陜西省石頭河水庫(kù)湯峪電站增效擴(kuò)容改造方案分析

王 雪

（陜西省石頭河水庫(kù)灌溉管理局，陜西 咸陽(yáng) 712000）

0 引言

水電能源作為優(yōu)質(zhì)的可再生清潔能源，通過電站的增效擴(kuò)容不僅提升了能源產(chǎn)出效率，發(fā)掘相關(guān)電站的效益，同時(shí)也提高了電站運(yùn)行的可靠性。建設(shè)資源節(jié)約型的能源供給體系，是支持國(guó)家和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。開展水電增效擴(kuò)容改造，是發(fā)展可再生能源，促進(jìn)節(jié)能減排的迫切需要；是消除電站安全隱患，保障公共安全的迫切需要；是壯大農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)農(nóng)民增收的迫切需要；是改善河流生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)人水和諧的迫切需要[1]。改造石頭河水電站的高能耗、高污染以及故障高的設(shè)備符合國(guó)家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的期待，本文結(jié)合石頭河水庫(kù)湯峪電站擴(kuò)容改造實(shí)例，針對(duì)電站已有問題及現(xiàn)狀提出相應(yīng)的計(jì)算和改造思路。

1 水電站概況

1.1 水電站概況

湯峪水電站位于陜西省眉縣湯峪鎮(zhèn)，利用東干渠向西安、咸陽(yáng)和楊凌供水而修建的渠道式電站。電站裝機(jī)四臺(tái)，為臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭68 m。設(shè)計(jì)裝機(jī)容量4250 kW，實(shí)際最大出力3300 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量2525萬(wàn)kW·h，實(shí)際年發(fā)電量1440萬(wàn) kW·h。1994年投產(chǎn)了1#、2#、3#機(jī)組（同一廠房?jī)?nèi)），單機(jī)容量1000 kW，年利用小時(shí)6330 h，設(shè)計(jì)流量1.8 m3/s；2009年投產(chǎn)了4#機(jī)組，容量1250 kW，設(shè)計(jì)流量2.2 m3/s，設(shè)計(jì)年發(fā)電量625萬(wàn)kW·h，年利用小時(shí)5000 h。電站廠房為地面廠房，廠房?jī)?nèi)布置4臺(tái)臥式水輪發(fā)電機(jī)組，1#、2#、3#機(jī)組在一個(gè)廠房?jī)?nèi)，4#機(jī)組單獨(dú)在一個(gè)廠房?jī)?nèi)。1#、2#、3#機(jī)組廠房，主廠房長(zhǎng)36.74 m，寬19.57 m，高10.21 m。

其中1#、2#、3#水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1 湯峪水電站1#、2#、3#水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

1.2 湯峪電站現(xiàn)狀問題分析

1.2.1 水輪發(fā)電機(jī)組

（1）1#、2#、3#機(jī)電設(shè)備制造年代久遠(yuǎn)，質(zhì)量及生產(chǎn)工藝差，設(shè)備性能不能滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；

（2）1#、2#、3#原有機(jī)組達(dá)不到設(shè)計(jì)出力要求，效率偏低。

（3）額定工況下機(jī)組綜合效率52%，低于75%。

2.2.2 附屬設(shè)備

1#、2#、3#主閥漏水，調(diào)壓閥漏油，造成調(diào)速器油品劣化，設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

1.2.3 輔助設(shè)備

電站自動(dòng)化水平低，元器件均為電磁式繼電器，穩(wěn)定性差、靈敏度低，同時(shí)維護(hù)不便，已不能滿足安全運(yùn)行和自動(dòng)化要求。

2 湯峪水電站改造的必要性

湯峪電站投產(chǎn)運(yùn)行以來，安全隱患明顯增多，已對(duì)電站安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。

2.1 機(jī)電設(shè)備性能不能滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求

原有機(jī)組達(dá)不到設(shè)計(jì)出力要求，單機(jī)最大出力僅為700 kW，僅占設(shè)計(jì)出力的70%，發(fā)電量與電站設(shè)計(jì)相差甚遠(yuǎn)，機(jī)電設(shè)備多偏離最優(yōu)運(yùn)行工況區(qū)域。

2.2 自動(dòng)化程度低

由于相關(guān)電器設(shè)備生產(chǎn)年限久遠(yuǎn)，造成穩(wěn)定性差，靈敏度較低，無法滿足自動(dòng)化運(yùn)行的要求。同時(shí)，水輪機(jī)組的主機(jī)，勵(lì)磁和監(jiān)控等元件普遍出現(xiàn)老化現(xiàn)象，部分設(shè)備已超期服役。作為高耗能、高故障率的產(chǎn)品，其維護(hù)量和維護(hù)成本逐年增大，已嚴(yán)重影響到電站的安全高效運(yùn)行。

2.3 國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的客觀要求

按照國(guó)家提出建設(shè)資源節(jié)約性和環(huán)境友好型社會(huì)的總體要求，對(duì)全國(guó)水電站進(jìn)行必要的技術(shù)改造以滿足“無人值班，少人值守”要求，必須提高湯浴湯峪水電站設(shè)備的自動(dòng)化水平和安全冗余度。

綜上所述，對(duì)石頭河水電站老化以及低能效設(shè)備進(jìn)行改造符合國(guó)家有關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的客觀要求，也是非常必要的。

3 增效擴(kuò)容改造方案

已建電站的擴(kuò)容改造受到諸多條件約束，如原有廠房的尺寸，預(yù)埋構(gòu)建的定位，水輪機(jī)的安裝高程以及轉(zhuǎn)輪直徑等[2]。在滿足改造目標(biāo)要求和相關(guān)規(guī)范的前提下，主要考慮按照新的設(shè)計(jì)工況更換水輪機(jī)組，以期滿足在水力高效區(qū)運(yùn)行。

3.1 水輪機(jī)選型

3.1.1 根據(jù)已有參數(shù)確定目標(biāo)函數(shù)

式中：K為水電站綜合出力系數(shù)；Q（t）為水電站在第t時(shí)段的發(fā)電流量；H（t）為水電站在第t時(shí)段的發(fā)電凈水頭；T為調(diào)度其內(nèi)的總時(shí)段數(shù)。

3.1.2 約束條件

約束條件主要考慮水量平衡約束、水庫(kù)蓄水位約束、泄流量約束、電站出力約束及所有變量非負(fù)約束。

3.1.3 水輪機(jī)比選

考慮到已建工程廠房和土建等條件約束，經(jīng)過動(dòng)能闡述復(fù)核決定，選用高效且與發(fā)電水頭匹配性良好的水輪機(jī)組對(duì)1#、2#、3#水輪機(jī)進(jìn)行改造。4#機(jī)組于2009年建成發(fā)電，本次不改造。

經(jīng)過對(duì)動(dòng)能參數(shù)的復(fù)核，湯峪電站最大水頭70.38 m，最小水頭65.94 m，加權(quán)平均水頭66.94 m，1#、2#、3#機(jī)組單機(jī)容量1100 kW。加上4#機(jī)組，裝機(jī)容量為4550 kW。由于HL160轉(zhuǎn)輪型號(hào)陳舊，效率低下，屬淘汰產(chǎn)品，改造方案首選更換空蝕性能更好、效率更高的新型轉(zhuǎn)輪。

本著盡量減少改造土建工程量，保持原有流道不變的宗旨，確定額定水頭66 m。根據(jù)我國(guó)《中小型軸流式、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪系列型譜》及該電站的具體情況，并結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行制造經(jīng)驗(yàn)，選擇近年來技術(shù)成熟、性能良好的HLTF180、HLA855等轉(zhuǎn)輪進(jìn)行技術(shù)分析。

如表2所示，轉(zhuǎn)輪HLA855和HLTF180的性能均能滿足設(shè)計(jì)要求，模型的最高效率達(dá)到93%。同時(shí)，相較于原轉(zhuǎn)輪，水輪機(jī)額定工況的汽蝕系數(shù)變小，經(jīng)復(fù)核后兩個(gè)型號(hào)水輪機(jī)都能滿足原有廠房的土建要求。而HLA855水輪機(jī)效率更高，性能更優(yōu)。

由于轉(zhuǎn)輪HLA855與HL160模型尺寸很相近，流道尺寸基本相同，因此導(dǎo)葉、導(dǎo)葉分布圓直徑、進(jìn)水閥門均與原尺寸匹配。綜合比較，更換新型轉(zhuǎn)輪，推薦HLA855轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪直徑與原轉(zhuǎn)輪直徑相同，為0.6 m。

表2 湯峪電站水輪機(jī)主要參數(shù)比較列表

3.2 電站裝機(jī)容量

湯峪電站水能復(fù)核計(jì)算在滿足下游生態(tài)基流用水為約束條件下，以電站的投資收益率最大為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行長(zhǎng)系列計(jì)算確定了增效擴(kuò)容后的三種方案，考慮機(jī)組設(shè)備價(jià)格差對(duì)三種方案進(jìn)行動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比，如表3所示。

表3 湯峪電站增效擴(kuò)容不同方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

從表3可以看出，方案二比方案一可增加發(fā)電量28.15萬(wàn)kW·h，差額投資內(nèi)部收益率達(dá)到了39.76%，方案三比方案二可增加發(fā)電量19.04萬(wàn)kW·h，差額投資內(nèi)部收益率僅為7.24%，因此，增效擴(kuò)容后，湯峪電站裝機(jī)容量采用方案二，湯峪電站裝機(jī)容量為3×1100 kW+1250 kW=4550 kW。湯峪電站目前實(shí)際發(fā)電量為1440萬(wàn)kW·h，通過增效擴(kuò)容后改造后，湯峪電站發(fā)電量達(dá)到2572.04萬(wàn)kW·h。

4 結(jié)論

通過石頭河水庫(kù)湯峪電站增效擴(kuò)容技術(shù)改造方案確定，在電站改造必要性、可行性論述的基礎(chǔ)上，說明了在電站技術(shù)改造設(shè)計(jì)中水電站擴(kuò)容幅度確定、水輪機(jī)選型及適應(yīng)性分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)思路，為類似水電站改造工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)[3]。

1）通過對(duì)湯峪電站增效擴(kuò)容的改造，合理調(diào)度，保持高水頭運(yùn)行，提高水電站的經(jīng)濟(jì)性。

2）通過電站增效擴(kuò)容，機(jī)組裝置效率顯著提高，不僅增加了經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約了能源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水電站的自動(dòng)化控制。

3）工程更新改造完成后，減少了維護(hù)修理費(fèi)用，提高了設(shè)備完好率，延長(zhǎng)了電站設(shè)備使用年限。