水電站增效擴(kuò)容改造過程中常見問題分析

楊圭武

（福建省壽寧縣水利局，福建壽寧 355500）

水電站增效擴(kuò)容改造過程中常見問題分析

楊圭武

（福建省壽寧縣水利局，福建壽寧 355500）

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活質(zhì)量不斷提高，增效減排已成為當(dāng)前能源開發(fā)新趨勢(shì)。我國早期建設(shè)的水電站，機(jī)電設(shè)備、水工建筑、輸電線路等設(shè)備老化嚴(yán)重，存在很大的缺陷和安全隱患，同時(shí)，限于當(dāng)時(shí)的條件，多數(shù)水電站水能資源沒有合理開發(fā)，對(duì)水電站更新改造和充分開發(fā)水資源勢(shì)在必行。只有對(duì)電站設(shè)備進(jìn)行更新擴(kuò)容改造，才能使電站達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、安全、節(jié)能，滿發(fā)、多供、少損、低耗等要求。文章分析了農(nóng)村水電站建設(shè)現(xiàn)狀，總結(jié)水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行存在的問題，提出機(jī)組增效擴(kuò)容改造方案及其需要注意的相關(guān)問題。

水電站；發(fā)電機(jī)組；增容改造；注意問題

0 序 言

我國水利行業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化轉(zhuǎn)變，新型水利工程建設(shè)推動(dòng)了地方發(fā)電模式的多樣化發(fā)展，改變了早期單一水利調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)的功能狀態(tài)。

與此同時(shí)，水力發(fā)電機(jī)組承載負(fù)荷量持續(xù)上升，對(duì)水電站調(diào)度系統(tǒng)工作提出了更新的要求。發(fā)電機(jī)組增容改造是水電站改擴(kuò)建不可缺少的措施，優(yōu)化發(fā)電機(jī)組運(yùn)行有助于水電資源的一體化調(diào)控。因此，水電站要根據(jù)內(nèi)部工作要求，建立科學(xué)可行的機(jī)組增效擴(kuò)容改造方案。

1 水電站工程發(fā)展現(xiàn)狀

水電站是利用水能轉(zhuǎn)為電能作業(yè)模式的工廠，這種作業(yè)方式是我國電力行業(yè)長(zhǎng)期堅(jiān)持的生產(chǎn)手段，既緩解了其他發(fā)電生產(chǎn)模式的不足，也利用了清潔自然的水資源。水電站是現(xiàn)代水利工程建設(shè)的重點(diǎn)對(duì)象，其采用水工建筑物、水力機(jī)械、電氣設(shè)備等配套設(shè)施組建成的發(fā)電體系，充分利用了地區(qū)自然水能資源的優(yōu)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2010年，我國水電站總裝機(jī)2億kW，涉及到大、中、小等不同級(jí)別規(guī)模的水電站，為地方經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供了能源保障，實(shí)現(xiàn)了水資源的最優(yōu)化配置［1］。

2 水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行存在的缺陷

2.1 技術(shù)方面

水電站是水能、動(dòng)能、電能三者之間的轉(zhuǎn)換平臺(tái)，水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)決定著系統(tǒng)發(fā)電的總體水平。我國大部分農(nóng)村水電站建于20世紀(jì)90年代前，隨著時(shí)間的推移，基于當(dāng)時(shí)的水電建設(shè)技術(shù)能力和特殊歷史條件，水輪機(jī)調(diào)控技術(shù)相對(duì)于現(xiàn)在，處于落后狀態(tài)，運(yùn)行指標(biāo)達(dá)不到要求，發(fā)電性能較為滯后。以中小型水電站為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)全國現(xiàn)有中小型水電站46000余座，總機(jī)組臺(tái)數(shù)超過80000臺(tái)，水電站水輪機(jī)效率較低，影響了水能資源的充分利用，影響了水電站的經(jīng)濟(jì)效益［2］。

2.2 選型方面

由于地區(qū)條件的差異性，我國各地區(qū)水電站水輪機(jī)技術(shù)水平不一，水輪機(jī)效率與機(jī)組選型也存在很大關(guān)聯(lián)。90年代前，我國經(jīng)濟(jì)落后，農(nóng)村用電量少，電網(wǎng)規(guī)模居多以鄉(xiāng)村為網(wǎng)，甚至一機(jī)或一站一網(wǎng)格局，僅限于滿足電站所在地的簡(jiǎn)易供電，水輪發(fā)電機(jī)組選型與流域水能蘊(yùn)藏量不匹配，水能沒有得到充分利用，隨著經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)，用電負(fù)荷日益增加，電網(wǎng)的區(qū)域聯(lián)網(wǎng)，電站裝機(jī)容量適時(shí)增加，但均未按理論蘊(yùn)藏量一次開發(fā)到位。如壽寧縣下黨村水電站，1973年建設(shè)初期設(shè)計(jì)裝機(jī)1×12kW，1980年為滿足當(dāng)?shù)赜秒娦枨螅b機(jī)容量改為1×24kW，1991年供電范圍擴(kuò)大到全鄉(xiāng)，技改后裝機(jī)容量為2×250kW，2005年經(jīng)建設(shè)水庫，明渠改有壓隧洞，提高設(shè)計(jì)水頭，最終技改裝機(jī)容量為2×800kW。

2.3 狀態(tài)方面

水輪機(jī)工作狀態(tài)是對(duì)整個(gè)生產(chǎn)體系的客觀反映，機(jī)組工作效率標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了電站出力水平。決定水輪機(jī)狀態(tài)的影響因素比較復(fù)雜，與水電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)組產(chǎn)品制造質(zhì)量、配電作業(yè)環(huán)境、使用年限久等均有關(guān)聯(lián)，其中水輪機(jī)效率是關(guān)鍵。比如，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于高荷載工作條件，內(nèi)部零配件磨損程度加重，造成發(fā)電站內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組效率降低，浪費(fèi)了部分能量，降低了發(fā)電產(chǎn)量指標(biāo)，同時(shí)，設(shè)備故障率高［3］。

2.4 環(huán)境方面

一般情況下，水電站建造于偏遠(yuǎn)地區(qū)，山區(qū)、郊區(qū)等均適合水力發(fā)電場(chǎng)所。因自然條件的不斷變化，水輪機(jī)組投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，自然地質(zhì)條件與氣候條件對(duì)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的破壞作用。根據(jù)測(cè)試，水輪機(jī)使用10a之后，定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承等結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同程度的磨損，進(jìn)而機(jī)組轉(zhuǎn)換能量工作效率有了明顯變化，可降低發(fā)電量幅度約10%～20%，增加了水電站發(fā)電的成本耗資［4］。

3 水電站發(fā)電機(jī)組增效擴(kuò)容改造需注意的問題

隨著水電站工程擴(kuò)大化改造，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行也出現(xiàn)了多種問題，嚴(yán)重影響到了水電站內(nèi)部體系的作業(yè)效率。對(duì)水電站發(fā)電機(jī)組實(shí)施增效擴(kuò)容改造，適應(yīng)了水利水電行業(yè)節(jié)能化發(fā)展需求，也是提升水電站內(nèi)配電調(diào)度系統(tǒng)性能的關(guān)鍵措施。筆者總結(jié)多年從事水電工作和壽寧當(dāng)?shù)厮娬窘ㄔO(shè)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)水電站運(yùn)行存在的主要問題，增效擴(kuò)容改造階段需注意以下問題：

3.1 機(jī)組局部設(shè)備更新

設(shè)備更新主要有更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪或更換發(fā)電機(jī)繞組。主要針對(duì)轉(zhuǎn)輪效率或機(jī)組綜合效率降低的電站改造。

更換轉(zhuǎn)輪。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是能量轉(zhuǎn)換部件，水輪機(jī)的水力性能、振動(dòng)與汽蝕主要取決于轉(zhuǎn)輪性能。國內(nèi)90年代前生產(chǎn)的系列轉(zhuǎn)輪比目前先進(jìn)的轉(zhuǎn)輪效率約低2%～5%；且因長(zhǎng)期運(yùn)行，葉片汽蝕后多次補(bǔ)焊往往變形嚴(yán)重，汽蝕、振動(dòng)加劇，效率降低。因而在實(shí)施水電站發(fā)電機(jī)組增效擴(kuò)容改造時(shí)，往往采用更換高效轉(zhuǎn)輪以增效為目的。

如壽寧縣近期列入農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造的麻竹坪壩后電站，1990年投產(chǎn)的裝機(jī)容量為2×1600kW，水輪機(jī)型號(hào)HL220—WJ—71，水輪機(jī)最優(yōu)工況效率為88.5%，經(jīng)過多年的運(yùn)行，效率更為降低，實(shí)際效率約為71%，更換型號(hào)為 HLJF2528B—WJ—71、最優(yōu)工況效率91.3%，整機(jī)最優(yōu)工況效率比原來提高了7.7%；又如壽寧縣車嶺二級(jí)電站，1995年投產(chǎn)的裝機(jī)容量為2×7500kW，水輪機(jī)型號(hào) HL100—LJ—110，水 輪機(jī) 最 優(yōu) 工 況 效 率 為89.2%，經(jīng)過多年的運(yùn)行，實(shí)際效率約為84.1%，發(fā)電機(jī)型號(hào)SF7500—8／2600，機(jī)組綜合效率84.78%，實(shí)際為80.18%，更換兩臺(tái)型號(hào)分別為HL1089B—LJ—110、HL1083B—LJ—110、最 優(yōu) 工 況 效 率 為91.05%、91.2%轉(zhuǎn)輪，對(duì)應(yīng)更換發(fā)電機(jī)組SF8500—8／2600、SF6500—8／2600，改 造 后 綜 合 效 率 為87.36%、87.55%，整機(jī)效率比原來提高了7%多。

更換發(fā)電機(jī)繞組。投運(yùn)年份較早或發(fā)電機(jī)受雷擊、發(fā)熱老化受損嚴(yán)重的機(jī)組，效率因此降低?？梢愿鼡Q發(fā)電機(jī)繞組來提高機(jī)組效率。如投產(chǎn)于1983年的壽寧縣八定岔水電站1×160kW機(jī)組，受雷擊線圈燒毀，多次修補(bǔ)，機(jī)組出力從最初的170kW降至98kW，更換返廠更換繞組、重新澆注絕緣處理后，目前最高出力可達(dá)181kW。

更換適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的轉(zhuǎn)輪。主要表現(xiàn)在河道流砂較多、水質(zhì)差的電站。如投產(chǎn)于2006年12月，裝機(jī)容量為2×4000kW的壽寧縣托溪二級(jí)水電站，進(jìn)水口上游為人口密集鄉(xiāng)鎮(zhèn)和石材加工區(qū)，水庫淤積嚴(yán)重，發(fā)電過程對(duì)轉(zhuǎn)輪流砂沖刷嚴(yán)重，投產(chǎn)才8個(gè)月后，1＃、2＃機(jī)組最高出力從初期的4610kW、4536kW降到3830kW、3790kW，經(jīng)拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪受流砂沖刷損壞嚴(yán)重，最后電站于2008年1月選用耐砂型不銹鋼轉(zhuǎn)輪更換，機(jī)組出力優(yōu)于原轉(zhuǎn)輪，效率大幅提高，改造后運(yùn)行至今，歷次檢查轉(zhuǎn)輪磨損度減小。

3.2 整機(jī)更換

對(duì)于原設(shè)計(jì)未充分利用水能資源開發(fā)的電站，可以按新理念設(shè)計(jì)更換滿足流域可開發(fā)水能蘊(yùn)藏量匹配的水輪發(fā)電機(jī)組。投運(yùn)時(shí)間過長(zhǎng)、老化嚴(yán)重、不宜繼續(xù)使用的電站機(jī)組，也應(yīng)采用整機(jī)更換新型、高效的機(jī)組。

3.3 豐枯或峰谷開發(fā)

布置兩臺(tái)以上機(jī)組的電站，如果水庫庫容調(diào)節(jié)能力小，為了充分利用豐水季節(jié)水能，可以將選擇容量不同的兩臺(tái)或多臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，其中一臺(tái)選用小容量，其余臺(tái)機(jī)組選擇較大容量，這樣，豐水來時(shí)，可以充分利用較大水能。如果實(shí)行峰谷電價(jià)差異的電站，如壽寧西北部地區(qū)送往浙南方向電站，峰谷電價(jià)懸殊較大，考核嚴(yán)格，為充分提高電站效益，可以按擴(kuò)大裝機(jī)容量模式進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。如壽寧縣后溪電站按理論設(shè)計(jì)應(yīng)為2×1000kW，但為了多發(fā)峰電，電站按1×800kW＋2×1250kW設(shè)計(jì)，這樣，峰電期間，根據(jù)水庫蓄水量選擇3臺(tái)同時(shí)或其中1250kW機(jī)組運(yùn)行，谷電期間在有剩余庫容時(shí)選擇800kW機(jī)組運(yùn)行，電站整體效益提高25%以上。

3.4 流域梯級(jí)合理開發(fā)

壽寧境內(nèi)多數(shù)流域梯級(jí)開發(fā)時(shí)間不一，從20世紀(jì)70年到如今先后開發(fā)都有，時(shí)空上開發(fā)理念差異，上下級(jí)電站裝機(jī)流量不匹配，有源頭電站設(shè)計(jì)水流量大于下游電站，致使下游電站棄水嚴(yán)重，水能利用率低。如壽寧縣蟾溪流域分四級(jí)開發(fā)，第三級(jí)于1976年最先開發(fā)3×800kW，又于1988年考慮第一級(jí)電站即將開發(fā)，擴(kuò)容為3×800kW＋2×4000kW，后1991年第一級(jí)電站2×1600kW建成，一、三級(jí)電站投產(chǎn)后，第三級(jí)電站來水量富余，造成棄水。1995年第四級(jí)電站2×7500kW建成投產(chǎn)，3、4兩級(jí)發(fā)電流量又不匹配，變成卡脖子。于是在1999年，第三級(jí)電站又進(jìn)行了技改，技改后裝機(jī)為2×4000kW＋1×5000kW，這樣四級(jí)電站才不會(huì)產(chǎn)生棄水、卡脖子現(xiàn)象，因此，流域梯級(jí)開發(fā)應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃，合理利用水能資源有序開發(fā)，最大發(fā)揮水能效率。

3.5 控制模式

水力發(fā)電機(jī)組中的水輪發(fā)電機(jī)由水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定輸出交流電的頻率，因此穩(wěn)定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速對(duì)保證頻率的穩(wěn)定至關(guān)重要?？梢圆扇￠]環(huán)控制的方式對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，即采取發(fā)出的交流電的頻率信號(hào)樣本，將其反饋到控制水輪機(jī)導(dǎo)葉開合角度的控制系統(tǒng)中從而去控制水輪機(jī)的輸出功率，以達(dá)到讓發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的目的。目前多采用新型微機(jī)型調(diào)速器，可根據(jù)機(jī)組容量大小，選擇不同調(diào)速裝置，如單機(jī)1000kW以下小機(jī)組可以選用集同期、調(diào)速、水位功能的微電腦控制器，1000kW以上機(jī)組可以采用微機(jī)液壓型調(diào)速器。

3.6 后期維修養(yǎng)護(hù)

增容改造只是水電站改擴(kuò)建的一部分，正式投入應(yīng)用之后，還需安排值班人員做好后期維修養(yǎng)護(hù)工作，這也是增容改建常常被忽視的一步。通常，增容改造后期要對(duì)水輪機(jī)組進(jìn)行綜合整改，尤其是修復(fù)、改造水輪機(jī)部件，這樣可以保持機(jī)組運(yùn)行周期的長(zhǎng)遠(yuǎn)性。

4 機(jī)組增容改造取得的成就

4.1 機(jī)組安全發(fā)電

機(jī)組經(jīng)增容改造后，水輪機(jī)的水力性能、振動(dòng)性能、汽蝕性能將會(huì)大大改善。由于采用了新技術(shù)、新材料、新工藝，提高了絕緣等級(jí)，改善了通風(fēng)條件、散熱條件，將使發(fā)電機(jī)事故率大大降低；機(jī)組運(yùn)行時(shí)的不安定因素得到徹底改變，大修周期延長(zhǎng)，大修費(fèi)用降低。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

增容改造不僅使機(jī)組能安全穩(wěn)發(fā)，產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益。例如增加系統(tǒng)事故備用容量，由于此電量是在系統(tǒng)發(fā)生事故的情況下提供的，它既防止了系統(tǒng)事故的擴(kuò)大，又避免了事故停機(jī)，提高了電站效益。

5 結(jié) 論

利用水能資源發(fā)電是現(xiàn)代電力生產(chǎn)的方式之一，既可以充分利用水能資源參與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，也帶動(dòng)了區(qū)域環(huán)境的生態(tài)化發(fā)展。考慮到市場(chǎng)電能供需關(guān)系的變化，對(duì)水電站進(jìn)行增容改造處理，能夠全面提升水力發(fā)電機(jī)組的工作效率，為社會(huì)輸送更多的電能資源。水電站增效擴(kuò)容改造之后，從發(fā)電安全、產(chǎn)業(yè)收益等方面起到關(guān)鍵作用，構(gòu)建了先進(jìn)化水電站發(fā)電作業(yè)模式。

［1］李興平，張永，徐海東，等.十里泉電廠300MW機(jī)組循環(huán)水泵改造的可行性分析［J］.山東電力技術(shù)，2003（06）：58－60.

［2］姚澤，黃青松，徐廣文，闞偉民.楓樹壩電廠增容改造后機(jī)組振動(dòng)故障處理［J］.水電能源科學(xué)，2010，28（02）：137－140.

［3］王先軍，陳明祥，常曉林.葛洲壩水電站增容改造中機(jī)組拆除及蝸殼加固研究［J］.水利水電技術(shù)，2010，41（02）：56－59.

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1007－7596（2014）08－0113－03

2014－06－09

楊圭武（1965－），男，福建壽寧人，工程師，研究方向?yàn)樗娫O(shè)計(jì)與施工。