小河嘴水電站增效擴(kuò)容改造分析

李杰

摘 要：小河嘴水電站已運(yùn)行四十多年，存在設(shè)備老化、故障多和自動(dòng)化水平低的情況。因此，對(duì)該站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造是必要的。

關(guān)鍵詞：小河嘴水電站；增效擴(kuò)容改造；設(shè)備老化；自動(dòng)化水平

中圖分類號(hào)：TV742 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.05.082

2011年，財(cái)政部、水利部對(duì)浙江、重慶、湖北、湖南、廣西和陜西等?。▍^(qū)、市）1995年底以前建成的農(nóng)村水電站組織實(shí)施了增效擴(kuò)容改造，2012年底已順利完成，試點(diǎn)工作成效明顯，獲得了國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)的充分肯定。2013年，該工作在全國(guó)范圍內(nèi)得到了推廣。我公司抓住此契機(jī)，對(duì)符合條件的老電站——小河嘴水電站開展了增效擴(kuò)容改造的前期論證工作。

1 小河嘴水電站概況

小河嘴水電站位于達(dá)川區(qū)南外鎮(zhèn)境內(nèi)明月江河流旁，屬明渠引水式水電站，隸屬于達(dá)州電力集團(tuán)有限公司。目前，其裝機(jī)容量為1×1 360 kW+1×1 600 kW，設(shè)計(jì)水頭為25.5 m，2臺(tái)機(jī)設(shè)計(jì)總流量為15 m3/s。該站于1972年建成發(fā)電，為達(dá)州的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作出了巨大的貢獻(xiàn)。經(jīng)過(guò)四十多年的運(yùn)行，電站機(jī)組過(guò)流部件磨損嚴(yán)重，比如導(dǎo)葉、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片等已磨損殆盡，導(dǎo)致機(jī)組效率明顯下降；其他電氣設(shè)備、油水氣輔助設(shè)備故障頻繁。因此，電站機(jī)組每隔2年大修一次，甚至有時(shí)還要在2年大修周期內(nèi)開展1次中修，以保證機(jī)組安全運(yùn)行，這使電站的年維護(hù)成本大幅上升。隨著技術(shù)的進(jìn)步，該電站與新建電站相比，電氣自動(dòng)化水平已明顯落后，無(wú)法滿足目前“無(wú)人值班、少人值守”的要求。因此，對(duì)小河嘴水電站進(jìn)行改造已勢(shì)在必行。

2 增效擴(kuò)容改造的可行性分析

2.1 從水電站機(jī)組增容的途徑分析

計(jì)算水電站機(jī)組出力的公式為：

P=9.81QHη（kW）. （1）

式（1）中：P為水電站機(jī)組出力；Q為流量，m3/s；H為計(jì)算水頭，m；η為機(jī)組效率。

從式（1）可以看出，增加機(jī)組出力可從3個(gè)方面著手：提高機(jī)組效率、增加機(jī)組引用流量和增大水頭。

2.1.1 增加機(jī)組效率

隨著水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有更高效率的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪不斷出現(xiàn)。因此，可將原轉(zhuǎn)輪更換為同直徑的新型轉(zhuǎn)輪，以提高水輪轉(zhuǎn)的效率。原先水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪型號(hào)是HL123-LJ-120，額定工況點(diǎn)效率為91%. 而在實(shí)際中，因機(jī)組流道磨損嚴(yán)重，漏水量大，容積效率很低，進(jìn)而導(dǎo)致水輪機(jī)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到91%；原先的發(fā)電機(jī)是20世紀(jì)60年代生產(chǎn)的，型號(hào)為TSL—260/35-20，發(fā)電效率為92%；機(jī)組效率為91%×92%=0.837（水輪機(jī)效率仍采用91%）。

目前，可采用型號(hào)為HLA551C-LJ-120或其他型號(hào)的轉(zhuǎn)輪，效率可達(dá)到92.4%，而新型發(fā)電機(jī)的效率也比以往有所提高，比如2 000 kW的發(fā)電機(jī)的效率可達(dá)0.95. 在此情況下，通過(guò)更換水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，機(jī)組效率η=η水輪機(jī)η發(fā)電機(jī)=0.924×0.95=0.878，比原機(jī)組效率至少提高了4%；增加出力ΔP=9.81QHΔη≈150 kW（機(jī)組流量按15 m3/s，水頭按25.5 m計(jì)算）。由此可見，該方式可作為機(jī)組增容的有效途徑之一。

2.1.2 增大機(jī)組引用流量

小河嘴水電站引水渠道原先按3臺(tái)機(jī)組、總過(guò)流能力為22 m3/s設(shè)計(jì)的，但實(shí)際情況為：裝機(jī)臺(tái)數(shù)為2臺(tái)，機(jī)組總引用設(shè)計(jì)流量為15 m3/s。因此，通過(guò)引水渠道的整治，清理渠道里的雜石和淤泥、修補(bǔ)渠道滲漏點(diǎn)可保證渠道過(guò)流能力達(dá)到原先設(shè)計(jì)要求的22 m3/s。

同時(shí)，為了有效增加通過(guò)水輪發(fā)電機(jī)組的流量，需要更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和活動(dòng)導(dǎo)葉（以增加葉片開度）等，并復(fù)核原機(jī)組前的引水鋼管直徑是否為1 750 mm。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，單根鋼管通過(guò)9.5 m3/s的流量（2臺(tái)機(jī)的流量為19 m3/s）是可以實(shí)現(xiàn)的。

架設(shè)機(jī)組按原設(shè)計(jì)水頭25.5 m設(shè)置，2臺(tái)機(jī)組過(guò)流流量增加4 m3/s，效率按0.837計(jì)算，則機(jī)組出力的增加量為：ΔP=9.81ΔQ×H×η=9.81×4×25.5×0.837≈838 kW。

由此可見，通過(guò)采用增加引用流量的方法是實(shí)現(xiàn)電站增容的主要途徑。

2.1.3 增大電站水頭

對(duì)于小河嘴水電站而言，該電站已建好，水工建筑已定型，以增加前池壩高等改變水工建筑的措施抬高水位是不現(xiàn)實(shí)，也是不經(jīng)濟(jì)的。而通過(guò)降低電站尾水位增加水頭是可以考慮的，這是因?yàn)樵撜疚菜纼?nèi)的雜物較多，堵塞嚴(yán)重，明顯抬高了電站的實(shí)際運(yùn)行尾水位。因此，通過(guò)徹底清理尾水渠道，可降低尾水位0.5 m，這樣扣除了水頭損失因素后，可使水頭有效增加0.3 m。假設(shè)機(jī)組的流量和效率不變，機(jī)組出力可增加的量為：ΔP=9.81Q×0.3η≈37 kW（Q按2臺(tái)機(jī)流量15 m3/s，η按0.837計(jì)算）。

由此可見，通過(guò)增大水頭增容的效果并不明顯。

綜上所述，通過(guò)采用渠道整治和更換機(jī)組等這些方式，可使小河嘴水電站的單機(jī)出力增至2 147 kW，總裝機(jī)容量可達(dá)到4 294 kW。經(jīng)綜合考慮，將機(jī)組容量增至4 000 kW是可行的。

2.2 從水能方面分析

目前，雖然機(jī)組故障較多，檢修頻繁，但是，近5年電站的平均年發(fā)電量為1.52×107 kW·h，年利用小時(shí)為5 135 h，超出了原設(shè)計(jì)中上半年的平均發(fā)電量1.3×107 kW·h。由此可見，該站的原裝機(jī)容量2 960 kW偏小，水能資源未得到充分利用。因此，可增大機(jī)組裝機(jī)容量，充分利用豐水期多發(fā)電，這樣可減少水能浪費(fèi)。此外，充分利用水能發(fā)電與當(dāng)前要求的多利用可再生能源和清潔能源是相適應(yīng)的。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，電站增容后，雖然年利用小時(shí)有所下降，但是，仍能實(shí)現(xiàn)年利用小時(shí)達(dá)4 800 h以上，每年可增加發(fā)電量約4.0×106 kW·h。

3 增效擴(kuò)容改造的主要內(nèi)容

小河嘴水電站的改造主要從增加機(jī)組過(guò)流流量和提高機(jī)組效率等方面考慮改造內(nèi)容。

3.1 引水渠整治和尾水渠改造

可對(duì)引水邊墻全面進(jìn)行水泥砂漿抹面減糙、清淤底板、用砼護(hù)底處理和垮塌渠道進(jìn)行改造等，以保證增容后2臺(tái)機(jī)組的過(guò)流流量為19 m3/s，甚至達(dá)到或超過(guò)原設(shè)計(jì)中的過(guò)流能力22 m3/s，使機(jī)組具備短時(shí)的超發(fā)電能力。

對(duì)于尾水渠而言，可疏通、清理渠內(nèi)亂石、淤泥和雜物，但不必進(jìn)行擴(kuò)寬處理，這樣既可滿足機(jī)組擴(kuò)容后的過(guò)流能力要求，并可使尾水位略微下降。

3.2 機(jī)電設(shè)備改造

可更換水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁裝置；將原機(jī)械調(diào)速器更換成微機(jī)調(diào)速器；更換變壓器和部分開關(guān)柜等電氣設(shè)備；改造保護(hù)監(jiān)控等設(shè)備等。這樣不僅可使機(jī)組增容，還可提高電站設(shè)備的自動(dòng)化程度。

4 增效擴(kuò)容改造的經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)估算上述改造的投資金額，本項(xiàng)目建設(shè)投資共需約1 300萬(wàn)元。按每年可增加發(fā)電量4.0×106 kW·h，上網(wǎng)電價(jià)0.3元/kW·h計(jì)算，每年可增加收入約120萬(wàn)元，且改造后電站的自動(dòng)化水平將得到質(zhì)的提升，可實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班、少人值守”，大大減少了人力成本。同時(shí)，機(jī)組大修周期將大大延長(zhǎng)，電站維護(hù)成本也會(huì)大幅下降。以人力成本節(jié)支情況為例初步估算：原先電站職工人數(shù)為75人，改造后可減至30人，按每人年工資4.5萬(wàn)元計(jì)算，可減少開支202.5萬(wàn)元；扣除設(shè)備維護(hù)等相關(guān)費(fèi)用后，能實(shí)現(xiàn)10年內(nèi)全部回收建設(shè)投資的目標(biāo)。因此，改造該站后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。

5 結(jié)束語(yǔ)

小河嘴水電站增效擴(kuò)容改造工程不屬于新建工程，對(duì)水工建筑沒有較大的改動(dòng)，水庫(kù)庫(kù)容不會(huì)發(fā)生變化，不會(huì)涉及征地、移民等問(wèn)題，也不對(duì)環(huán)境造成新的影響。

同時(shí)，經(jīng)過(guò)上述分析可知，小河嘴水電站完全具備增效擴(kuò)容改造的條件。通過(guò)改造，不僅能消除設(shè)備缺陷，而且可大大提高電站的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，對(duì)小河嘴水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造是完全必要的和可行的。

綜上所述，我公司在接到上級(jí)的有關(guān)通知后，即委托設(shè)計(jì)單位對(duì)小河嘴水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造的初步設(shè)計(jì)工作，目前，該項(xiàng)目已完成了設(shè)計(jì)并已通過(guò)了上級(jí)部門的審批，預(yù)計(jì)在2015年下半年的枯水期即可開始施工，2016年底完成該項(xiàng)工程的竣工驗(yàn)收。

〔編輯：張思楠〕

Abstract： The river mouth Hydropower Station has been in operation more than forty years， the presence of aging equipment， low failure and automated multi-level situation. Therefore， the expansion of the station efficiency transformation is necessary.

Key words： Xiaohezui Hydropower Station； synergistic expansion transformation； aging equipment； level of automation