機(jī)方案論證的基本思路和步驟進(jìn)行歸納和梳理，為水電站改造設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

南灣水庫位于淮河支流浉河上游，是以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程。南灣水庫水電站位于大壩東端下游坡角處，屬壩后式電站。電站始建于1958年，現(xiàn)有4臺1 600kW機(jī)組，總裝機(jī)容量6 400kW。目前，電站廠房、管道等水工建筑物運(yùn)行良好，局部存在破損;機(jī)電設(shè)備老化嚴(yán)重，水輪機(jī)氣蝕系數(shù)高，銹蝕嚴(yán)重;電氣設(shè)備絕緣性較差;一些輔助設(shè)備已屬淘汰產(chǎn)品，危及電站運(yùn)行安全[1]。因此，為了提高電站水能利用效率和綜合自動化管理水平，急需對電站進(jìn)行技術(shù)改造。

2 水文資料的選取

水能復(fù)核選用1952—2010年實(shí)測月來水資料為長系列入庫徑流，繪制年徑流量過程線及趨勢線如圖1所示。實(shí)測多年平均徑流13.37m3/s，年均入庫徑流量約為4.21億m3，與水庫多年平均徑流量設(shè)計(jì)值4.49億m3接近，所選用的水文系列資料具有可靠性和合理性。由圖1可知，水庫入庫徑流量略有減小的趨勢，但總體趨于平穩(wěn)。

根據(jù)實(shí)測資料繪制月平均徑流過程，如圖2所示。從圖2可知，入庫徑流主要集中于6—8月，3個(gè)月總水量占全年總水量的51.16%;枯水期主要為1月和12月，其他月份入庫徑流差異不大，豐枯明顯，來水相對較為充裕。

3 水能復(fù)核計(jì)算

南灣水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，故采用長系列調(diào)節(jié)計(jì)算進(jìn)行水能復(fù)核。水能復(fù)核計(jì)算以電站發(fā)電量最大為目標(biāo)函數(shù)，采用動態(tài)規(guī)劃進(jìn)行求解[2]。經(jīng)不同裝機(jī)容量計(jì)算，繪制電站裝機(jī)容量與年均發(fā)電量關(guān)系曲線，如圖3所示。

從圖3可知，電站具有一定的增容潛力，當(dāng)裝機(jī)容量為6 400～7 000kW時(shí)，年均發(fā)電量增幅比較大，當(dāng)總裝機(jī)容量超過7 000kW時(shí)，年均發(fā)電量增幅趨于平緩，雖然略有增加，但可利用的水能空間較小，主要是系列中個(gè)別年份來水較豐的棄水發(fā)電量。因此，從水能利用角度分析，電站的總裝機(jī)容量應(yīng)約為7 000kW。

4 裝機(jī)方案論證

4.1 初選電站裝機(jī)方案

從水能復(fù)核計(jì)算結(jié)果可知，現(xiàn)有的水能資源豐富，存在增容的可能性。此次改造考慮到電站原裝機(jī)容量和現(xiàn)有土建部分的限制，初選以下裝機(jī)方案：

方案一：保持現(xiàn)有裝機(jī)容量（4×1 600）kW不變，總裝機(jī)容量為6 400kW;

方案二：將4臺機(jī)組增容至（4×1 700）kW，總裝機(jī)容量為6 800kW;

方案三：將4臺機(jī)組增容至（4×1 800）kW，總裝機(jī)容量為7 200kW。

4.2 水能計(jì)算與效益投資對比

通過分析水電站入庫徑流和下游用水，以南灣水庫電站發(fā)電量最大為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃進(jìn)行求解，對上述三種方案進(jìn)行水能計(jì)算和效益投資比計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1可知，隨著總裝機(jī)容量的增加，多年平均發(fā)電量增大，多年平均棄水量減少，即裝機(jī)容量最大的方案三仍存在棄水，充分說明了電站具有擴(kuò)容的余地。

4.3 裝機(jī)方案對比

從水能計(jì)算和效益投資綜合分析，方案一具有較高的效益投資比，但考慮到充分利用水能資源，尤其是汛期棄水，電站應(yīng)進(jìn)行增容。結(jié)合電站的實(shí)際情況論證如下。

4.3.1 發(fā)電效益分析。從利用水能角度考慮，方案二、三比方案一具有優(yōu)越性。從動態(tài)規(guī)劃調(diào)度可知，當(dāng)裝機(jī)容量超過7 000kW時(shí)，隨著裝機(jī)容量的增加，發(fā)電量增幅有限，方案二、三的年均發(fā)電效益增加較少，但其機(jī)組造價(jià)有明顯增長，導(dǎo)致投資明顯增加;方案一投資較小，但其經(jīng)濟(jì)效益較差，由電站的運(yùn)行實(shí)際可知，其與水庫水情不相匹配，導(dǎo)致水能資源的浪費(fèi)。因此，綜合水能資源的高效利用與電站的經(jīng)濟(jì)效益，方案二具有明顯優(yōu)勢性。

4.3.2 機(jī)組基礎(chǔ)分析。電站建成時(shí)的單機(jī)容量為1 360kW，經(jīng)過多次改造后單機(jī)容量已增至1 600kW，增幅達(dá)17.65%，混凝土機(jī)墩基礎(chǔ)等已經(jīng)運(yùn)行多年，結(jié)構(gòu)存在老化，不宜大幅增容。方案三的經(jīng)濟(jì)效益較高，但其單臺裝機(jī)容量較設(shè)計(jì)時(shí)增幅為32.35%，現(xiàn)有的混凝土基礎(chǔ)難以滿足增容要求;方案二增幅有限，結(jié)構(gòu)受力變化較小，通過結(jié)構(gòu)論證分析，現(xiàn)有基礎(chǔ)可以滿足改造要求。

4.3.3 建筑物、設(shè)備適應(yīng)性分析。由于電站建筑物等建成年代較早，其早期規(guī)劃方案均按單臺機(jī)組1 360kW進(jìn)行設(shè)計(jì)，方案二與現(xiàn)有裝機(jī)接近，在機(jī)組安裝、運(yùn)行及與控制系統(tǒng)、電力輸送系統(tǒng)的適應(yīng)性相對較好;方案三增容幅度較大，電站現(xiàn)有設(shè)備難以滿足安裝、運(yùn)行的需要，與現(xiàn)有建筑物的匹配性能差，需要對現(xiàn)有建筑物和設(shè)備進(jìn)行較大幅度的更新改造，工程量大，投資額度較高，且存在一定的技術(shù)難度。

綜上所述，選取方案二對電站進(jìn)行技術(shù)改造，即將4臺機(jī)組分別增容至1 700kW，總裝機(jī)容量由6 400kW增容至6 800kW。

5 結(jié)論

南灣水電站通過技術(shù)改造可更充分地利用現(xiàn)有水能資源，機(jī)組效率大幅提升，運(yùn)行安全得到有效保證，能顯著增加電站的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]舒靜，林旭新，方華，等.小型水電站更新改造適用技術(shù)探討[J].小水電，2011（5）：58-59.

[2]馬躍先，馬清志，李軍.昭平臺二級水電站的增容改造[J].小水電，2001（3）：28-29.