金口河小河新村電站增容改造方案論證及體會

【摘 要】本文通過金口河小河新村電站增容改造方案論證的工作實踐，提出了做好水電站的技術(shù)改造方案論證工作的幾點體會，強(qiáng)調(diào)要做好技術(shù)改造設(shè)計，機(jī)組增容改造時一定要重視輸水系統(tǒng)的核算，并抓住水輪機(jī)的改造來帶動整個電站的技術(shù)改造。

【關(guān)鍵詞】水電站；技術(shù)改造

1.前言

金口河小河新村電站是大渡河支流小河梯級開發(fā)的最下游一級電站，屬無調(diào)節(jié)引水式高水頭電站。電站自文店建壩取水，經(jīng)3280m隧洞及82m暗渠引水至大渡河與小河匯合口下游約200m處建廠發(fā)電，尾水泄入大渡河。

金口河小河新村電站始建于1987年年底，于1990年3月建成投產(chǎn)，電站共安裝兩臺水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量2×3200kw，設(shè)計引用流量5.0m3/s，設(shè)計水頭171.6m。多年平均年發(fā)電量3648萬kw.h，多年平均年利用小時5702h。電站由底欄柵取水樞紐、無壓引水系統(tǒng)及廠區(qū)樞紐組成。

金口河小河新村電站自1990年3月建成投產(chǎn)至1998年，年發(fā)電能力一直徘徊在3800萬kw.h上下，統(tǒng)計1991年～1998年8年的發(fā)電情況，年平均發(fā)電量為3666萬kw.h，與設(shè)計多年平均年發(fā)電量3648萬kw.h相差無幾。但隨著1999年國家退耕還林，還林還草等宏觀調(diào)控政策的實施，電站集雨面積內(nèi)土壤保水能力增強(qiáng)了，電站水質(zhì)、水量得到明顯改善。突出反映在平水期、豐水期電站運行區(qū)間內(nèi)，長期存在棄水，時間長達(dá)四、五個月。根據(jù)實際情況，新電公司在與原廠家重慶水輪機(jī)廠聯(lián)系后，運用提高發(fā)電機(jī)運行功率因數(shù)的合理手段，在保證機(jī)組除有功功率以外的所有參數(shù)均在控制范圍以內(nèi)的前提下對原有機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)改造，通過盡可能多發(fā)有功、少發(fā)無功的方式，實現(xiàn)了機(jī)組實際有功功率達(dá)到2×3500kw的發(fā)電能力。具體反映在近幾年（即2000年以來）發(fā)電量呈逐漸上升趨勢，年發(fā)電量在4100kw.h上下，統(tǒng)計2000年～2005年6年的發(fā)電情況，多年平均發(fā)電量為4130kw.h，機(jī)組長期超發(fā)對設(shè)備危害很大。盡管如此，電站棄水時間年平均仍在100天以上，棄水量達(dá)1.0～1.5m3/s以上。因此，從電站來水情況來看，金口河小河新村電站具有進(jìn)一步增容改造的先決條件。為了充分利用小河流域得天獨厚的水資源，增加發(fā)電量，進(jìn)一步提高電站的經(jīng)濟(jì)效益，同時為提升電站在區(qū)域電網(wǎng)中的占有量，提高自己的市場競爭力，在日益激烈的市場競爭中鞏固自己應(yīng)有的一席之地，盡快對電站進(jìn)行全面增容改造已勢在必行。

2.增容改造論證的總原則

根據(jù)業(yè)主的要求，本次增容改造確定的裝機(jī)規(guī)模應(yīng)能保證不對底欄柵壩、沉砂池、引水洞、渠、前池等水工建筑物進(jìn)行大的改變；電站的壓力管道、廠房基礎(chǔ)等原則上不應(yīng)有大的變化；電站的主要電氣設(shè)備（如變壓器等）原則上不更換。因此，在確定增容方案時，不改變已有建筑物的位置，僅在滿足相關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求的前提下對局部控制性部位進(jìn)行加高改造，以滿足增容改造后引水系統(tǒng)過流的要求。在擬定方案時，考慮了在原有機(jī)組基礎(chǔ)上改造和新增一臺小機(jī)組兩種方式。金口河小河新村電站增容改造論證在上述原則的指導(dǎo)下提出增容改造方案，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較最終選擇經(jīng)濟(jì)、合理的增容改造方案。

3.增容改造方案的擬定

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》（SL279-2002）對無壓引水隧洞在恒定流情況下洞內(nèi)水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面面積的15%，且高度不應(yīng)小于40cm，在非恒定流條件下，若計算中已考慮涌浪時，上述數(shù)值允許適當(dāng)減少的規(guī)定，對本電站引水系統(tǒng)過流能力起控制作用的江溝溢流堰最大可加高0.35m，即最大過水水深可達(dá)到2.16m。

根據(jù)不同發(fā)電負(fù)荷情況的實測流量及過流斷面資料及引水隧洞竣工圖，反算出江溝溢流堰下斷面及與前池相接的暗渠末端斷面的糙率分別為0.01744及0.01534，然后分別計算兩斷面過水水深達(dá)到2.16m時的幾何參數(shù)，從而算出江溝溢流堰下斷面及與前池相接的暗渠末端斷面的最大過流流量分別為6.88m3/s及6.8m3/s，則本電站引水隧洞最大過流能力按6.8m3/s考慮。根據(jù)動能計算，在此流量下最大裝機(jī)能達(dá)到8900kw，此為本電站增容改造方案裝機(jī)容量考慮的上限，在此基礎(chǔ)上，動能擬定了增容后總裝機(jī)規(guī)模為7660kw、8000kw、8400kw、8900kw四個容量等級。根據(jù)新村電站原廠家重慶水輪機(jī)廠的承諾，對新村電站增容至8000kw以內(nèi)的規(guī)模，可通過對水輪發(fā)電機(jī)組自身的改造達(dá)到增容的目的，且不會對廠房建筑結(jié)構(gòu)造成大的變動，也不會對改造后的水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，也不需更換主變壓器；而電站增容至8000kw以上時，若仍通過對水輪發(fā)電機(jī)組自身的改造達(dá)到增容的目的，由于吸出高程變化較大，將會對原廠房動力基礎(chǔ)造成較大的變動，改造后的水輪發(fā)電機(jī)組效率降低，必須更換兩臺大容量主變，投資大，效果差。根據(jù)上述分析，擬定電站增容改造方案時，考慮增容后容量為8000kw及以下的方案通過對水輪發(fā)電機(jī)組自身的改造來達(dá)到增容的目的，增容后容量為8000kw及以上的容量方案考慮通過新增一臺小機(jī)組達(dá)到增容的目的。

根據(jù)上述分析，擬定以下方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較：

2×3830kw（方案一），2×4000kw（方案二），2×3200kw+1600kw（方案三），2×3200kw+2000kw（方案四），2×3200kw+2500kw（方案五）。

4.裝機(jī)容量及增容容量的選擇

新村電站為無調(diào)節(jié)電站，在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)基荷，所占比重很小。本次裝機(jī)容量復(fù)核論證中，裝機(jī)容量范圍由裝機(jī)利用時數(shù)4000～5700h選擇，機(jī)組臺數(shù)除電站目前實際機(jī)組臺數(shù)為2臺以外，增容后容量在8000kw以內(nèi)均考慮由原兩臺機(jī)單機(jī)增容，增容后容量在8000kw以上增容方案均按在原有2×3200kw裝機(jī)方案的基礎(chǔ)上增加一臺機(jī)考慮，即為2+1臺。

在裝機(jī)方案論證中，增容改造機(jī)組仍采用混流式機(jī)型，增容改造機(jī)組效率按與原電站機(jī)組效率相近考慮，機(jī)組綜合出力系數(shù)統(tǒng)一按7.6，但計算受阻出力和電量時則按機(jī)組汛期實際效率進(jìn)行?？紤]來水量及引水道過水能力的限制，選擇增容方案2×3830kw（增容1260kw）、2×4000kw（增容1600kw）、2×3200kw+1600kw（增容1600kw）、2×3200kw+2000w（增容2000kw）、2×3200kw+2500kw（增容2500kw）重點進(jìn)行動能經(jīng)濟(jì)比較。

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)的綜合比較，得出如下結(jié)論：

①、從單位經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來看，機(jī)組增容至8000kw以上時單位kw.h投資隨著裝機(jī)的增大而增大；單位kw.h投資以增容1260kw和增容1600kw方案最低，為0.533元/kw.h和0.611元/kw.h。

②、從動能指標(biāo)來看，增容1260kw方案補(bǔ)充裝機(jī)利用時數(shù)高達(dá)2130h，雖然其它各項指標(biāo)也較好，但由于新村電站水資源富余較多，水能資源未得到充分利用。增容1600kw則較為合適，補(bǔ)充年利用時數(shù)1960h，作為無調(diào)節(jié)能力的電站，一方面可多得部分電量，對原電站2×3200kw機(jī)組的影響也不會太大。同時本電站作為無調(diào)節(jié)電站，補(bǔ)充年利用時數(shù)已達(dá)1960h，重復(fù)容量也不應(yīng)太大，以免造成電站投資上的浪費，系統(tǒng)也難于有效接收汛期電量。而增容2000kw方案和增容2500kw方案使受阻電量達(dá)到27.0萬和34.0萬kw.h，最小水頭已低達(dá)167.9m和166.8m，繼續(xù)增大容量對原電站（額定水頭171.6m）正常運行影響較大。因此，增容2000kw和增容2500kw的方案裝機(jī)明顯太大。

③、新村電站為已建電站，投產(chǎn)已多年，其水工建筑物及機(jī)電設(shè)備均按裝機(jī)2×3200kw規(guī)模設(shè)計。經(jīng)復(fù)核，雖然電站引水隧洞過水能力有一定富余，但富余度不大。當(dāng)采取各種措施后，最大過水能力僅6.8m3/s。尤其壓力管道及電站尾水渠過水能力有限，此過水能力對電站增容容量的選擇是一個重要的限制性條件。此外，過度增加增容電站的規(guī)模將導(dǎo)致額定水頭的大幅下降，影響原有2×3200kw裝機(jī)（額定水頭171.6m）的正常運行條件，導(dǎo)致受阻電量的大幅增加。

綜上所述，新村電站增容改造論證，在基本不影響原有2×3200kw電站運行工況的前提下，根據(jù)增容電站自身的動能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較，重點比較改造機(jī)組增容1260kw方案和增容1600kw方案，同時也比較了改進(jìn)機(jī)組和新增一臺小機(jī)組兩種形式的增容1600kw方案。從充分利用水能資源、對原機(jī)組和原電站建筑物影響最小和綜合經(jīng)濟(jì)效益最大幾方面綜合衡量，在水輪機(jī)生產(chǎn)廠家保證機(jī)組改進(jìn)質(zhì)量的前提下，以改造機(jī)組增容1600kw方案動能經(jīng)濟(jì)效益最好。因此，推薦增容改造方案為機(jī)組改造增容1600kw方案。改造后電站總裝機(jī)容量達(dá)8000kw，總發(fā)電流量6.11 m3/s。

5.增容改造方案論證工作的體會

金口河小河新村電站根據(jù)方案論證的結(jié)果，于2008年按推薦方案完成了電站的增容改造，從增容改造后電站的運行情況看，電站運行良好，輸水系統(tǒng)基本達(dá)到其最大過流能力，與推薦方案的結(jié)論相吻合。電站的經(jīng)濟(jì)效益得到明顯的提高。通過金口河小河新村電站增容改造方案論證的工作實踐，本人認(rèn)為要做好水電站的技術(shù)改造方案論證工作，要重視以下幾個方面的內(nèi)容：

5.1重視基礎(chǔ)資料的收集

技術(shù)改造的基礎(chǔ)資料包括三個方面的內(nèi)容，其一是電站各主要建筑物的竣工資料及設(shè)備的實際運行參數(shù)等；其二是電站設(shè)備及機(jī)組運行檢修記錄等；其三是水文資料（包括實測發(fā)電負(fù)荷和相應(yīng)流量資料等）。如果上述資料不完全，對重要的部位一定要通過實地測量等工作來完善。對基礎(chǔ)資料的收集、復(fù)核和分析總結(jié)十分重要，這是做好技術(shù)改造工作的前提。

5.2重視輸水系統(tǒng)的核算

在小型水電站增容改造中，有一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)需要慎重對待，即輸水系統(tǒng)。一方面要保證增容后的過流能力，另一方面要保證增容后各主要建筑物的運行安全可靠。

金口河小河新村電站增容改造論證，針對各方案涉及的主要建筑物均進(jìn)行了必要的工程復(fù)核。主要進(jìn)行了以下幾個方面的復(fù)核計算：

①引水隧洞最大過流能力的復(fù)核計算

引水隧洞最大過流能力的復(fù)核計算對確定增容改造的裝機(jī)容量方案有重要意義，用以明確增容改造的工作范圍。

②底欄柵廊道最大進(jìn)流能力的復(fù)核計算

底欄柵廊道最大進(jìn)流能力的復(fù)核計算是對取水可靠性的一個復(fù)核，以確定是否需要對底欄柵廊道進(jìn)行加高。

③底欄柵壩壩前特征水位的復(fù)核計算

底欄柵壩壩前特征水位的復(fù)核計算包括二方面的內(nèi)容：一是壩前正常水位的復(fù)核，這也是對取水可靠性的一個復(fù)核，以確定是否需要對溢流壩段進(jìn)行加高；二是各頻率洪水位的復(fù)核，這是對工程運行安全性的一個復(fù)核，用以確定是否需要對兩壩肩非溢流段及壩前兩岸護(hù)坡進(jìn)行加高。

④正常發(fā)電情況無壓輸水系統(tǒng)水位推算

本部分工作內(nèi)容是對輸水可靠性的一個復(fù)核，主要是為無壓輸水系統(tǒng)各控制部位是否需要加高提供計算依據(jù)。無壓輸水系統(tǒng)的控制部位一般包括沉砂池、溢流側(cè)堰、前池。

⑤引水渠道系統(tǒng)的側(cè)堰水力計算及涌浪計算

引水渠道系統(tǒng)的側(cè)堰水力計算及涌浪計算分別根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計規(guī)范》（SL/T205-97）附錄A及附錄D進(jìn)行計算。主要包括以下工作內(nèi)容：

一是側(cè)堰的水力計算，包括側(cè)堰堰頂高程的確定和堰上平均水頭的計算，這部分計算主要為引水系統(tǒng)最高涌浪水位的計算提供依據(jù)。

二是引水渠道系統(tǒng)的涌浪計算，包括前池最高涌浪水位的計算和前池最低涌浪水位的計算。前池最高涌浪水位的計算和前池最低涌浪水位的計算都是一個保證電站運行安全性的一個復(fù)核。前池最高涌浪水位的計算用以確定是否需要對前池墻頂進(jìn)行加高；前池最低涌浪水位的計算用以確定前池進(jìn)水室底板高程是否滿足增容改造后電站進(jìn)水時淹沒深度的要求。

⑥壓力管道水頭損失計算

壓力鋼管水頭損失包括局部水頭損失和沿程水頭損失兩部分。

壓力鋼管水頭損失計算即是對壓力管道的過流量和水頭損失的數(shù)值關(guān)系進(jìn)行計算，并繪制水頭損失與流量關(guān)系曲線Δh=f（Q），以分析選定最大允許的水輪機(jī)額定水頭和設(shè)計引用流量。

⑦壓力鋼管鎮(zhèn)墩穩(wěn)定復(fù)核計算

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（SL281-2003）附錄A進(jìn)行計算，這是對壓力管道增容改造后運行安全性的一個復(fù)核。

⑧廠房設(shè)計尾水位復(fù)核計算

廠房設(shè)計尾水位是確定水輪機(jī)安裝高程所用的尾水管出口斷面處出現(xiàn)的水位。根據(jù)《小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB50071-2002）第8.1.4條規(guī)定，裝機(jī)1～2臺時，機(jī)組安裝高程應(yīng)滿足1臺機(jī)組在各種水頭下50%最大出力運行時的吸出高度和相應(yīng)尾水位的要求。這部分的復(fù)核計算很重要，尾水位的變化對電站增容改造后機(jī)組的正常運行有很大影響，廠家在進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)組的改造時，也應(yīng)充分重視尾水位的變化。

5.3增容改造時必須分清主次

由于水輪機(jī)在水輪發(fā)電機(jī)組中處于原動機(jī)的地位，故水輪機(jī)運行效率高低對電站效益影響顯著；水輪機(jī)的選型技術(shù)難度較大，影響參數(shù)也多，在水電站實際運行中出現(xiàn)的問題也比較多，這是符合客觀規(guī)律的。因此，要求在小型水電站的增容改造中，必須分清主次，首先要抓住水輪機(jī)的改造，從而帶動水輪發(fā)電機(jī)組和整個水電站機(jī)電設(shè)備及水工建筑物和金屬結(jié)構(gòu)的技術(shù)改造，這是應(yīng)當(dāng)遵循的原則。進(jìn)行方案論證時要充分重視水輪機(jī)生產(chǎn)廠家的意見和建議，這樣確定的增容改造方案才會更有技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性。

6.結(jié)語

金口河小河新村電站通過增容改造論證，認(rèn)為在廠家確保機(jī)組改造質(zhì)量的前提下，通過改造原有兩臺水輪發(fā)電機(jī)組，由2×3200kw增容至2×4000kw的方案最為合理可行。該方案設(shè)計水頭171.6m，引用流量6.11m/s。該方案土建部分的改造內(nèi)容包括底欄柵壩柵條更換、沉砂池溢流堰、江溝溢流堰的加高改造、1#隧洞部分洞段頂拱噴C20砼減糙和防風(fēng)化處理、廠房動力基礎(chǔ)局部改造等；水輪發(fā)電機(jī)組部分的改造內(nèi)容主要包括更換改型轉(zhuǎn)輪，更換發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子線圈，更換發(fā)電機(jī)空氣冷卻器，保護(hù)調(diào)整更換調(diào)速器等；電氣部分的改造主要是將ZLQ20-3×185更換為YJV-3×240。由于按《小型水電站技術(shù)改造規(guī)程》（SL193-97）對方案進(jìn)行了全面論證，使得實際增容改造取得了很好的效果。

作者簡介：

張乾睿 男 畢業(yè)于西華大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院水利水電工程本科專業(yè)，工學(xué)學(xué)士 現(xiàn)在四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程勘察設(shè)計院擔(dān)任水工主設(shè)，曾承擔(dān)過近三十座中、小型水電站、水庫工程設(shè)計任務(wù)。