農村水電增效擴容改造設計淺談

◎鄒明明

介紹當前農村水電增效擴容改造的背景及小水電存在的系列問題，分析開展農村水電增效擴容的必要性，并舉例說明增效擴容改造設計的內容。

農村水電不僅是重要的可再生、清潔能源，而且具有防洪灌溉、生態涵養、改善民生等多重功能，是農村重要的基礎設施。農村水電事業直接關系到我國農村經濟社會發展、山區生態建設和環境保護。改革開放以來，我國農村水電建設蓬勃發展，目前全國已建成農村水電站45000多座，裝機容量6500多萬千瓦，超過3個三峽電站的裝機容量，年發電量近2200億千瓦時，約占全國水電的30%，在增加能源供應、減排溫室氣體、保護生態環境等方面發揮了積極作用，為農村發展、農民增收和民生改善作出了重要貢獻。但也要看到，由于受當時技術水平和經濟條件的制約，農村水電站設備設施老化，能效逐年衰減，不僅大量浪費水能資源，影響河流生態環境，還帶來不少安全隱患。

一、改造設計內容

1.改造設計原則。增效擴容改造設計應遵循《農村水電增效擴容改造項目初步設計指導意見》中的要求，以提高綜合能效和安全性能、促進水資源綜合利用、維護河流健康為目標。改造內容應以機電設備更新改造為重點，并對影響發電效益、工程安全、河道生態和運行環境的擋水、泄水、引水、廠房等建筑物、金屬結構及送出工程等進行必要的改造。增效擴容改造項目不增加原有機組臺數，原則上不新增移民和永久占地。

從水電站水能利用過程和現今行業發展趨勢來看，水輪機組及其附屬設備、發電機組及其他電氣設備以及綜合自動化是農村小水電改造的主要內容，也是決定設計成果是否達到增效目的的關鍵因素，因此，改造任務應主要抓住這三方面改造設計。

2.水輪機及其附屬設備改造。水輪機技術改造應遵循先進性、合理性、經濟性的原則，再根據河流具體水質情況，通過更換新型轉輪或改進通流部件型線與結構，提高水輪機運行效率。最終達到增效的目的。

調速系統、進水閥、起重設備等則根據機組設備技術改造要求和工程具體情況，對水力機械輔助設備系統作相應的校核改進或更新改造。

3.發電機及變配電設備改造。發電機的技術改造，首先應考慮與水輪機在容量上互相配合。并根據設備實際情況與制造廠研究協商，采用新材料、新結構和新工藝，并選定合理的改造方式和范圍達到改造目的。可通過改進通風冷卻系統；更換定子繞組和轉子磁極線圈或同時提高絕緣等級；增加定子和轉子磁極的鐵芯長度或重新設計、制造符合增容要求的發電機等方式完成。

變配電設備主要包括主變壓器及其他電氣設備。這部分設備主要以更新換代為主：老式變壓器應更換為新型節能型變壓器；其他電氣設備（如斷路器、隔離開關、高壓開關柜、電纜、母線、互感器及高壓出線等）均應在滿足各種可能運行方式下回路持續工作電流和動、熱穩定性要求外，優先考慮安全可靠性高、節能環保型設備。

4.綜合自動化改造。大部分農村水電增效擴容改造項目由于受當時技術水平和經濟條件的制約，電站根本無法實現自動化或者自動化程度很低，遠不能實現現代化運行的需要。因此綜合自動化改造升級也是農村小水電改造的核心。

綜合自動化改造應統籌兼顧國家和部頒標準，根據電站裝機規模，從經濟實用的原則分別對監控系統、勵磁系統、同期系統、調速器、繼電保護裝置和直流系統進行改造和增設。電站改造升級后，要求當保護裝置動作時，在沒有運行人員干預的情況下，能夠實現自動停機；有條件的水電站還可進一步改造為無人值班遙控水電站。

二、改造案例

1.工程概況。漁洞子水電站于1994年建成并網發電。電站位于陜西省寧陜縣龍王鎮境內，為徑流引水式電站，由取水樞紐、引水建筑物和電站廠區建筑物組成，工程主要任務為發電。電站改造前設計水頭73.5m，設計流量4.45m3/s，裝機容量3×800kW，多年平均發電量1260萬kW·h，年利用小時數5000h。目前漁洞子水電站上游已建成一級不完全調節的水庫式電站——寧陜縣太山水電站，其水庫總庫容835萬m3，調節庫容524萬m3，上游建庫后調節流量大幅增加，為漁洞子水電站擴容創造了極為有利的水源條件。

2.工程現狀分析。漁洞子水電站建設年代較早，受當時設計施工條件的限制，設計裝機容量選擇偏小，電站每年產生大量棄水，水能資源未能得到充分利用；電站已運行近二十年，機電設備已嚴重老化，效率極低，嚴重影響了電站的正常發電和效益。電站目前主要存在以下問題：（1）水輪機磨損和銹蝕嚴重，機組出力嚴重不足，最大出力只能達到1800kW；推力瓦溫度過高，運行不穩定；（2）電氣設備陳舊落后，可靠性低，安全隱患多，且大多為國家明令淘汰產品；（3）電站自動化程度極低，不能滿足現今行業運行管理要求；（4）該電站上游已建成的太山水電站為不完全調節水庫式電站，為本站創造了極為有利的水源條件。

3.改造方案。根據漁洞子水電站運行現狀及水能計算結果，電站增效擴容改造方案如下：（1）將原有三臺800kW機組更換為兩臺1500kW機組和一臺3600kW機組；（2）更換原有 6kV開關設備為KYN28-12（Z）型手車式鎧裝金屬封閉高壓開關柜；更新改造35kV變配電設備，選用S11-8500/35型低損耗節能主變壓器；更新改造電站全部監控、保護和直流電源設備。（3）考慮到電站升壓站位置及架構基礎已定，電站主接線方案確定為三臺發電機出口6.3kV側采用單母線接線，經一臺8500kVA主變壓器（S11-8500/35）升壓至35kV接入系統，升高電壓側采用線—變組接線；接入系統方式維持原有不變，且接入線路經初步核算滿足要求。

4.改造前后對比論證。（1）發電效益（取電站廠用電率5%，上網電價0.31元/kW·h）。①改造前。由于改造前電站水量充足，發電量按超發5%計算，多年平均發電量為：2400×（1+5%）×5000h=1260萬 kW·h；年銷售電量：1260×（1-5%）=1197萬kW·h；年售電收入：1197×0.31=371.07萬元。②改造后。多年平均發電量：6600×3010=1986.6萬 kW·h；年銷售電量：1986.6×（1-5%）=1887.27萬kW·h；年售電收入：1887.27×0.31=585.05萬元。（2）運行管理。①改造前。原機組設備老化、效率低，且機型已經停產，大修時配件難于購買；電站電氣設備老化、故障多，自動化程度很低，運行管理安全可靠性差，基本不能實現現代化運行的需要。②改造后。按照最新標準規范，對水輪發電機組、變配電設備、監控保護系統等進行重點改造，提高了水電站自動化、信息化和現代化水平，消除了各類安全隱患，保障了公共安全和生產安全。

三、小結

當前許多農村小水電由于受當時技術水平和經濟條件的制約，普遍存在設備設施老化，能效逐年衰減，不僅大量浪費水能資源，影響河流生態環境，還帶來不少安全隱患。全面推進農村水電增效擴容改造，不僅能提高水能資源利用效率，消除公共安全隱患，更有利于促進節能減排，保護河流生態環境。是一項投資少、見效快、一舉多得、利國惠民的德政工程和民生工程。