南秦水庫水電站增容改造方案探析

蘇 文

（商洛市水電勘測設計院，陜西 商洛 726000）

南秦水庫水電站建成以來，因水能沒有充分利用，加之部分設備老化，使得水電資源浪費嚴重。為了提升水電站效益，需對南秦水庫水電站進行增容改造。

1 概況

南秦水庫位于丹江一級支流南秦河上，是一座以防洪為主兼顧灌溉、發電、養殖等綜合利用的小（1）型Ⅳ等水利樞紐工程[1]，由大壩、溢洪道、沖砂洞、泄洪洞、灌溉涵洞和發電引水隧洞等組成。南秦水庫水電站站址位于水庫溢洪道出口左側，前臨河，后靠坡，1994 年建成并正式投產發電，設計裝機容量2×250 kW，設計水頭23～33 m，引水流量3.0 m3/s，屬南秦水庫壩后式電站，調節性能為年調節[2]；設計年發電量為294萬kW·h，目前多年平均發電量為38萬kW·h。電站廠區建筑包括廠房、變電站、尾水渠等。

2 存在問題

因當時建設條件及其他諸多原因，南秦水庫水電站建成后所實現的經濟指標與設計值相比差距很大，多年平均發電量僅占設計值的13%，其問題主要表現在以下幾個方面。

（1）水工建筑物中，廠房年久失修，漏水嚴重，且無避雷設施。

（2）引水洞口無控制設備，需新修放水塔、人行橋。

（3）進場交通橋及附近河堤遭水毀，需重新修建交通橋。

（4）進水口未設閘門，尾水渠末端未設防洪閘門。

（5）機電設備老化。電站經過近20 a的運行，水輪機蝸殼銹蝕；蝴蝶閥磨損、腐蝕嚴重；主變壓器、電纜陳舊，耗能大，效率低；輸出電路損壞嚴重，電氣自動化設備已癱瘓。

綜上，南秦水庫水電站急需進行增容改造，以提高水資源利用效益。

3 增容改造方案

3.1 進水口設計

南秦水電站原進水口為隧洞直接進水，洞徑1.5 m，攔污柵用角鋼和扁鐵加工而成。因進水口未設閘門，檢修機組時只有關閉蝴蝶閥才可進行。在實際使用過程中，由于蝴蝶閥關閉不嚴，給檢修工作帶來很大困難。經過勘察和調查，結合工程實際地形條件，需要增設方便運行管理的進水口設施。進水口設計形式選擇塔式進水口。新修放水塔1 座，進水口處設檢修及工作閘門各1道；更換原攔污柵，攔污柵重1.2 t，尺寸2 m×2 m，安裝角度90°，柵格外鍍鋅防銹。

3.2 廠區設計

電站廠區設計包括廠房、變電站、尾水工程、防洪河堤及廠區交通。

3.2.1 廠房

南秦水庫水電站增容改造工程利用原有廠房。廠址位于溢洪道出口左側，背坡面河。廠房為磚混結構，共4 間，跨度9 m，柱距4.2 m，凈空高4.7 m，建筑面積151.2 m2。

將原2 臺250 kW 水輪機機組擴容改造為2 臺320 kW 機組，機組與廠房軸線平行布置，安裝高程93.4 m。廠房進水形式為1#機組正向布置，2#機組與廠房縱向軸線交角為30°布置。

根據地質資料，電站廠房后部斜坡（引水隧洞出口）曾出現過滑塌，近幾年雨季有掉塊現象，為防止再次出現滑塌，影響人身和財產安全，在下部修建1道長30 m、高1.5 m 的梯形漿砌石擋墻。擋墻基礎寬1.35 m，頂寬0.50 m，內側為直墻，外側坡比1∶0.5，均采用M7.5漿砌石砌筑；擋墻每間隔10 m設1 道伸縮縫，伸縮縫采用厚20 mm 的聚氯乙烯伸縮縫板。擋墻軸線與電站進水管交叉，該部位留一門洞，為城門洞型，為電站管道檢修留有一定空間。

3.2.2 變電站

變電站位于廠房左后側，將原安裝SJL1-630/10型號變壓器更換為S11-M-800/10 型號，以10 kV 出線和系統連接。

3.2.3 尾水工程

尾水室采用C20 鋼筋混凝土襯砌，1#、2#機組尾水匯入尾水池，尾水池接尾水渠，尾水排至廠區下游河道。尾水渠采用漿砌石暗涵，渠道寬1.35 m，設計比降1/250，設計水深1.2 m。在原電站尾水排放系統基礎上，在尾水渠末端設防洪閘門1 套，選用PGZ-1.5 m×1.5 m 平面鑄鐵閘門，配套LQ-10 t 手電兩用螺桿啟閉機1臺。

3.2.4 防洪河堤

廠區防洪河堤防洪標準為20 a 一遇，設計洪峰流量606 m3/s。河堤總長度260 m，堤頂寬度4.0 m，堤身高5.0 m，臨水坡面采用40～80 cm 厚M7.5 漿砌石砌護，坡比1∶1.5，背水側坡比1∶2。河堤頂部用M10 砂漿抹面，底部與防沖齒墻連接，齒墻頂寬1.0 m、底寬1.5 m、埋深2.5 m。

3.2.5 廠區交通

進廠路為一架長39 m、寬1.8 m 五跨鋼結構人行橋，橋兩側加1.2 m高防護欄桿。廠區內公路按臨時道路設計，路面為泥結碎石。變電站至引水隧洞進口，沿溢洪道左側邊坡布置1 條長321 m、寬1 m的人行步道。樁號Y0+000—Y0+157 段，路面寬0.62 m，厚0.10 m；路外為寬0.38 m、高0.30 m 的路緣石。路面和路緣石均采用C15混凝土澆筑。路緣石上安裝欄桿，欄桿立柱和橫拉桿均采用C25 混凝土預制。路面和路緣石每間隔11.55 m 設1 道伸縮縫，伸縮縫采用厚20 mm 的聚氯乙烯伸縮縫板；路緣石每間隔10 m 設1 道排水管，排水管采用DN80 硬塑料管。

3.3 機電設備改造

3.3.1 水力機械現狀

南秦水庫原電站總裝機容量2×250 kW，設計年發電量294 萬kW·h，年利用小時5880 h，實際多年平均發電量38萬kW·h[3]。原電站基本數據為：最大水頭26.6 m，最小水頭17.5 m，設計水頭23.3 m；設計流量3.0 m3/s；機組安裝高程93.4 m。原機組參數為：水輪機型號為HL260-WJ-50，額定出力274 kW，額定水頭23.3 m，額定流量1.49 m3/s，額定轉速750 r/min；發電機型號為SFW250-8/850，額定功率250 kW，額定電壓0.4 kV，額定電流451 A，額定轉速750 r/min；功率因數0.8，調速器YT-300，蝶閥Φ=800 mm。

3.3.2 水輪機確定

（1）電站基本資料。擴容后，最大水頭26.6 m，最小水頭17.79 m，設計水頭22.55 m，設計流量3.6 m3/s，裝機容量2×320 kW。

（2）單機容量及機組臺數確定。依據水能計算公式計算得出總裝機容量為650.3 kW，考慮原電站進水、退水水工結構及廠房結構的限制，裝機方案擬定為在原電站機座的基礎上裝設單機容量為320 kW 的2臺機組，即2×320 kW。此裝機方案比原電站擴容140 kW。

（3）水輪機機型確定。根據《小型水電站機電設計手冊》（水力機械）中各型水輪機的應用范圍，適合本電站的機型為混流式水輪機（20～700 m）[4]，經查水輪機型譜，選用水輪機型號為HLD74-WJ-55，額定水頭22.55 m，額定流量1.8 m3/s，額定出力344 kW，額定轉速750 r/min，額定效率90%；發電機型號為SFW320-8/850，額定功率320 kW，額定轉速750 r/min，額定電壓0.4 kV，額定電流577 A，功率因數0.8，額定效率93%。

（4）調速器確定。機組所需最大調速功為206 N·m。為了滿足電站機組運行要求，配備自動化程度較高的YWT 型微機式調速器，型號為YWT-300，調速功為300 N·m。

（5）機組安裝高程。電站原地坪高程為92.6 m，安裝高程為93.4 m。本次更換機組后，根據機組尺寸確定機組安裝高程為93.4 m，滿足機組汽蝕要求。

3.3.3 水輪機附屬設備選擇

根據同類電站運行經驗，為了提高轉輪抗磨蝕能力，降低電站維護檢修工作量，本電站采用不銹鋼轉輪[5]。機組轉輪直徑55 cm，雖為非標準尺寸，但直徑較小，不存在制造、運輸等困難。本電站采用聯合供水方式，水頭為22.55 m，在每個分叉壓力管道上設置手、電動操作蝶閥（Φ=800 mm）。

3.3.4 電氣設備分析

目前，南秦水庫水電站接入系統方式為1 回10.5 kV 出線，以“T”形接于南郊線輸送至商州變電站，輸電距離7 km。電站選用630 kVA 1 臺變壓器。系統經過多年運行，電流平衡，運行安全可靠。

（1）接線方案擬定。由于南秦水庫水電站2 臺機組相同且裝機容量較小，考慮到小水電的特殊性，選用1 臺變壓器的單母線接線方式較為適宜，此方案具有接線簡單、運行維護方便、可縮小布置場地、節省投資的優點。

（2）電站廠用電。廠用電采用380/220 V三相四線制供電系統，分別接自0.4 kV 母線及附近農網用電，采用雙電源互投裝置，互為備用。

（3）主要電氣設備選擇。設備選擇原則如下：必須滿足額定電壓、電流大于回路最高工作電壓和最大持續負荷電流；必須滿足使用環境的要求；按系統提供的短路參數計算短路電流并進行校驗；盡量選用國產通用型先進產品，在國產設備不能滿足要求時，可少量進口必需的國外產品。根據以上原則及使用條件要求，南秦水庫水電站主要電氣設備選擇詳見表1。

表1 南秦水庫水電站主要電氣設備選擇

（4）電纜及母線。機組出線電纜選用3 根YJV22-0.6/1 kV-1×400及1根JV22-0.6/1 kV-1×240型電纜，變壓器低壓側采用LMY-80×10+50×5母線，短路電流熱效應、動穩定均滿足要求。

（5）過壓保護。對直擊雷的防護采用避雷針，對雷電侵入波的防護采用避雷器，盡量降低全廠各種接地網的接地電阻。具體措施為：廠房屋頂設避雷帶；升壓站附近設1座高24 m避雷針，并單設接地極；在10 kV出線端裝1組氧化鋅避雷器；選用優良設備，同時盡量避開出現諧振過電壓的條件，以防損壞設備。

（6）機電設備布置。主廠房內布置2 臺臥軸混流式水輪發電機組及其附屬設備，機組軸線沿廠房Y 方向布置，根據機組尺寸和規范要求，軸線至上游邊墻5.41 m。調速器安裝在下游側，安裝高程為93.4m。南秦水庫水電站采用戶外變電站形式。變電站布置在廠房西側，地面高程為92.45 m，升壓站內安裝1 臺主變壓器，容量800 kVA，另設置有隔離開關、避雷器、架桿等設備設施。

4 結語

制約南秦水庫水電站效益發揮的主要原因是進水口和機電設備老化等問題，上述問題使得電站發電量沒有達到原設計能力。通過分析探討，根據水能選取2 臺（2×320 kW）機組，比原電站擴容140 kW。同時，對老舊機電設備進行改造，可以有效提高南秦水電站發電效益。