機(jī)組選型對于小型水電站改造的重要性研究

機(jī)組選型對于小型水電站改造的重要性研究

趙國榮

(甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門735211)

【摘要】疏勒河流域部分小型水電站由于修建時間長，機(jī)電設(shè)備老化、磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致水能利用率和設(shè)備效率大幅度下降，為充分利用水能資源，對部分小水電站進(jìn)行了改造。機(jī)組選型對改造電站的工期和投資有著至關(guān)重要的影響，本文以疏勒河灌區(qū)新河口一級水電站和河西水電站改造為例，著重研究機(jī)組選型對小型水電站的重要性。

【關(guān)鍵詞】疏勒河流域；小型水電站改造；機(jī)組選型

中圖分類號：TV734

Research of unit selection on small hydropower station reform

ZHAO Guorong

(GansuShuleRiverBasinWaterResourceAdministration,Yumen735211,China)

Abstract:A part of small hydropower stations in Shule River basin are characterized by great decrease in hydro-energy utilization rate and equipment efficiency due to long building time, mechanical and electrical equipment aging and serious wearing. A part of small hydropower stations are transformed in order to fully utilize hydro-energy resources. Unit selection has critical influence on changing power station construction period and investment. In the paper, reconstruction of Shule River irrigation district Xinhekou Level I Hydropower Station and Hexi Hydropower Station is adopted as an example, and importance of unit selection in small hydropower station is mainly studied.

Key words: Shule River basin; small hydropower station renovation; unit selection

疏勒河灌區(qū)自20世紀(jì)開發(fā)以來，建成水電站24座，總裝機(jī)達(dá)136950kW,年發(fā)電量達(dá)57794萬kW·h,為地區(qū)的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。但隨著疏勒河流域部分小型水電站于由于修建時間長，機(jī)電設(shè)備老化、磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致水能利用率和設(shè)備效率大幅度下降，為充分利用水能資源，對部分小水電站急需進(jìn)行改造。而改造電站與新建電站在技術(shù)應(yīng)用上是不同的，新電站的建設(shè)，可以根據(jù)水頭、水情、工程區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行踏勘，然后制定方案進(jìn)行建設(shè)。而老電站在改造過程中，除復(fù)核以上工況外，還必須對現(xiàn)有電站進(jìn)行全面系統(tǒng)的復(fù)核，概括電站建設(shè)時期的條件，通過比較選定機(jī)組，并需著重對該機(jī)組的額定流量進(jìn)行全面復(fù)核，使之能夠滿足現(xiàn)狀流道、尾水管等已存水力機(jī)械的性能要求。此外，機(jī)組選型除了要保持優(yōu)良的水力性能外，還需考慮尺寸的改變對土建工程改造的影響，這比新建水電站在技術(shù)上困難很多。

1需改造電站存在的主要問題

疏勒河流域部分電站修建時間長，機(jī)組老化，嚴(yán)重影響發(fā)電效率，主要存在以下問題：

a.發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣老化嚴(yán)重。隨著機(jī)組運行年限的增長，當(dāng)發(fā)電機(jī)出力達(dá)到65%~70%的時候，定子溫度高達(dá)95℃左右(電機(jī)絕緣和溫度成反比)，為保證設(shè)備和人員的安全，發(fā)電機(jī)出力只能限制在額定出力的65%~85%以內(nèi)，設(shè)備長期處于帶病狀態(tài)運行。

b.水輪機(jī)磨損嚴(yán)重。由于水質(zhì)較差、水中夾雜著大小不等的石粒，經(jīng)過多年運行，對水輪機(jī)的過流部件、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)輪室磨損非常嚴(yán)重，導(dǎo)致引水量增大、而機(jī)組出力卻達(dá)不到預(yù)期要求。

c.高壓開關(guān)柜關(guān)鍵部件老化嚴(yán)重。電站高壓開關(guān)柜是GGA型開關(guān)柜，柜內(nèi)安裝的斷路器為SN10—10型少油斷路器，此型號的斷路器現(xiàn)已基本淘汰，斷路器觸頭接觸電阻嚴(yán)重超標(biāo)，需更換其導(dǎo)電桿的蓮花頭，咨詢多個廠家都已經(jīng)不生產(chǎn)，其他操作機(jī)構(gòu)早已不同程度地出現(xiàn)拒動，元、部件無處購買。

d.電站發(fā)電機(jī)勵磁屏、水輪機(jī)調(diào)速設(shè)備、直流饋電系統(tǒng)等都基本處于將就的程度，機(jī)電設(shè)備均為20世紀(jì)80年代早期產(chǎn)品，現(xiàn)在的廠家已不再生產(chǎn)原來的配件，諸多設(shè)備配件均已淘汰，導(dǎo)致維修難度大、成本高，且大部分零件無法更換。

2機(jī)組選型方案確定對電站改造的影響

疏勒河流域小型水電站，需改造的有新河口一級水電站和河西水電站，本文以這兩個水電站為例，著重研究機(jī)組選型對于改造電站的影響。

2.1新河口一級水電站

2.1.1　裝機(jī)確定

新河口一級水電站位于疏勒河灌區(qū)昌馬舊總干渠上，坐落在昌馬總干渠42~43號陡坡之間，為渠道引流式季節(jié)性電站。新河口一級水電站原有理論設(shè)計水頭為16.5m，總引水流量為22.5m3/s，總裝機(jī)3×1000kW，年利用時間為5256h，年發(fā)電量1576.8萬kW·h。通過數(shù)據(jù)整理，新河口一級水電站平均來水量達(dá)到30m3/s，通過對全年數(shù)據(jù)分析整理，發(fā)現(xiàn)年棄水量達(dá)到23%，水資源損失巨大，故根據(jù)來水和水頭確定改造后裝機(jī)為4000kW，并對裝機(jī)3臺方案和4臺方案進(jìn)行了比選。通過必選發(fā)現(xiàn)，由于電站設(shè)計時按照設(shè)計流量選定進(jìn)水口尺寸和管道管徑，如果選定為3臺機(jī)組方案，設(shè)計流量將由7.5m3/s變化到10m3/s，從而進(jìn)水口尺寸過小，管道流速過快，最終導(dǎo)致水損加大，浪費水資源。如果對引水系統(tǒng)進(jìn)行拆除重建，則土建投資為601.44萬元；而如果更改為4臺裝機(jī)，新建一個前池，新增壓力管道，引水系統(tǒng)土建費用僅為235.73萬元。故最終確定4臺裝機(jī)方案，即在保持原有裝機(jī)不變的情況下新增1臺機(jī)組。

2.1.2　機(jī)組選型方案比選

由于新河口一級水電站原有3臺機(jī)組安裝高程確定(改造時為保證節(jié)約投資，蝸殼部分和尾水管不動)，故對原有機(jī)組和新增機(jī)組分別進(jìn)行機(jī)組選型。

2.1.2.1原有機(jī)組更換

由于現(xiàn)狀機(jī)組為軸流式機(jī)組，故在改造時為節(jié)約投資，也選用軸流式機(jī)組作為更換機(jī)組。原機(jī)組為軸流定槳式立式機(jī)組，更換后機(jī)型保持不變。下面對更換機(jī)組水輪機(jī)機(jī)型進(jìn)行比較：

原有機(jī)組更換水輪機(jī)可采用新型軸流定槳式轉(zhuǎn)輪ZDJP502和ZDJP401,下面對兩種轉(zhuǎn)輪進(jìn)行比較,通過查詢相關(guān)參數(shù)，在該電站水頭和流量參數(shù)下：?ZDJP502氣蝕系數(shù)為0.42，ZDJP401氣蝕系數(shù)為0.38，前者稍大；?ZDJP502最高效率為92.5%，設(shè)計點效率為92%，ZDJP401最高效率為90.5%，設(shè)計點效率為90.1%，前者優(yōu)于后者；?ZDJP502的出力比ZDTP401要大。綜合以上比較結(jié)果，更換機(jī)組水輪機(jī)推薦型號為ZDJP502。確定機(jī)組型號為ZD—JP502—LH—110，配發(fā)電機(jī)SF1000—14/1430。該機(jī)組土建只需拆除水輪機(jī)層座環(huán)等部位鋼筋混凝土，其余部分均利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，極大地節(jié)約了投資。

2.1.2.2新增機(jī)組水輪機(jī)選型

新增機(jī)組由于不牽涉現(xiàn)狀廠房的改造，因此機(jī)組選型時可采用新型軸流定槳式轉(zhuǎn)輪ZDJP502和HLA551,下面對兩種轉(zhuǎn)輪進(jìn)行比較：?ZDJP502氣蝕系數(shù)為0.42，HLA551氣蝕系數(shù)為0.145；?ZDJP502設(shè)計點效率為92%，HLA551設(shè)計點效率為91%，前者稍高；?ZDJP502機(jī)組效率對流量的變化非常敏感，當(dāng)流量偏離額定點時機(jī)組效率急劇下降；HLA551機(jī)組效率對流量的變化相對不是很敏感，機(jī)組流量偏離額定工況時也能在高效區(qū)運行。綜合以上比較結(jié)果，機(jī)組水輪機(jī)推薦型號為HLA551。水輪機(jī)型號為HLA551—LJ—120，配發(fā)電機(jī)SF950—14/1430，土建部分按照新建標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。

2.2河西水電站

2.2.1　裝機(jī)確定

河西水電站位于玉門市疏勒河昌馬舊總干渠48~49號陡坡之間，是疏勒河昌馬梯級電站建設(shè)最早、投資最少、運行時間最長的渠道引流式無調(diào)節(jié)季節(jié)性水電站。1989年1月批準(zhǔn)建設(shè)，電站總裝機(jī)2400kW(3×800kW)，總投資770萬元。2003年由于疏勒河項目完工西干渠開始引水，原通過河西電站平均引水流量(約35m3/s)的2/3(約23m3/s)被分配到西干渠，通過河西水電站的平均流量約12m3/s。故對原有的3號水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了報廢，使電站裝機(jī)變?yōu)?600kW(2×800kW)，設(shè)計水頭14.21m，設(shè)計流量13.5m3/s，年平均發(fā)電量500萬kW·h，年利用小時數(shù)3125h。本次改造通過對水頭、水情復(fù)核，裝機(jī)確定為1650kW，并保持原有裝機(jī)臺數(shù)不變。

2.2.2　機(jī)組選型方案比選

在考慮機(jī)組選型時，首先對機(jī)組裝機(jī)形式進(jìn)行了比選，分別為1000kW+650kW和2×850kW方案。若采用1000kW+650kW方案，則需將一臺水輪機(jī)改為ZDJP502—LH—116(以下稱之為大機(jī)組)，配發(fā)電機(jī)SF—K1000—14/2150(10.5kV)；另一臺改為ZDJP502—LH—95(以下稱之為小機(jī)組)，配發(fā)電機(jī)SF—K650—12/1730(10.5kV)。通過分析，河西水電站現(xiàn)有兩臺水輪機(jī)均為ZD560a—LH—100，配發(fā)電機(jī)SF—K800—10/1730。原水輪機(jī)尾水肘管進(jìn)口直徑1312mm，進(jìn)口面積1.352m2；渦殼進(jìn)口第一斷面底寬585mm、頂寬854mm、高1400mm，第一斷面面積1.007m2。而選定的ZDJP502—LH—116水輪機(jī)(大機(jī)組)，在額定水頭14.2m、額定轉(zhuǎn)速428.6r/min、機(jī)組額定出力1000kW時，單位轉(zhuǎn)速131.9r/min，單位流量1.681m3/s，查模型綜合特性曲線，槳葉安放角度在5°~8°之間，利用等差差值取槳葉安放角度6°，水輪機(jī)額定模型效率91.5%，根據(jù)《水輪機(jī)設(shè)計手冊》綜合考慮渦殼和尾水肘管混凝土澆筑誤差、澆筑表面光潔度和模型機(jī)與原型機(jī)的各種差異，效率負(fù)修正1.5%，即原型機(jī)額定效率取90%，由此水輪機(jī)額定流量需要8.479m3/s。根據(jù)原型機(jī)與模型機(jī)流道相似原則，ZDJP502—LH—116水輪機(jī)尾水肘管進(jìn)口直徑1392mm，進(jìn)口面積1.522m2(現(xiàn)狀進(jìn)口面積1.352m2)；渦殼進(jìn)口第一斷面底寬825mm、頂寬1138mm、高1762mm，第一斷面面積1.753m2(現(xiàn)狀面積1.007m2)；相應(yīng)的，尾水肘管進(jìn)口流速5.571m/s，渦殼第一斷面流速4.837m/s。若維持現(xiàn)有尾水管不動，考慮到肘管水力損失與流速相關(guān)，為使尾水肘管的水力損失控制在合理范圍內(nèi)，需維持尾水肘管內(nèi)流速不變，由此原尾水肘管過流量為7.532m3/s，由于軸流定漿式水輪機(jī)有效運行區(qū)域僅75%～105%額定出力，該水輪機(jī)有效運行區(qū)域僅750～1050kW,若尾水肘管僅過7.532m3/s水量，此時水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速131.9r/min,單位流量1.485m3/s，查模型綜合特性曲線，水輪機(jī)模型效率僅84%，整機(jī)效率僅81.5%，機(jī)組出力僅能達(dá)到814kW。若加大尾水肘管過流量，尾水肘管水力損失會顯著增大，機(jī)組出力將得不到有效提高。對于渦殼的運行分析同理，由于新水輪機(jī)座環(huán)直徑加大，將占用部分原渦殼過流空間，渦殼的有效過流量將進(jìn)一步減小，最終嚴(yán)重影響效率。若堅持采用該方案，則電站尾水管底板以上機(jī)組段必須全部拆除，顯然土建工程量巨大。因此最終確定方案為2×850kW,定水輪機(jī)型號為ZD550—LH—106，配發(fā)電機(jī)SF—K850—12/1730。

3結(jié)語

機(jī)組改造是常見的電站改造方法，通過對機(jī)組的更換，可以有效提高發(fā)電量，增加電站效益，利用現(xiàn)有的尾水管和壓力管道，可以有效節(jié)約投資，達(dá)到機(jī)組安裝要求。從以上方案的比選和投資效益分析可以看出，小型水電站在改造時，合理的機(jī)組選型對于電站的工期、投資、效益有著至為重要的作用。