小型水電站增效擴容改造分析

黃毓瑄

(廣東省梅州市蕉嶺縣水利水電工程管理中心，廣東 蕉嶺 514100)

隨著經濟的快速發展，我國的電力需求也在不斷攀升，但由于大多數水電站建于20世紀七、八十年代，運行時間長，且受當時制造水平、工藝及設計水平的限制，小水電站的設備相對比較落后，效率偏低，影響力水電站的健康發展。該水電站建于上世紀70年代初，坐落在廣東省石窟河中游，是一座引水徑流式電站,額定發電量3×800 km，設計水頭29.5 m，設計導流流量12.0 m3/s，年發電量理論值為1200萬km·h。

1 水電站運行現狀

由于電站在建設時受到施工技術和資金的限制，加之水輪發電機組和電氣設備制造水平低，電站設備技術條件相對落后，自動化程度不高。隨著運行時間的推移，電站逐漸出現了各種各樣的問題:

(1)日常運行中，由于裝機規模的限制，水能資源不能得到充分利用。目標水電站所在水域河道流量均值達到了18.6 m3/s，但發電設備允許的最大水流量值卻僅為12 m3/s，造成了大量水能資源的浪費。

（2）水電站建設時設計水頭為29.5 m，水輪機型號為HL120-WJ-71，但根據水輪機型譜表顯示HL120型號的水輪機使用水頭應為180 m~250 m，所以機組運行范圍達不到理論值，造成工作效率低下，不具有穩定性；隨曾經對水電站有關設備進行過適當改造，但選用的設備型號（GG-1A、PGL-1、S7變壓器等）仍舊比較落后、安全隱患較多，并且不具備自動化功能。

（3）水輪機長時間的運行導致設備機械老化，轉軸部件磨損嚴重，加之外界因素的腐蝕，使得水輪機導葉出現了大量的漏水現象，油氣水系統也遭到嚴重損壞，致使電站產能低下。

2 水電站改造

2.1 確立裝機方案

經過對水電站所在流域的水文參數和電站動能指標的詳細分析后，確立改建后水電站水頭為28.2 m，結合目前水電站的設備設施和預算，制定裝機方案。

裝機方案一:根據現有工程，將廠房內的機電設備進行擴容改造，選擇裝機容量為3000 kW。

裝機方案二:利用現有擋水建筑物重建部分引水和輸水建筑，并對重建廠房擴建和改建，選擇裝機容量4800 kW。

安裝方案三:對所有水工建筑物進行綜合改造，最大限度利用水能，進行裝機容量6000 kW的擴建改造。

將以上三種方案進行對比分析，見表1，綜合考慮電站擴容改建施工技術、經濟和方案的優缺點等因素，本次擴容改造選取方案二，即進行裝機容量4800kW改造。

2.2 水輪機選型

改造后仍選用單臺容量為1600kW的3臺臥軸混流機組。結合混流式水輪機機組的現有資料，初步考慮HLA551、HLA551C、HL240、HLA286、HLA208 等五種機組型號，水輪機模型參數見表2，水輪機選型計算參數見表3。

依照表3中的數據可知：5中設備機型中，A551C、A208兩個機型未達到額定輸出，而且效率低，其余三種機型中，HLA551的效率最高，空化系數與轉輪直徑最小。綜合考慮，本次擴容改造推薦使用HLA551型和HLA551-WJ-100型水輪機。

2.3 電氣設備改造及選型

根據先進技術、安全可靠、資金投入及收益等因素，電氣設備的改造以及選型應符合日常工作、維護及收益方面的需求，應首先考慮設備的節能環保、安全穩定等原則，此外還要注意設備的防火性能以及無油化[1]。

表1 水電站裝機容量方案對比表

表2 水輪機模型參數

表3 水輪機選型計算參數

（1）發電機:選用SFW1600-12/2150改進型發電機，額定容量為2000 kV·A，出口電壓為6.3 kV，額定轉速為428.6 r/min，線圈絕緣等級為f級。

（2）變壓器：變電所變壓器采用新的節能環保設備，主變壓器型號為S11-6300 kV·A，布置在原室外變電所。輔助變壓器類型為SCB11-160 kV·A，安裝位置設立在配電室，另外需要在戶外變電站設置一臺相同型號的變壓器作為備用。

（3）6.3 kV開關柜:水電站當前所使用的開關柜是GG-1A開放式開關柜，其防護等級達不到改造要求，而且目前均已遭到不同程度的損壞。因此在進行擴容改造時需要更換所有的開關柜，開關柜選用KYN28-12(Z)封閉式高壓集成開關柜[2]，柜內安裝具有多種防護功能的VS1-12真空斷路器。

2.4 自動化監控系統

為實現水電站的自動化監控功能，減少人工浪費，并提升電站的管理工作效率，擴容改建后的水電站將采用自動化計算機監控系統。系統經調試設置后，可對水電站的運行狀態、故障報錯等進行及時有效的管理。

計算機監控系統由兩層組成：電站控制層和LCU層[3]，通過光纜和以太網交換機組成的以太網進行有機連接。電站的控制層由主機、工作站以及不間斷電源等組成，電站控制層主要負責協調和管理各項LCU工作，收集相關信息，并進行相應的處理和存儲。自動監控系統可通過計算機進行必要的修改、設置。LCU層（本地控制單元）是系統中的核心基礎，由三套機組本地控制單元、一套開關本地控制單元以及一套公共控制單元組成。

水電站自動化控制系統主要功能是：①對機組的運行數據進行采集、分析、處理，對機組的運行狀態進行安全監控以及調試，并對水電站運行中的各種事件進行實時記錄；②對設備進行自主診斷和故障修復，當機組出現非系統問題時，系統將會指導操作人員對故障進行排除、維修；③監控設備運行狀態、對設備進行定期維護管理等功能。

3 結論

隨著設備自動化系統水平的提高，電站完全可以按照少人值守的模式進行運行管理，通過對以往落后設備的改造徹底解決安全生產的各種隱患，提高電站安全運行水平和綜合能效水平，促進水電站科技進步。電站改造中，可以采取許多技術措施提高小型水電站能效和擴大發電能力；實際應用過程中，應根據水電站的規模和水文條件，以及不同產品的特點，制定技術方案，以實現提高單機容量、水電站效率、水資源利用率的目的。