大沙河水電站增效擴(kuò)容工作研究

彭 亮

（開平市大沙河水庫，廣東 開平 529300）

大沙河水電站建于1972 年，1974 年建成投產(chǎn)，是一座壩后式小型水電站。電站共有3 臺同型號軸流立式水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量為1890 kW，水輪機(jī)型號為ZD560-LH-120，發(fā)電機(jī)型號為TSL215/21-16，單機(jī)容量為630 kW。機(jī)組最大水頭為14 m，額定水頭為10 m，最小水頭為5 m。電站設(shè)計年發(fā)電量為400×104kW·h，但近3 年年平均發(fā)電量為300×104kW·h。大沙河水電站于1993 年更換配電設(shè)備及增建中控室，于2001 年更換1#、2#水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子線圈。

1 水電站增效擴(kuò)容改造的必要性

1.1 充分利用水能資源

大沙河水電站建設(shè)于二十世紀(jì)七十年代，投入運(yùn)行至今，已經(jīng)維持了將近50 a 的運(yùn)行時間，在長期的運(yùn)行過程中，水電站中的各種設(shè)備設(shè)施都會面臨老舊的問題，難以維持其應(yīng)有的運(yùn)行狀態(tài)。通過對現(xiàn)有水電站的增效擴(kuò)容，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水能資源的合理應(yīng)用，進(jìn)而發(fā)揮水能資源的最大價值，滿足經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的要求。從很多水電站的更新改造效果來看，通過新技術(shù)、設(shè)備的應(yīng)用，裝機(jī)容量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未改造之前，大部分改造都可以使得裝機(jī)容量增加10%～20%，且能夠使得水電站的機(jī)組運(yùn)行效率大大提升，比如，以武鳴區(qū)西江電站等6 座水電站的增效擴(kuò)容改造來看，其裝機(jī)容量由未改造的5630 kW 增至改造后的6440 kW，水能資源利用率大大提升，對于水電站生態(tài)、經(jīng)濟(jì)與社會效益的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。

1.2 充實(shí)山區(qū)農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)

由于我國的水電站大多建立在山區(qū)河流周邊，水電站大多為農(nóng)村集體資產(chǎn)，水電站多分布在農(nóng)村地區(qū)，這些地方的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不足，工業(yè)發(fā)展相對落后，水電站建設(shè)投產(chǎn)以后，就可以將水電站的發(fā)電收入用于區(qū)域發(fā)展，帶動區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，對水電站的增效擴(kuò)容改造在一定程度上可以充實(shí)山區(qū)農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)，使得水電站保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，維持水電站較高的發(fā)電量，提高發(fā)電總收入，帶動農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化發(fā)展。

1.3 維護(hù)公共安全

早期的水電站建設(shè)過程中，由于當(dāng)時的技術(shù)條件有限，在設(shè)計、制造等方面都存在著一定的局限性，所建成投產(chǎn)的水電站存在著一定的質(zhì)量與安全威脅，再加上后期對管理不夠重視，維修工作未做好，會導(dǎo)致水電站在長期的運(yùn)行過程中面臨著設(shè)備老化的問題，水電站的安全威脅加大，運(yùn)行效率低下。而對水電站的增效擴(kuò)容改造實(shí)現(xiàn)了對水電站基礎(chǔ)設(shè)施的改進(jìn)，通過引水渠、壓力管道、廠房等基礎(chǔ)設(shè)施的改造與建設(shè)，提升了運(yùn)行的安全性，能夠充分發(fā)揮水電站在攔水、泄水方面的重要作用，對于維護(hù)區(qū)域人民的生命財產(chǎn)安全具有重要的意義。

1.4 提高應(yīng)急救災(zāi)能力

我國的國土面積較大，各個水電站的分布相對分散，水電站呈現(xiàn)出就地開發(fā)、就近供電、啟閉迅速的特征，而這些特征使得水電站在實(shí)際的運(yùn)行過程中，能夠發(fā)揮其良好的應(yīng)急救援能力。比如，在2008 年，浙江省部分地區(qū)遭受了特大雨雪冰凍災(zāi)害，很多市政電網(wǎng)難以正常運(yùn)行，大面積停電的情況下，一些水電站聯(lián)網(wǎng)發(fā)電解決了人們的燃眉之急，避免了大面積停電對人們生產(chǎn)生活的不利影響。此外，水電站的增效擴(kuò)容改造大大提升了電站的發(fā)電能力，改變了傳統(tǒng)的火力發(fā)電方式，在一定程度上緩解了電力資源供應(yīng)緊張的問題，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，具有較好的生態(tài)環(huán)保效益。

2 電站運(yùn)行現(xiàn)狀存在問題

電站目前主要存在問題如下：

（1）3#水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪氣蝕、磨損嚴(yán)重，雖經(jīng)多年的反復(fù)維修，但無法修復(fù)，動平衡差，機(jī)組振動大、響聲大，影響機(jī)組安全運(yùn)行及工作人員安全、身心健康。

（2）3#水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)銹蝕、磨損嚴(yán)重，雖經(jīng)多年的反復(fù)維修，但無法徹底修復(fù)，目前漏水嚴(yán)重。

（3）3#發(fā)電機(jī)組殘舊老化，絕緣漆剝落嚴(yán)重，出力不足。

（4）3 臺勵磁裝置設(shè)備老化且容量不足，影響無功出力。

3 電站綜合能效評價

大沙河水電站3#機(jī)組運(yùn)行多年，水輪機(jī)空蝕嚴(yán)重，效率低下，發(fā)電設(shè)備老化，出力不足，1#、2#機(jī)組雖于2001 年進(jìn)行改造，但勵磁裝置容量不足，影響電站無功出力，造成電站綜合能效嚴(yán)重偏低，約69%，需進(jìn)行技術(shù)改造。電站經(jīng)增效擴(kuò)容改造后，水輪機(jī)效率平均為88.5%，發(fā)電機(jī)效率為92.5%，流道效率約為95.5%，則電站平均綜合能效為78.07%，電站綜合能效增加明顯，達(dá)到農(nóng)村小水電站增效擴(kuò)容效益要求。

4 機(jī)組改造方案

本次電站增效擴(kuò)容改造方案為在原機(jī)組布置形式、機(jī)組埋入水工部份和廠房建筑基本不變的情況下更換水輪發(fā)電機(jī)組等有關(guān)設(shè)備。根據(jù)水能計算，大沙河水電站總裝機(jī)容量為3×630 kW 保持不變。1#和2#機(jī)組已于2001 年完成改造，本次改造主要對3#機(jī)組改造，具體內(nèi)容為更換3#水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，整體更新3#發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子線圈，更換3 臺勵磁裝置和3 臺調(diào)速器。

表2 3# 機(jī)組主要參數(shù)

4.1 水輪機(jī)

機(jī)組設(shè)計水頭為10 m，最小水頭為5 m，最大水頭為14 m。根據(jù)水能計算，總裝機(jī)容量為3×630 kW 保持不變，根據(jù)大沙河水電站的設(shè)計水頭和裝機(jī)容量，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,選用的水輪機(jī)參數(shù)見表1。

表1 機(jī)組參數(shù)表

4.2 吸出高度復(fù)核

（1）葉輪安裝中心高程

機(jī)組為軸流立式水輪機(jī)，葉輪安裝中心高程21.1 m，發(fā)電尾水位高程為20.0 m，則實(shí)際吸出高為Hs=21.1-20.0=1.1 m。

（2）允許吸出高

4.3 調(diào)速器

水輪機(jī)所需的接力器容量可按下式估算：

在計劃使用最大水頭Hmax=14 m，發(fā)額定出力時的流量為7.27 m3/s，水輪機(jī)直徑D1=1.2 m，所以：

由于原XT-600 調(diào)速器偏少，新選YT-1000 型調(diào)速器。

4.4 發(fā)電機(jī)

1#、2#發(fā)電機(jī)組于2001 年更換定、轉(zhuǎn)子線圈，本次增效擴(kuò)容改造對3#發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行整體更新改造，同時配套更換3 臺機(jī)組勵磁裝置，改造后各機(jī)組單機(jī)容量仍為630 kW，總裝機(jī)容量為1890 kW。3#主要參數(shù)見表2。

4.5 勵磁裝置

配套機(jī)組增效擴(kuò)容改造，更換機(jī)組勵磁裝置。本電站勵磁系統(tǒng)采用可控硅勵磁系統(tǒng)，要求勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器采用智能型，勵磁裝置由機(jī)組廠家成套配套，并與機(jī)組配電保護(hù)裝置同裝于機(jī)組綜合屏內(nèi)。每臺勵磁裝置廠家須至少配套提供與勵磁電流匹配的勵磁電纜60 m。要求勵磁頂值電壓倍數(shù)不低于1.8 倍，強(qiáng)勵響應(yīng)時間不大于0.08 s，自動勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)保證發(fā)電機(jī)機(jī)端調(diào)壓精度優(yōu)于0.5%，且能在空載電壓70%～110%額定值范圍內(nèi)穩(wěn)定、平滑調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

本次增效擴(kuò)容改造根據(jù)發(fā)電水頭、機(jī)坑尺寸、引水能力等基礎(chǔ)設(shè)施情況，在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，通過對水輪發(fā)電機(jī)組、輔助設(shè)備、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的改造，解決機(jī)組老化、出力不足等問題。經(jīng)過這次改造后，平均每年新增發(fā)電量210 萬kW·h，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤848.4 t/a，為溫室氣體減排做出重要貢獻(xiàn)，提高了大沙河水電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。