關于對西安市引湑濟黑水電站發電機組更新擴容的研究分析

高 哲

（西安市引湑濟黑調水工程管理中心，陜西 西安 710018）

1 水電站簡介及發電擴容思想

西安市引湑濟黑水電站（以下簡稱水電站）是西安市引湑濟黑調水工程的組成部分，屬于西安黑河區域保留整改提升的水電站。水電站工程設施設備屬于國有資產，地處黑河源頭，于2011年建成投產運行，具體位于西安周至縣厚畛子鎮釣魚臺村黑河上游五里河，水電站為徑流式電站，發電水流源于無壓調水隧洞，經隧洞出水口壓力鋼管引入水輪機，后流入黑河上游河道。水電站水頭40 m，裝機容量2×320 kW，單臺水輪發電機組額定發電需水量1.02 m3/s，設計發電年利用小時數為5115 h，年設計發電量167萬kW·h。發電上網匹配電壓等級10 kV，變配電于33 km處的周至縣沙梁子變電所管理。

按照西安市引湑濟黑調水工程的初步設計報告[1]，引湑濟黑調水工程是一個跨流域調水工程，調水水源隸屬長江流域漢江水系的湑水河，是將秦嶺南麓長江流域的湑水河水調入黃河流域的渭河支流黑河，經黑河水庫調節后補充西安市城區生活、工業用水。該項目于2007年開工，2010年8月已基本完成了電站、引水樞紐和管理設施等附屬工程，工程輸水隧道實現全線貫通。水電站水輪發電機組設備折舊年限為10年，目前已運行10年，設備運行即將屆滿經濟年限。基于2014年～2019年6年的實調水量、發電量數據統計，在水電站現有壓力鋼管不變的條件下，按照《小型水力發電站設計規范》[2]，對水輪發電機組更新擴容，最大化利用豐水期調水水能資源，提升發電經濟效益，實現國有資產增值。

2 水電站壓力鋼管的最大過流條件約束

2.1 水電站壓力鋼管現狀

水電站現有壓力鋼管直徑900 mm、厚度14 mm，長70 m，水頭40 m。按照《西安市引湑濟黑調水工程初步設計報告》中水電站壓力鋼管設計數據，此壓力鋼管的流量可為3 m3/s～5 m3/s。水電站壓力前池通過引水隧洞（引水隧洞設計最大流量10 m3/s）貫通上游的引水樞紐，引水樞紐控制流域面積為125 km2，區域年降雨量為860 mm，降雨集中在每年5月～10月的豐水期。

水電站現有2臺320 kW的臥式混流式發電機組，發電功率最大為640 kW，推算壓力鋼管對應的水流量為2.04 m3/s。

2.2 壓力鋼管最大過水流量

按照《水電站壓力鋼管設計規范》[3]中壓力鋼管明管水力計算、結構分析，結合一般經驗，明管內壓30 m～70 m，流速約3 m/s～6 m/s。

若將壓力管道內部流速按照V=5.0 m/s計算時，此時壓力鋼管的流量，滿足設計報告中壓力鋼管設計流量3 m3/s～5 m3/s的要求，則水電站的出力可達W=

2.3 現有壓力鋼管的理論擴容量

由2.1與2.2可知，現有的壓力鋼管可滿足954 kW的發電需要的過水流量，但目前水電站2臺發電機組滿負荷發電只能達到640 kW，可擴容314 kW。在現有壓力鋼管安全運行條件下，具備擴容能力。

3 發電機組更新擴容的方案選用

要在實際中對水電站進行擴容，是要具備一定前提條件的。對水電站發電機組更新擴容，是在現有發電機組設備折舊期滿、經濟使用壽命完成條件下，根據2014年～2019年6年實際真實的調水量、發電量數據，在現有壓力鋼管等工程設施安全運行條件、最小化代價下，研究分析論證方案。

1）方案一：水電站發電擴容，更換壓力鋼管。現有壓力鋼管與調水工程出水口壓力前池接口部位有閘門設施，退水陡坡，屬于調水工程出水口核心部位。在原工程設計基礎上進行變更，需原設計單位重新設計論證，方案經上級主管部門批復同意后實施。施工過程中需要更換壓力鋼管、發電機組，安裝相應配套的電力電屏操作柜、電力開關設施、電力線路等，工程改建程序多，土建與水電工序交接多，施工工程量大，資金投入較多。

2）方案二：水電站發電擴容，不更換壓力鋼管，僅更換水輪發電機組，實現發電擴容。需安裝匹配相應水流的發電機組設備，安裝相應的配電屏、開關、線路、變壓器等電力配套設施，整個變更過程的工程量較小，資金投入相對小。

3）通過對比，推薦選用方案二：不更換壓力鋼管，僅更換水輪發電機組，實現發電擴容。擴容后的最大發電水流量為壓力鋼管的最大限流3.18 m3/s，最大發電功率954 kW。

4 水電站擴容后發電量計算

2014年～2019年，連續6年，其中含平水年，調水水流數據也更具有一般代表性，西安市引湑濟黑調水工程2014年～2019年每月日均調水量統計結果見表1。

表1 西安市引湑濟黑調水工程月均調水量統計（2014年～2019年） 單位：m3/s

其中，超過發電機組額定功率2臺320 kW所需額定水流2.04 m3/s的部分，按照終端水輪機組用水流量，以2.04 m3/s計算，見表2。由表2最后一行可知發電機實際用水流量。

表2 西安市引湑濟黑水電站發電水流量統計（2014年～2019年） 單位：m3/s

由表2可知，在2014年～2019年6年調水期間，發電機組發電所需額定水流量，均小于壓力鋼管最大過水流量5 m3/s。并且，在一年中有7個月（4月～10月），發電機組滿負荷發電時額定水流量均小于調水流量，調水流量未能全部參與發電，水能資源未充分用于發電，出現流失浪費。直接判定，更換現有的發電機組進行發電擴容，是可行的，也是能產生最大化發電收益的。

用壓力鋼管的最大過水量3.18 m3/s，來選型水輪發電機組，發電容量則可以擴至954 kW，考慮發電功率因數0.8。

現有2臺相同水輪機型號均為HLD46-WJ-55，每臺額定水頭1.02m3/s，出力344kW。2臺發電機型號均為SFWE-K320-8/850，輸出電壓400 V，勵磁裝置SFZL-320/8，調速器SDT-300，閥門型號Z945T-0.6DG600，控制屏BKF-3/320，采用直聯方式連接。

通過閱讀《水輪發電機原理及運行》中第8篇水輪發電機增容改造[4]，按照《中小型水電站電氣設計手冊》[5]，選用相近的混流式水輪發電機組技術參數，找到2臺水輪機型號均為HL180-WJ-60，出力547 kW，每臺對應水頭39 m，額定水流1.634 m3/s。配套2臺發電機型號均為SFW 500-8/990，輸出電壓400 V，勵磁裝置SCR，調速器YT300，閥門型號Z941H-1.0，直徑Ф600，采用直聯方式連接。

按照以上參數對2臺水輪發電機組進行擴容更新，更新匹配相應的勵磁、調速器、水流閥門、配電屏、電力開關、低壓線路，升壓變壓器等，可擴容360 kW，即可將目前640 kW的水電站發電功率擴容至1000 kW的目標任務。

表3 西安市引湑濟黑水電站水輪機組更新擴容后發電量預計 單位：m3/s

5 擴容后結果與實際對比分析

選擇好新的匹配參數的水輪機組，2臺功率均為500 kW，擴容至1000 kW。按照現有壓力鋼管計算發電量時，以壓力鋼管最大過流量3.18 m3/s計算，見表3。對水電站水輪機組更新擴容后的發電量進行預計，在2014年～2019年6年的實際調水數據基礎上，逐月進行仿真計算，得到年度發電量。

由表4可知，水電站擴容后的發電量預計為496.32萬kW·h，是擴容前年均發電量205.57萬kW·h的141.44%。

擴容前后的發電效益計算結果見表4。由表4可知：擴容后，發電經濟效益也相應擴大。

表4 西安市引湑濟黑水電站擴容前后的發電效益對比

按照目前市場價格，1套水輪機、發電機、配套電力設備按照100萬元投資成本計算，2套約合200萬元固定資產成本。而更新發電機組擴容運行后，1年的經濟收益可達158萬元，投資200萬元的固定資產只需要1.5年左右周期就能收回成本，經濟效益非常可觀，是值得投資的。故水電站的發電量擴容，不僅能滿足技術上的條件許可，而且也能獲得更好的經濟效益。借助水電站固定資產設備10年折舊期滿之機，可進行更新發電機組設施設備，發電擴容對水電站的運營管理、國有資產的保值增值具有明顯積極的現實意義。

6 結論

（1）通過對引湑濟黑調水工程調水流量的實際統計發現，在豐水期，現有水輪機組滿負荷發電時，部分水能資源溢出水電站壓力前池，未能充分參與發電，水能資源流失。

（2）現有發電機組的經濟使用壽命屆滿之際，在水電站現有壓力鋼管不變的條件下，可對水輪發電機組更新擴容，采用同類別不同容量的臥式混流式水輪發電機組，發電容量由現有2臺320 kW擴容至2臺500 kW。

（3）分析判定，水電站的發電量擴容，不僅能滿足技術上的條件許可，而且也能獲得更好的經濟效益。更新現有的發電機組進行發電擴容，對水電站的運營管理、國有資產的保值增值具有明顯積極的現實意義。

（4）擴容后預計，水電站每年發電收益增加了141.44%，擴容的投資費用將在1.5年左右收回成本，經濟效益可觀，可實現國有資產增值。