東風水電站增效擴容水能復核及技改方案探討

劉軍偉

（新疆伊犁州水利電力勘測設計研究院，新疆 伊寧835000）

0 引言

小水電作為一種清潔可再生能源，對于農村新興經濟體發展有著重要的助力作用。據有關數據統計顯示，現階段國內已投入使用的中小型水電站數量超過4.7×104座，年發電量也超過了2683×108kW·h，對支持地方建設發揮著重要的能源載體作用。然而，受當時建設技術條件和設備因素以及后期管理維護等方面的影響，2000前建成的小水電當中，大多存在技術水平落后、設備老化嚴重、產能效率低下、安全管理要求不達標等問題，極大地造成了水資源的浪費，同時在安全和經濟效益方面也有很大的缺陷，急需進行升級改造。本文以東風水電站為例，對其進行擴容增效水能復核并提出體改方案。

1 工程概況

東風水電站位于新疆鞏留縣境內縣城以東11 km，阿尕爾森鄉二道灣村。該電站始建于1985年5月，1987年8月投入運行。發電機出口電壓為6.3 kV，電站并網電壓等級110 kV，聯網到鞏留縣三鄉220 kV變電站。水電站自特克斯河恰甫其海山口引水，利用團結渠，在干渠樁號13 km處引水發電，尾水退北支干灌區，多余水量退東風排干，泄入伊犁河，是一項灌溉結合發電的綜合性工程。水電站發電機機組共三組（1#～3#），總裝機容量為4500 kW，其中1#～2#裝機容量為2×1250 kW，機組水頭為32.344 m；3#裝機容量為2000 kW，機組水頭為35.543 m。水電站機電設備為20世紀80年代產品，技術水平落后，產品陳舊老化，機組效率偏低，安全隱患偏高，不符合現代水電站綜合信息自動化管理需求，需通過增效擴容把機電設備更換為新式產品。

受到原有輸水系統、地質條件、廠房結構、發電機組安裝高度等條件的影響，東風水電站增效擴容需要結合實際條件，在達到增效擴容改造目的的前提下，著重做好水能復核確定擴容幅度、機組選型以及機型適應性分析等內容，保證升級改造后的發電機組具有很好的適應性，滿足發電站運行經濟性。

2 水能復核及確定擴容幅度

2.1 水能復核

徑流計算對于水力效益發揮、水電站建筑物布置及結構優化有著重要的意義，水電站增效擴容改造工程中，也可結合水電站多年發電量反算獲得發電引用流量。發電引用流量Qi函數表達式為[1～3]：

選取1989年～2014年26年過流量資料進行水能復核，其年均過流量為10.058 m3/s。電站多年平均發電量為3168.2萬kW·h，年利用小時數7040 h。將相關數據帶入式（1）進行引用流量反算，得到以下四個方面結果：①1#～2#機組實際運行水頭低于其設計水頭32.3 m3/s，且3#機組運行水頭也長期低于設計水頭，水電站機組長期在非高效工況區運行，運行效率偏低；②發電機組綜合出力系數在7.12～7.83，滿足設計要求，但經過升級改造之后機組整體效率最高可以達到88%，出力系數平均可以達到8.5，原機組綜合出力情況不佳，升級改造后效益顯著；③電站多年平均發電量為3168.2萬kW·h，年利用小時數7040 h。年利用小時數較長，而水電站現狀裝機容量則明顯不足，水能利用效率低，具有較好的擴容潛力；④反算得到，同期發電引水發電流量小于電站上游過流量，表明反算結果數據可靠[4]。水電站豐水期棄水量達到了0.85 m3/s，具有較大的擴容空間。

2.2 裝機容量選取

將東風水電站多年平均引流量-頻率關系與豐水年引水流量-頻率關系進行頻率組合，得到其發電流量日平均流量歷時關系。根據東風水電站工程運行特性，計算水電站機組來水逐月水能，進而得到水電站機組裝機容量分別與多年平均發電量以及年利用小時數的關系曲線，見圖1。為確定最優裝機容量數值，需通過曲線關系獲得裝機容量和發電量之間的最佳組合[5～6]。求解過程是獲得曲線的反曲線點，由圖1可知，在裝機容量為5500 kW時出現拐點，此值就是東風水電站的最佳裝機方案。根據相關要求，農村水電增效擴容要求水工建筑物基本不動，因此需要在3臺發電機組上進行升級改造。經過水能計算，電站進水閘、壓力前池、壓力水管等水工建筑物過水能力復核，裝機容量在5400 kW～5700 kW水能利用效率最高。

根據實際運行情況，擬把（1#～2#）機組由原來的2×1250 kW增至2×1500kW。3#機組由原來的1×2000kW增至1×2500kW，使總裝機達到2×1500 kW+1×2500 kW=5500 kW。電站多年平均發電量為3168.2萬kW·h，年利用小時數7040 h，通過增效擴容后年理論發電量為4266萬kW·h，年利用小時數7756 h，可增加發電量1097.8萬kW·h。

圖1 東風水電站水能特性曲線

3 水電站發電機型選擇

3.1 額定水頭

通過增效擴容進一步核算，設計流量由原來的17.5 m3/s，增至為 19.5 m3/s。（1#～2#）機組水頭原為32.344 m，現為33.374 m；3#機組水頭原為35.543 m，現為35.678 m。

3.2 機組增效擴容型號及參數

（1）1#、2#機組增容改造轉輪。該電站原水輪機型號為HL240-WJ-84，海拔高度900 m。現擬對水輪機進行增容改造，升級1#-2#機組水頭為33.374 m，流量為5.6 m3/s，改造后發電機的出力能達到1500 kW。根據HL240的導葉相對高度b0/D1=0.365，可以替代的轉輪型號方案有三種，見表1。方案比選分析可知，方案三在最高模型效率、真機效率、最大過流量等方面都具有較高優勢，因此1#、2#機組建議更換轉輪為HL3605C-WJ-84，轉輪材質為ZG06Cr13Ni5Mo。

表1 設計水頭為33.374m時1#～2#機組轉輪型號方案

（2）3#機組增容改造轉輪。電站3#機組原水輪機型號為HLA551-WJ-100，海拔高度900 m，現擬對水輪機進行增容改造，升級3#機組水頭為35.678 m，流量為8.28 m3/s，改造后發電機的出力能達到2500 kW。HLA551導葉相對高度為0.304，可替代的轉輪型號方案有一種，將之與原方案對比見表2。由表2可知，新方案中最大過流量時發電機出力有明顯增加，建議3#機組選擇HLA551C-WJ-100型號水輪機。

表2 設計水頭為35.678m時

3.3 調節保障計算

1#、2#機組吸出高度為1.3 m，調速器建議采用分段關閉措施，第一段關閉時間4 s，第二段關閉時間10 s，壓力和速率均上升49%，滿足要求。3#機組吸出高度為1.8 m，調速器關閉時間4.5 s，壓力和速率均上升50%，可滿足要求。

4 結語

東風水電站始建于上世紀九十年代，現階段存在水能利用率低、發電效益差、設備老化等問題。通過水能復核得到東風水電站具有較大的可擴容空間，但受水工建筑物的影響，確定電站裝機容量為5500 kW（2×1500 kW+1×2500 kW）。電站裝機容量增加1000 kW，多年平均發電量理論增加1097.8 kW·h，年利用小時數增加716 h，大幅提高了水能利用和運行經濟效益。優選的1#、2#機組轉輪為HL3605C-WJ-84，3#機組水輪機型號選擇HLA551C-WJ-100，運行效率高，可提高發電運行的增效電量和滿足電站高效調節運行需求，具有較強的匹配性和適應性。