小水電站設備運行中常見問題及改造措施分析

倪建光

(福建省建甌市吉陽鎮水利電力工作站，福建 建甌 353106)

目前我國部分小型水電站在運行使用中，存在設備老舊等原因，造成了機組效率低下，難于有效發揮經濟利益，為解決這一問題，水電站相關管理人員可結合目前市場上水電站機組設備技術進行老舊設備的更新改造，實現發揮小水電站最優經濟效果的目的。

1 小水電站設備運行存在問題

1.1 水電站設備調節性能差

研究水電站設備調節性能，例如選取二十世紀九十年代投入使用的一級水電站水輪發電機組，其主要設備參數為：水輪機型號為HLA244-LJ-120，設計定額水頭為27.5 m，最大水頭為32 m，額定流量為9.0 m3/s，額定功率為2 160 kW，額定轉速為375 r/min，飛逸轉速為748 r/min，額定效率為89%，最高效率為90.7%，吸出高度為-1.23 m，調速器型號為YDT-1800；其發電機型號為SF2000-16/2600，額定容量為2 000 kW，額定電壓為6 300 V，額定電流為286.3 A，頻率為50 Hz，功率因素為滯后0.8，相數為3，接線法為Y，額定轉速為375 r/min，飛逸轉速為778.3 r/min，效率達到93%，絕緣等級為B/B，勵磁方式為可控硅，額定勵磁電壓為80 V，額定勵磁電流為375 A。相比之下，下游二級水電站裝機容量數值為設計裝機容量160 kW，設計水頭:40 m，設計引用流量0.88 m3/s，二級水電站有3萬m3調節庫容。因此，從數據可以看出該小水電站設備上游一級水電站設備與下游安裝的二級水電站設備機裝量不協調，在工作中只有一級二級水電站設備同時運行才能保障放水發電的正常運行，不能只用一級水電設備利用地勢落差形成的壓力進行水流發電，在豐水期會造成至少50%水源直接浪費流失，枯水期不能滿足正常的發電需求，嚴重的影響了經濟效益。

1.2 設備發電出力不足

小水電站存在設備發電出力不足的問題，造成這一問題的主要原因是小水電站尾水渠設計或施工建設不合理。河道水流在經過水輪機之后由于所攜帶的水能由轉輪進行吸收利用轉化為電力，剩下的水流稱為尾水，尾水需要通過尾水渠流向下游的河道，在進行尾水渠建設時，首先應考慮到水電站設備機組的運行效果及周邊的地形地勢形成的水能大小，如果不合理的尾水渠建設將導致下游發生排沙淤積。例如，流經尾水渠的水源與擋水墻形成90°的直角，尾水的流經受到阻礙，將直接影響到下游的設備二次吸收利用水能，嚴重的影響到的水能發電的出力情況。

1.3 設備裝機容量與水源不協調

小水電站發電設備的裝機容量與水源流量的匹配程度直接影響到水電站的發電情況。例如，小水電站壩以上集雨面積1.77 km2，原設計裝機容量160 KW，設計水頭150 m設計引用流量0.173 m3/s年平均利用小時4 473.3 h，年平均發電量為71.62萬 kWh；但現狀裝機容量250 KW，設計水頭170 m，設計引用流量0.22 m3/s，左引水渠道900 m，一直沒有辦法引水到前池，這樣發電引用流量0.09 m3/s，這種機裝量較大但水源不足的情況嚴重的影響了小水電站設備的發電效率，在一天的時間內，在進行設備發電幾個小時之后，由于設備裝機容量較大，其中存儲水資源利用耗盡之后，需要進行關機避免損壞設備，當完成蓄水后再進行發電工作，這種發電工作模式嚴重的降低了發電的效率，一天發電時長不能發揮最優效果。

1.4 發電設備選擇機型不合理

發電設備選擇機型不合理，會造成發電出力不足嚴重影響發電設備的發電效果。例如，電站壩址以上集雨面積為62 km2，河流長度為15 km河道平均坡降為28.5%，工程引用中和三級水電站，砌筑攔水經350 m榆水渠，通過10 m壓力水管引至加枧上游約200 m處裝機發電，尾水進入原河床。原設計裝機容量2×125 KW，毛水頭6.5 m，設計水頭6 m，設計引用流量5.6 m3/s現狀裝機容量2×160 KW，設計引用流量7.2 m3/s，壓力管長10 m，管內徑1.5 m，渠道內空寬×高=3.8 m×1.8 m，水深0.8 m，選用水輪機ZD760-LH-80，配發電機SF160-12/850。施工預期實測實際情況是設計水頭才4 m，經過計算得到渠道實際流流量才2.7 m3/s，機組最大發電才80 KW，而且選擇的機組水頭是6 m實際情況遠遠與設計不符，造成水電站效益低。

2 小水電站設備改造提升措施

2.1 建設日調節池

水電站日調節池可進行通過調節容積，與水電站日負荷變化相適應，具有調節能力的水池，在水電站建設中位于無壓引水道的某一位置，如果未建立日調節池的小水電站在運行工作時將對水源水流的變化情況反應能力遲鈍，與之相應的，通過按照水電站最大引用流量，科學設計建造日調節池能有效的連接壓力前池間的引水道，設計上游的引水道時可按照接近水電站的水源平均流量進行設計，如圖1所示，建立日調節池需要結合一體化池與生化系統進行泥沙過濾，這種設計適用于多數小型水電站，尤其是水電站裝機容量較小，電站水頭不高，引用流量不大的水電站[1]。例如，原裝機容量55 KW，引用流量僅0.3 m3/s，12 960 m3庫容即能調節12 h發電。建設日調節池能有效的調節水電站日負荷變化，并且建立日調節池需要投資也少，優化水電站性能以實現增加小水電站增加經濟效益的目的。

圖1 日調節池

2.2 調整壓力鋼管管徑

通過科學合理的進行調整壓力鋼管管徑，能有效的減少水頭損失，將水源水能充分利用，實現增加小水電站發電經濟效益的目的，如果壓力管徑偏小不能滿足超負荷發電增加發電效益的需求[2]。例如，水電站因為壓力管徑偏小，數據按估算的管徑0.46 m，但實際發電的時候，由于壓力鋼管長達851 m，小水電站設備一進行開機后，水頭就從45.5 m降到37 m，但是實際損失水頭高于理論損失水頭，損失水頭達到8.5 m水頭，理論計算水頭只有損失7.1 m，因為壓力管徑偏小，水頭損失大，引水管效率只有81.3%。改造時按精確理論計算出沿程和局部損失以及實測換算相結合得出管徑0.791 m，后管徑選取0.8 m，如圖2所示，這樣水頭損失只有0.55 m很小，將可以實現滿負荷發電并超負荷發電增加發電效益。

圖2 改造后壓力鋼管

2.3 擴寬渠道增加水流流量

通過擴寬渠道增加水流流量，能有效的降低尾水流量并起到增加水頭的作用。這樣就可以有效的提升水電站設備機組的發電出力效果，并提升發電效益。在進行小水電站擴寬渠道的施工方案數據時，相關人員進行渠道流量測量可使用流速面積法、平均流速公式法、水位流量曲線法和量水堰槽法等，通過科學合理的方式測量出施工地點的水流流量之后，在進行擴寬渠道的施工。例如，中和云橋電站擴寬渠道項目中，將渠道由內空寬×高=3.8 m×1.8 m改造成寬×高=7.0 m×1.8 m，水深0.9 m，經過(A-斷面面積，R-濕周半徑，i-水渠坡度，n-水渠糙度)計算得到流量達到7.97 m3/s，由于上游有電站，前池加高0.5 m，經過施工改造后，能有效的提升設備水頭并降低了流經水輪機的水尾，并根據當地的實際情況更新改造了水輪機和發電機，選擇型號為水輪機ZD760-LH-80，發電機SF160-12/850。根據實測實際情況時設計水頭制定為4 m，引水渠道引用流量為7.97 m3/s，機組發電選擇266 kW，如更換水輪機機組為水頭是4.5 m的機型，通過適當的增加水頭高度，而不改變其他設備參數，達到小水電站的最優設備發電出力，可以有效地增加該水電站的經濟收益。

2.4 增加水輪機容量

在二十世紀我國進行的小型水電站建立，由于受當時的資金和技術的限制，不能使小型水電站建設有足夠的數據和理論進行支撐，由于種種原因的阻礙，小水電站在建設時設計圖紙可能存在一定的偏差，在后期施工建設時，造成了建設規劃不科學合理的問題，例如發電利用小時和滿發電保證率要求高，造成部分電站裝機容量選擇較小，在工作運行時不能充分利用水力資源，經常出現大壩溢流且時間長，面對這一問題，在水電站設備改造升級時可適當增加水輪機容量，將水資源充分利用，以促進提升經濟效益。在改造中為得出正確的數據模型，應對小水電站機組設備進行調研和水文資料進行核實，通過調研工作找出最合適的水輪機容量數據[3]。下一步應在小水電站機組設備工作運行中進行實驗分析，確定其改造目標，經過專業人員的探討并結合實際情況制定出小水電站設備更新改造的設計方案，并進行施工建設。

3 結語

綜上所述，在過去建設小水電站時存在技術落后、缺乏專業人員和測量工具等問題，導致在發展中小水電站的設備已經不能滿足現在的市場需求，對小水電站進行設備更新改造是發展中必不可少的環節，通過先進的科學技術和優質的材料，能有效的將小水電站資源利用效率提高，實現發展經濟效益最大化。