山區(qū)農村小水電站設計初探

楊祖煊

（古丈縣水電經營管理站 湘西自治州 416300）

古丈縣位于湖南省西北部，地處武陵山脈中段。境內山高坡陡，溪河縱橫。全縣水能資源理論蘊藏量72.37 MW，已開發(fā)8.685 MW。建有農村小水電站17處，多數(shù)為徑流引水式，利用水頭在（5～300）m之間。這些小電站建成年代早，設計時不同程度地存在一些不合理因素。突出表現(xiàn)在裝機容量偏小、水輪發(fā)電機組選型不當、勵磁系統(tǒng)不能適應并網運行等。水能資源利用率低，嚴重影響電站的經濟效益。本文針對山區(qū)農村小水電站的特點，結合多年從事農村水電規(guī)劃、設計、建設和管理工作經驗，從裝機容量確定、水輪發(fā)電機組選擇、電氣主接線擬定、勵磁系統(tǒng)匹配、電氣測量和同期裝置及保護裝置設計等方面對山區(qū)農村小水電站設計作初步探討。

1 裝機容量確定

裝機容量是水電站的主要參數(shù)之一，它關系到水電站的規(guī)模、效益、投入資金的多少和水能資源的合理開發(fā)等問題。裝機容量確定過大，會造成投資增加、設備利用率低等問題；確定過小，水能資源不能得到充分利用。所以，確定經濟合理的裝機容量是水電站規(guī)劃設計的關鍵環(huán)節(jié)。

裝機容量一般是結合水能計算成果經動能經濟計算最后確定，這對于山區(qū)農村小水電站來說顯得過于復雜，且常使電站裝機容量偏小。本文推薦采用裝機容量年利用小時法，即以一個預先確定的合適裝機容量年利用小時數(shù)來控制裝機容量確定的合理性。裝機容量年利用小時數(shù)（h年）是指水電站以裝機容量（N裝）滿載運行發(fā)出多年平均年發(fā)電量（E年）的小時數(shù)，計算公式為h年=E年/N裝。山區(qū)農村小水電站裝機容量確定步驟如下：

（1）進行水能計算，求出保證出力Np和保證電能Ep。

（2）確定裝機容量年利用小時數(shù)目標值。農村小水電站的裝機容量年利用小時數(shù)一般在 （4 000～5 000）h范圍內。調節(jié)能力低的無調節(jié)或日調節(jié)水電站，h年可取偏大值；具有年調節(jié)的水電站，h年可取偏小值。

（3）確定保證出力倍比系數(shù)C。為減少試算工作量，使初定的裝機容量方案不偏離目標值太遠，通常采用倍比系數(shù)法初定裝機容量范圍，即N裝=C×Np。保證出力倍比系數(shù)C可根據電站具體情況，參考附表的經驗數(shù)據選擇。

（4）裝機容量范圍。根據確定的保證出力倍比系數(shù)C，由公式N裝=C×Np計算出電站的裝機容量范圍。

附表 保證出力倍比系數(shù)C參考表

（5）確定裝機容量方案。方案確定時要結合水輪發(fā)電機組的標準容量及可能的機組臺數(shù)配置來進行，即確定的數(shù)量一定是可以實際裝置的。在方案選擇時對于同一水電站一般盡量選擇同一機型，特殊情況下可以根據具體情況進行大小機組搭配組合。方案數(shù)量一般不少于3個。小型水輪發(fā)電機組的標準容量等級有：125，160，200，250，320，400，500，630，800，1 000，1 250，1 600，2 000，2 500，3 200，4 000，5 000 kW。 農村小水電站的機組臺數(shù)一般為1～4臺。

（6）計算各個裝機容量對應的多年平均年發(fā)電量E年和裝機容量年利用小時數(shù)h年。根據各個方案的裝機容量數(shù)值，結合水能計算成果求出各個裝機容量對應的多年平均年發(fā)電量E年，再由公式h年=E年/N裝求出各個裝機容量對應的裝機容量年利用小時數(shù)h年。

（7）確定裝機容量N裝。根據上述計算成果，參照預先確定的h年目標值，選取最接近目標值的方案即可作為裝機容量選擇成果。同時確定對應的多年平均年發(fā)電量E年和利用小時數(shù)h年。當有幾個方案（一般2個）都比較接近目標值h年時，須經比較論證確定。

2 水輪發(fā)電機組選擇

水輪發(fā)電機組是水電站的主要機電設備。機組選型設計的正確與否，直接關系到電站的造價、出力以及投產后的運行情況等。以往對農村小水電站，設計者多是根據水能計算成果得出的電站設計水頭和單機引用流量兩項參數(shù)，在水輪機生產廠家所提供的產品目錄上選定水輪機的規(guī)格型號，然后按照產品目錄上提供的水輪機轉速、出力等配套發(fā)電機。這種方法雖簡單，但投產后機組經常會處于非高效區(qū)運行，易出現(xiàn)偏離設計工況、機組效率降低、氣蝕增大等不良后果。為此在山區(qū)農村小水電站水輪發(fā)電機組選型中應重點考慮水輪機型號的選擇。再根據所選定的水輪機出力、轉速和裝置形式、發(fā)電機效率等配套發(fā)電機。

（1）水輪機型號選擇。水輪機型號的選擇合理與否，直接影響到水輪機的運行效率。水輪機根據水力作用的不同，分為反擊式水輪機和沖擊式水輪機兩大類。兩大類中，又可分為混流式、軸流式、貫流式、水斗式、斜擊式和雙擊式6種型式。不同的型式有不同的適應水頭、流量和高效率區(qū)域。

水輪機選擇工作應根據電站開發(fā)方式，動能經濟計算并參考制造商生產的機型、系列和規(guī)格選擇若干個方案進行技術經濟比較，從中選出綜合性技術經濟指標最優(yōu)方案。實際設計中，經常會在某一水頭范圍內遇到兩種以上適用的水輪機型號，應該進行綜合分析，評價不能單純的從經濟觀點考慮問題，才能選擇出比較理想機型。如臥式機組與立軸式機組相比較，前者雖然有制造方便、土建費用少、價格較便宜、安裝檢修方便等優(yōu)點，但在同等情況下與后者相比較，前者運行條件很差，廠房內溫度、噪音皆遠高于后者，嚴重影響運行人員的身心健康和運行時處理事故能力。因此在運行參數(shù)基本相同的情況下應盡量選擇立軸式機型為佳。又如混流式與軸流式機組相比較，當水頭在（20～40）m范圍內時，山區(qū)農村小水電站應選擇前者，當水頭小于20 m時則采用后者為好。

（2）機組安裝高程的確定。水輪機的安裝高程不能超過水輪機允許的最大吸出高度，否則會引起水輪機轉輪的汽蝕、振動等不良現(xiàn)象，縮短機組的運行壽命。

● 臥式機組：▽安=Z下+hs-▽/900-D/2

● 立式機組：▽安=Z下+hs-▽/900式中Z下——尾水最低水位（m）；

hs——水輪機理論吸出高度（m），查水輪機應用范圍圖及 hs=f（H）曲線；

D——水輪機轉輪直徑（m）；

▽——水電站廠房所在地的海拔高程（m）。

為了消除或減輕水輪機汽蝕，可將計算出的▽安降低（0.2～0.3）m 確定安裝高程。

3 電氣主接線

電氣主接線是電站運行人員進行各種操作和事故處理的重要依據之一。山區(qū)農村小水電站總裝機大多在1 000 kW以下，裝機臺數(shù)一般不超過4臺；相應的電壓等級和回路數(shù)以及主變的臺數(shù)也較少。加之山區(qū)農村小水電站運行人員技術一般較低。因此電氣主接線的擬定在滿足基本要求的前提下，應力求采取簡單、清晰且又符合實際需要的接線形式。

對于1臺機組，宜采用發(fā)電機-變壓器組單元接線；對于2～3臺機組，宜采用單母線不分段接線，共用1臺主變；對于4臺機組，宜采用2臺主變用隔離開關進行單母線分段，以提高運行的靈活性。

4 勵磁系統(tǒng)

山區(qū)農村小水電站同步發(fā)電機多數(shù)采用半導體勵磁裝置。發(fā)電機容量500 kW以下的低壓機組普遍使用不可控硅二極管雙繞組電抗器分流式、相復勵半導體勵磁式和三次諧波半導體勵磁式三種勵磁型式。這類機組在單機運行時，具有起勵迅速、裝置簡單、自動恒壓等優(yōu)越性?？墒桥c電網并列運行時，存在勵磁性能不適應的缺陷：無功負載與有功負載分配不穩(wěn)定；當電網的網電壓偏高時，機組容易發(fā)生振蕩，被迫減少有功功率輸出，無功又發(fā)不足，電站經濟效益大受影響。本文推薦500 kW以上的發(fā)電機宜采用可控硅勵磁系統(tǒng)，500 kW以下的發(fā)電機優(yōu)先采用可控硅勵磁系統(tǒng)，也可采用電抗移相相復勵系統(tǒng)。

5 同期、測量及保護裝置

現(xiàn)在山區(qū)農村小水電站均需并網運行。電站的并網操作，除了事關電站和電網的安全外，并網速度的快慢，還直接關系到機組空載水耗的多少。采用手動并網時間較長，易造成水量的無謂浪費，影響發(fā)電效益。加之徑流電站因來水量不穩(wěn)定（特別是枯水季節(jié)），開停機較頻繁，浪費更加明顯。因此，設計時要配置發(fā)電機控制同期裝置，作為小型發(fā)電機饋電、同期并網之用，一般采用ZTQ系列自動準同期并網裝置即可。

山區(qū)農村小水電站保護設計應在滿足繼電保護基本要求的前提下，力求做到簡單可行、維護檢修方便、運行人員容易掌握等。主要有發(fā)電機過負荷、過流保護和欠電壓保護，水阻保護，變壓器過載、短路保護和防雷保護等。電氣測量應包括：三相交流電流、三相交流電壓、有功功率、功率因數(shù)、頻率、有功電能、無功電能、勵磁電流和勵磁電壓等的監(jiān)視和測量。

6 其 他

（1）因地制宜，選擇合適類型的壓力水管。除滿足承受水壓的需要外，還必須考慮建設地的自然條件，選擇合適的類型。對建在溫差較大地區(qū)的高水頭電站，宜采用鋼制壓力水管。

（2）盡量擴大徑流引水式電站的前池容量，提高調節(jié)能力。為適應現(xiàn)時小水電上網電價實行豐枯和峰谷電價，前池設計可一方面盡可能擴大前池容量和擴大前池入口段渠道斷面，建成具有日調節(jié)性能的前池；另一方面充分利用渠道兩側階地作蓄水槽，水位高時入槽蓄水，水位低時，出槽發(fā)電，從而盡量提高電站的調節(jié)能力。

（3）低水頭徑流式小水電站宜采用外置式攔污柵。將攔污柵布置在電站進水渠口，離開廠房有一定距離，柵墩是獨立于廠房的混凝土結構，柵葉立面布置一般設75°傾角，攔污柵底坎與攔砂坎結合設計，以降低土建投資。主要優(yōu)點是清污方便容易，保障電站的安全正常運行，且可減少水頭損失。

7 結語

山區(qū)農村小水電站雖小，但對發(fā)展農村經濟、減輕農民負擔和保護生態(tài)環(huán)境等有重要意義，且其開發(fā)建設是一項技術性很強的工作，因此設計工作不容忽視。作為農村小水電工作的從業(yè)者，應把握好電站設計的每一個環(huán)節(jié)，遵循科學、合理、簡便的原則，重點做好裝機容量的確定和水輪發(fā)電機組的選擇，兼顧勵磁、同期和保護裝置優(yōu)化運行的需要，適應電網運行自動化程度越來越高的要求。

1王恩潤.小水電站[M].北京：水利電力出版社，1992.

2張洪楚.水電站[M].北京：水利電力出版社，1994.

3趙福祥.中小型電站電氣設備運行[M].北京：水利電力出版社，2005.

4顏竹丘.水能利用[M].北京：水利電力出版社，1986.

5張潤.山區(qū)徑流引水式電站設計的幾占體會[J].小水電，2007，(3)：28-29.

6龍建明，李敏科，馬艷梅.小型水電站裝機容量的確定[J].小水電，2006，(4)：37-38. （收稿日期：2010-06-03）