花山水電站增效擴容改造方案研究

章如強

（中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528400）

1 工程概況

花山水電站位于廣東省肇慶市廣寧縣境內，是北江流域綏江支流古水河上游梯級開發的“龍頭”電站，1994 年3 月建成投入運行，該電站是一座引水式水電站，由進水口、有壓隧洞、調壓井、壓力鋼管、電站及開關站組成。花山水庫總庫容6 300 萬m3，有效調節庫容4 620 萬m3，屬中型水庫。原電站總裝機容量3×8 000 kW，發電機出口端電壓6.3 kV，主變兩臺（20 MVA+10 MVA），水輪機型號為HLA153-LJ-100，配套發電機SF8-8/2600，額定功率8 000 kW，轉速750 r/min。原設計水頭93 m，設計流量10.39 m3/s，近3 年平均年發電量為6 532 萬kW·h。花山水電站特征水位及水頭見表1。

表1 花山水電站特征水位及水頭 m

2 水電站存在的主要問題

1）設備老化，發電效率低。電站主機設備均為20世紀末設計制造，受當時設備制造工藝水平限制，水輪機材質較差, 尤其是轉輪等過流部件一般采用碳鋼等普通材料制造,其抗磨蝕、空蝕能力低。加上機組長期處于滿發超發狀態，目前機組包括水輪機轉輪、底環、活動導葉、頂蓋等過流部件空蝕嚴重，反復修補多次，轉輪葉片及過流部件型線變形，效率降低明顯。

2）水輪機運行效率較低，參數性能落后。使用的HLA153 型轉輪是20 世紀80 年代的技術，由于當時的制造水平和精度不夠，經過20 多年運行，轉輪葉片氣蝕非常嚴重，機組出力顯著下降，機組運行時振動明顯、噪音大，出力和效率均不理想。

3）現狀水工建筑物影響水能利用。因電站引水口兩側岸坡處于水位變動區，導致岸坡巖石剝落坍塌，造成進水口淤積嚴重，影響進水。部分引水隧洞未襯砌，水頭損失增加，造成水能資源的浪費。電站尾水出口右岸擋墻阻水嚴重,影響機組出力。

3 水輪機改造方案

1）改造原則。根據花山水庫的現狀水文特征，結合增效擴容改造規定。本次改造方案擬定的原則為：機組臺數保持不變，型號選擇需考慮現狀水工建筑物及原機型結構尺寸。

2）水輪機型式及臺數選擇。原機組均為立軸混流式機組，經過20 多年的運行，轉輪和流道氣蝕嚴重、轉輪和導水機構經多次補焊型線變形嚴重，造成轉輪效率顯著下降、流道損失加大，電站急需改造以減少損失，增加發電量，為當地經濟發展提供清潔能源。為了最大限度利用電站原引水及廠房水工部分條件，機組改造方案應充分考慮現狀水工建筑物及原機型結構尺寸，盡可能利用原機組埋入部件和廠房建筑，節約改造成本。本次增效擴容改造項目仍選用立軸混流式機組。

原電站裝機3 臺，若改變機組臺數，則水工結構及壓力管道布置變化大，改造成本很高，同時按照增效擴容改造規定，不允許增加機組臺數，因此，本次設計維持原3 臺機方案。

3）水輪機選型。本電站水庫無新增功能，水庫正常蓄水位不變，原設計額定水頭為93 m，但從多年實際運行情況來看，該電站長期在105 m 左右運行，實際運行時水庫水位多數時間在233～235 m 之間，運行范圍偏離，本次改造將額定水頭由93 m 提高到105 m，同時通過更換新型的轉輪，可使機組綜合效率顯著提高，使壓力引水系統管道和水輪機流道的水力損失盡量與原設計水平一致甚至高于原設計水平，因此，本次設計額定水頭比原設計抬高12 m，與多年實際運行的額定水頭保持一致，能最大限度保證機組在較高區域內運行。另外，原設計的加權平均水頭為109.60 m，根據本次設計水能計算成果，加權平均水頭為111.73 m，按照規范，額定水頭與加權平均水頭的比值在0.85～0.95 之間選擇，取額定水頭為105 m 是合理、合適的。

適合本次改造水頭的轉輪有D267、A743、D294 及JF2265，以上幾個轉輪其過流能力、效率等指標都很優秀。但本次改造設計受到原有流道及導水機構尺寸維持不變的條件限制，HLA153 機型的導葉高度系數小，查A153 的b0/D1=0.225，即225 mm。D267 轉輪b0/D1=0.285>0.225，A743 轉輪b0/D1=0.287>0.225，D294 轉輪b0/D1=0.283>0.225、JF2265 轉輪b0/D1=0.225，因此以上轉輪僅JF2265 可滿足本站流道及導水機構尺寸維持不變的改造要求，JF2265 是具有效率高、汽蝕性能優、運行范圍優的新型轉輪。A153 及JF2265 轉輪模型技術參數比較見表2。

表2 轉輪模型技術參數比較表

從表2 對比可知，JF2265 比A153 轉輪能效指標先進、空化特性優良、運行穩定性好，因此，選擇JF2265 機型，即HLJF2265-LJ-100 型水輪機，其運轉特性曲線見圖1。

圖1 HLJF2265-LJ-100 運轉特性曲線（750 r/min）

HLJF2265-LJ-100 轉輪是中國水利水電科學研究院水力機電研究所研制的可以替代HLA153-LJ-100的新轉輪。新轉輪的設計水頭為105m，額定出力10417 kW，額定流量10.85 m3/s，額定轉速750 r/min，飛逸轉速1 430 r/min，額定效率93.23%。

根據電站年發電量及運行記錄，核算改造前機組綜合效率為80.0%，改造完成后機組綜合效率可由80.0%提高到89.5%，改造效果明顯。同時改造后新轉輪在各種水頭下比原轉輪同時增加2 000 kW 左右，改造后新轉輪效率可達到93.23%，出力可達到10 417 kW。因此花山水電站新的裝機容量達到擴容要求，方案機型選擇合理。

4 輔助設備改造方案

1）主閥設備改造選型。原機組主閥均采用液控蝶閥，公稱直徑1 750 mm，承壓水頭160 m，3 臺蝶閥共用1 臺HYZ-2.5MPa 型油壓裝置。改造前，主要存在以下問題：①蝶閥為臥軸式，活門為餅形，流阻系數大；②閥門開關不到位，阻擋水流，水力損失大；③操作機構漏油嚴重；④控制系統老化，無遠程控制接口。

本次3 臺機組主閥改造將原3 臺液控蝶閥全部更新，型號為D741X-20，承壓水頭200 m，每臺蝶閥配16 MPa 皮囊式蓄能罐油壓裝置，蝶閥油壓裝置不需補氣，可省掉廠房內高壓氣系統。蝶閥油壓裝置就近布置，可省去大量錯綜復雜的油、氣管路，使水輪機層看起來整潔舒暢,且可實現現地及中控室遠程操控。

2）調速器設備改造選型。電站原有調速器為YDT-3000 型機械液壓式操作機構，經過20 多年的運行，控制性能差，機械和液壓裝置老化，再者本次電站擴容將水輪機額定出力由8 000 kW 提高到10 000 kW，原調速器已不能勝任花山水電站調峰任務。本次改造擬定更新全套調速器設備，保留混凝土基礎。本站機組的調速功按下式計算：

式中 A——調節功（N·m）；

Q——最大水頭下額定出力時的流量（m3/s）；

Hmax——電站最大水頭（m）；

D1——轉輪直徑（m）。

經計算，調速功為29 838 N·m。按照《農村水電增效擴容改造項目機電設備選用指導意見》的要求，選擇3 臺目前技術先進成熟、高可靠性、并聯PID 調節規律為基礎的可編程高油壓微機調速器，型號為YWT-3500-16 型，調速功35 000 N·m，皮囊式蓄能罐工作油壓16 MPa，調速器不需要單獨補氣，可省掉廠房內高壓氣系統。調速器可實現現地及中控室遠程操控。

5 增效擴容經濟效益分析

水電站原裝機容量為24 000 kW，近3 年平均年發電量約為6 532 萬kW·h。根據水能計算結果，擴容后電站年平均發電量可達到7 861 萬kW·h，與近3 年的平均發電量相比增加了20.35%，根據小水電綜合單價約0.5 元/kW·h 計算，電站每年可增加收入665萬元，效益可觀，電站綜合能效增加明顯。根據對改造后的發電情況了解，改造后第1 年發電量達到7940 萬kW·h，單機滿發時達到額定出力，說明改造方案是成功的，進一步驗證了改造方案選定機型的合理性。該電站進行增效擴容改造后，能充分利用水資源，發揮良好的經濟和社會效益，得到了當地主管部門及建設單位的一致好評。

6 結 語

水電站的增效擴容改造是一個再創造的過程，在改造設計的過程中，受制約的因素較多，影響參數也很多，如何尋找到一個突破口來達到電站增效擴容的目的是關鍵所在。本文通過對花山水電站常年來的運行情況分析，得出電站長期運行水頭在原設計額定水頭之上的客觀結論，在不改變流量的情況下，通過提高額定水頭并尋找合適優質的轉輪來達到增效擴容的目的，尋找可替代的優質轉輪是本次改造的關鍵，通過改造后的運行情況及發電效益分析，本次改造方案是成功的。另外，農村小水電改造前，廠房環境大多較差，本次改造輔機設備選用目前技術先進成熟、高可靠性的設備，可省掉大量油、氣管路布置，使廠房給人以整潔舒適的觀感，這一點也是建設單位希望看到的又一改造成果。