技術(shù)創(chuàng)新是農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造的有效途徑

高雪山，鄭程遙，勞鵬飛

(1.廣東省水利廳農(nóng)村機(jī)電局，廣東 廣州 510635；2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635；

3.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510665)

技術(shù)創(chuàng)新是農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造的有效途徑

高雪山1，鄭程遙2，勞鵬飛2

(1.廣東省水利廳農(nóng)村機(jī)電局，廣東 廣州 510635；2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635；

3.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510665)

摘要：廣東省重視技術(shù)創(chuàng)新在增效擴(kuò)容中的杠桿作用，為使增效擴(kuò)容取得實質(zhì)性長遠(yuǎn)有效的持續(xù)動力，提煉出技術(shù)含量高、環(huán)保性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好的三項關(guān)鍵技術(shù)，即水利動能設(shè)計的動態(tài)模擬技術(shù)、低水頭水輪機(jī)定槳改轉(zhuǎn)槳技術(shù)和凸極同步發(fā)電機(jī)雙速及雙速選擇技術(shù)。目前，這三項技術(shù)已分別獲取國家發(fā)明專利或進(jìn)入發(fā)明專利的實審階段，并且使增效擴(kuò)容取得了顯著的成就。

關(guān)鍵詞：水電站；技術(shù)創(chuàng)新；增效擴(kuò)容；水利動能設(shè)計；雙速發(fā)電機(jī)；高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)

1概述

農(nóng)村水電是清潔可再生能源，又是農(nóng)村重要的基礎(chǔ)設(shè)施和公共設(shè)施。由于歷史原因及受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件的限制，存在著各種各樣的問題，如水能資源的利用不科學(xué)、不合理，導(dǎo)致其沒有充分利用；機(jī)組主要性能參數(shù)與電站實際運行參數(shù)不匹配，導(dǎo)致效率低；設(shè)備陳舊、老化、安全生產(chǎn)隱患多，且超期服役、帶病工作。農(nóng)村水電的技術(shù)現(xiàn)狀已不能適應(yīng)現(xiàn)代新技術(shù)的發(fā)展要求，也不能充分發(fā)揮農(nóng)村水電應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

廣東省作為國內(nèi)經(jīng)濟(jì)大省，也是用電大省，其農(nóng)村水能資源開發(fā)程度已相當(dāng)高，為了使農(nóng)村水電走可持續(xù)發(fā)展之路，有必要針對各電站自身條件，進(jìn)行深挖潛力的增效擴(kuò)容改造。先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)是增效擴(kuò)容改造的源動力，廣東省政府相關(guān)職能部門在全面實施農(nóng)村水電改造，提高農(nóng)村水電經(jīng)濟(jì)、社會效益的過程中尤其重視推廣應(yīng)用技術(shù)含量高、環(huán)保性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好的創(chuàng)新技術(shù)。通過技術(shù)創(chuàng)新與增效擴(kuò)容改造的有效融合，全面提升了增效擴(kuò)容改造的科技含量和改造效果。

2水利動能設(shè)計動態(tài)模擬技術(shù)

水電站的增效擴(kuò)容改造，水能設(shè)計是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)。水能設(shè)計算法的合理與否直接影響到水電站裝機(jī)容量及機(jī)組選型的合理性，進(jìn)而影響到電站的水能利用率及經(jīng)濟(jì)效益。過去，由于計算機(jī)技術(shù)的落后，為追求計算的方便，在水能設(shè)計的算法上做出了簡化，這往往導(dǎo)致電站設(shè)計容量及所選機(jī)型難以適應(yīng)實際水文過程，影響了電站的效率和效益。

2.1　簡介

水能動態(tài)模擬技術(shù)是1套水電站水能設(shè)計軟件，已取得國家計算機(jī)軟件著作權(quán)(登記證書號：軟著登字第0765008號)。此創(chuàng)新技術(shù)的核心在于水能設(shè)計的動態(tài)模擬算法，該算法從水力發(fā)電過程的能量轉(zhuǎn)換過程出發(fā)，以系統(tǒng)的角度將水流工況、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)形成的統(tǒng)一體，以運行過程中的不變量(即水輪機(jī)直徑和轉(zhuǎn)速)為優(yōu)化參數(shù)，根據(jù)實時的水文過程，采用智能動態(tài)算法，對整座電站的發(fā)電過程進(jìn)行動態(tài)模擬，進(jìn)而得出水能最優(yōu)參數(shù)指標(biāo)。通過比較不同水輪機(jī)直徑和轉(zhuǎn)速下的水能指標(biāo)，便可選出合適的水輪機(jī)型號。與傳統(tǒng)的采用綜合系數(shù)計算電能以及根據(jù)額定水頭選擇機(jī)型的方法相比，電能計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，所選機(jī)型更加適應(yīng)電站實際的運行。

2.2　應(yīng)用

三水電站位于廣東省連山壯族瑤族自治縣，始建于1980年，裝機(jī)3臺，裝機(jī)容量3×2 000 kW，近3年平均年發(fā)電量1 776萬kW·h，設(shè)備年平均利用小時數(shù)為2 960 h。

廣東省水利廳敏銳覺察到動態(tài)模擬技術(shù)對水電站增容改造的良好推動作用，由其指導(dǎo)，在三水電站的增效擴(kuò)容改造中，引進(jìn)使用水利動能設(shè)計動態(tài)模擬軟件，在不增加土建工程及轉(zhuǎn)輪直徑的前提下，選取了合適的機(jī)組，容量擴(kuò)至3×2 500 kW，設(shè)備年平均利用小時數(shù)為3 027 h，其裝機(jī)容量增加的費用大大降低。

在英德紅橋水電站、韶關(guān)乳源塘頭水電站、惠州劍潭水電站等電站的增效擴(kuò)容改造設(shè)計中都成功引用了此動態(tài)模擬軟件，均給電站帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3定槳改轉(zhuǎn)槳技術(shù)

眾所周知，轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組相對于定槳式機(jī)組水能高效率區(qū)范圍大，可提高水能利用效率10%以上。對于農(nóng)村小水電站，一般水頭和流量變化較大，水能利用率較低。因此有條件的電站可將定槳式機(jī)組改成轉(zhuǎn)槳式機(jī)組。

3.1　高油壓槳葉電液自動調(diào)節(jié)技術(shù)

高油壓槳葉電液自動調(diào)節(jié)是一種簡單、方便、經(jīng)濟(jì)、實用、環(huán)保的創(chuàng)新技術(shù)(已申請發(fā)明專利，專利號2015101453802)。槳葉操作油壓提高后，使槳葉操作機(jī)構(gòu)的體積、重量顯著減小，便可將其從水輪機(jī)輪轂內(nèi)移出，外置于軸端，通過純機(jī)械軸傳遞力矩，控制槳葉。這不僅使得水輪機(jī)輪轂比減小，提高了水輪機(jī)效率；又使轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)向小直徑、高水頭發(fā)展，使得小型定槳式機(jī)組也可以改成轉(zhuǎn)槳式，適用于農(nóng)村中小水電站的增效擴(kuò)容改造。同時，槳葉操作液壓油不再進(jìn)入水輪機(jī)內(nèi)部，還解決了槳葉操作機(jī)構(gòu)滲油對河流的污染問題，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

3.2　應(yīng)用

廣東省英德市紅橋水電站位于北江水系一級支流的氵翁江中游河段，電站始建于1968年，是氵翁江干流的第10個梯級，電站原總裝機(jī)容量1 200 kW，是廣東省批準(zhǔn)的第一批增效擴(kuò)容改造項目。在廣東省水利廳爭取“引用先進(jìn)適用技術(shù)，建設(shè)科技新型電站”的目標(biāo)下，紅橋水電站的增效擴(kuò)容改造工程經(jīng)科學(xué)分析，引進(jìn)了高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，該水輪機(jī)導(dǎo)葉和槳葉調(diào)節(jié)均采用16 MPa高壓油操作。

此工程于2013年9月11日開工，全部工程于2014年10月底完成。2臺機(jī)組自10月20日投運至今，運行穩(wěn)定性優(yōu)良，水能利用率明顯提高。2015年5月19日，在電站實際水頭為4.4 m時，2臺機(jī)組最高出力達(dá)到7 102 kW，比原設(shè)計額定出力多了1 02 kW，達(dá)到了增效擴(kuò)容的目的。效率比采用GD型定槳式機(jī)組提高15%以上，比采用傳統(tǒng)低油壓的燈泡貫流式轉(zhuǎn)槳機(jī)組節(jié)約成本10%，取消了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封困難的傳統(tǒng)受油器；安裝時省去了“盤車”等費時環(huán)節(jié)；取消了調(diào)速器壓力油罐，取消了高壓氣系統(tǒng)，代之以小體積的高壓儲能罐。設(shè)備的減少使得廠房結(jié)構(gòu)得以簡化，降低了土建成本，縮短了建設(shè)工期。同時，解決了漏油造成油系統(tǒng)電機(jī)頻繁啟動的能耗，杜絕了槳葉密封漏油對河流的污染。

4雙速凸極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)

凸極同步發(fā)電機(jī)變極調(diào)速發(fā)電技術(shù)是水輪發(fā)電機(jī)組在水頭變化幅度較大時，始終保持機(jī)組高效率運行的一種先進(jìn)適用技術(shù)。經(jīng)分析，對于水輪發(fā)電機(jī)組，采用合適的兩種轉(zhuǎn)速基本上可滿足水力發(fā)電各種工況需求，可顯著提高水能利用效率，而且實現(xiàn)起來較為簡單。

4.1　發(fā)展情況

在我國，2011年華中科技大學(xué)王雪帆教授等發(fā)明的“虛擬槽位法”(專利號：200910272751.8)，標(biāo)志著雙速同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的成熟和商業(yè)應(yīng)用的前景。廣東多座電站應(yīng)用了這一技術(shù)，取得了良好的效應(yīng)。雙速機(jī)組轉(zhuǎn)速的選擇，不僅需要考慮各工況點的狀態(tài)，而且還要考慮在此狀態(tài)的持續(xù)時間，以及諸如空蝕、振動等各種技術(shù)條件的限制。故應(yīng)將水輪機(jī)組的特性、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和實際經(jīng)歷的水文徑流過程相結(jié)合，以經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)，確定機(jī)組的最優(yōu)轉(zhuǎn)速或最優(yōu)極對數(shù)[1]。綜合來看，多年平均發(fā)電效益為主要的特征參數(shù)，宜以此為目標(biāo)函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化算法，選擇最優(yōu)“雙速”。

雙速凸極同步水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速選擇方法(專利號：201310424489.0)，建立了水輪發(fā)電機(jī)組特征參數(shù)的選擇與水文過程相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模擬，求得最優(yōu)雙速，然后根據(jù)最優(yōu)雙速，以效率最優(yōu)為原則，確定水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的切換工況，實現(xiàn)機(jī)組年發(fā)電量最大。

4.2　應(yīng)用

益塘水電站位于廣東省五華縣益塘水庫，壩后電站安裝2臺HL123—WJ—71型水輪機(jī)，配套SFW 800—10/1430型發(fā)電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速600 r/min，額定水頭31 m，額定功率800 kW。經(jīng)過多年的運行證明，在正常水位附近運行時，水輪機(jī)組效率可達(dá)88%，且機(jī)組運行穩(wěn)定。但是當(dāng)水庫水位下降較多時，特別是在水頭<20 m時，水輪機(jī)只能在偏移設(shè)計工況下運行，效率不到77%，出力下降很快，不到300 kW；且運行不穩(wěn)定，噪聲振動嚴(yán)重。

廣東省水利廳和廣東省水利協(xié)會對這項技術(shù)極為關(guān)注，推薦益塘水電站采用雙速電機(jī)方案進(jìn)行改造。改造完成后，由廣東省水利水電科學(xué)研究院對其機(jī)組進(jìn)行效率測試，得出平均增效約6.72%，電站每年可增加發(fā)電5.1%。

5結(jié)語

經(jīng)過廣東省農(nóng)村增效擴(kuò)容改造一系列工程的運行驗證，證明了水利動能設(shè)計的動態(tài)模擬技術(shù)、低水頭水輪機(jī)定槳改高油壓轉(zhuǎn)槳技術(shù)和凸極同步發(fā)電機(jī)雙速及雙速選擇技術(shù)，對水能資源的開發(fā)和水電站設(shè)備的改進(jìn)升級都產(chǎn)生了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，且有效保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，適合進(jìn)一步的推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭程遙，黃定波.雙速凸極同步水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇[J].水電能源科學(xué),2014，32(12)：131_134.

■

責(zé)任編輯吳昊

作者簡介：高雪山(1976-)，男，高級工程師，主要從事農(nóng)村水電管理研究工作。

收稿日期：2015-08-28

E_mail:627056043@qq.com