淺談增效擴(kuò)容改造小型水電站裝機(jī)容量的確定

楊新春

（博樂農(nóng)五師全新勘測設(shè)計(jì)有限公司 新疆 博樂 833400）

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第五師八十三團(tuán)阿卡爾一級水電站建設(shè)于1983年，因受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制和經(jīng)濟(jì)條件的制約，加之電站多年運(yùn)行，工程老化、機(jī)電設(shè)備落后，普遍存在機(jī)組效率差、水能利用效率低、建筑物破損嚴(yán)重等問題。對這些老舊電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，不僅能提高水能資源利用效率，促進(jìn)節(jié)能減排，保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境，還能消除公共安全隱患，讓當(dāng)?shù)厝罕姷玫礁鄬?shí)惠，是一項(xiàng)費(fèi)省效宏、一舉多得、利國惠民的德政工程和民生工程。經(jīng)過對阿卡爾一級水電站水頭損失的復(fù)核計(jì)算，得出電站改造后的保證流量和保證出力，最終經(jīng)綜合比選確定電站改造后的裝機(jī)容量，希望對新疆兵團(tuán)第五師其它需增效擴(kuò)容改造的電站提供幫助。

1 工程概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第五師阿卡爾一級水電站隸屬于農(nóng)五師八十三團(tuán)管轄，站址位于阿卡爾河上游東西兩支流匯合口下游5km松樹溝溝口處，阿卡爾渠首的下游3.2km處，北距烏伊公路35km，為阿卡爾河梯級水電站開發(fā)中的第一座水電站，地理坐標(biāo)東經(jīng) 82°24′33″，北緯 44°16′09″，阿卡爾一級水電站建設(shè)于1983年，裝機(jī)容量2×1000kW，設(shè)計(jì)水頭60m，設(shè)計(jì)流量4.42m3/s，年設(shè)計(jì)發(fā)電量1040萬kW·h（近三年電站平均發(fā)電量721kW·h），年利用小時(shí)數(shù)5200h，電站電能均通過35kV輸電線路T接至阿卡爾三級站～阿卡爾110kV升壓站35kV輸電線路上，送入阿卡爾110kV升壓站，再由其送入系統(tǒng)電網(wǎng)。

新疆兵團(tuán)第五師阿卡爾河主流發(fā)源于科古爾琴山，東支流發(fā)源于婆羅科努山。產(chǎn)流區(qū)主要在伊犁地區(qū)境內(nèi)，匯合后進(jìn)入博州，呈南北流向，出山口后散失于沖積～洪積扇，沒有河口。山口以上河長55km，河床縱坡在23‰～40‰之間，出山口后河床變寬，縱坡降至21‰以下。集水面積628km2，多年平均徑流量為1.32億m3。徑流以冰雪水、雨水、地下水混合補(bǔ)給，年徑流變化穩(wěn)定，變差系數(shù)Cv計(jì)算值為0.10，徑流年內(nèi)分配為冬閑水占15.1%，春灌期占18.5%，夏灌期占42.6%，秋冬灌期為23.4%。阿卡爾河多年月平均流量見表1-1。

根據(jù)阿卡爾河實(shí)測長系列資料可知，阿卡爾河枯水年（90%）Q年均=3.27m3/s，平水年（P=50%）Q年均=4.11 m3/s，豐水年（P=10%）Q年均=4.97m3/s。

由于電站設(shè)備老化、落后、自動(dòng)化水平低，發(fā)電量低，電站效益較差，職工收入較低，導(dǎo)致職工的工作積極性不高，嚴(yán)重制約電站的運(yùn)行管理。經(jīng)過增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目的實(shí)施，不僅可鞏固電站現(xiàn)有的水電發(fā)電能力，還可新增發(fā)電量，提高電站效益，增加職工收入。本文將重點(diǎn)介紹阿卡爾一級水電站經(jīng)增效擴(kuò)容改造后電站裝機(jī)容量的確定。

2 裝機(jī)容量的確定

2.1 設(shè)計(jì)水頭確定

表1-1 阿卡爾河多年平均流量表

圖表2-1 流量～頻率關(guān)系曲線

該站為干渠引水式無調(diào)節(jié)水電站，改造后電站設(shè)計(jì)流量為5.2m3/s。復(fù)核整個(gè)流道的沿程水頭損失與局部水頭損失共4.01m電站改造后毛水頭62.69m，減去總水頭損失4.01m，得58.68m，即改造后電站設(shè)計(jì)水頭為58.68m。

圖表2-2 出力～頻率關(guān)系曲線

表2-1 經(jīng)驗(yàn)頻率、次數(shù)及水能指標(biāo)表

2.2 裝機(jī)規(guī)模的確定

該站為無調(diào)節(jié)水電站，網(wǎng)上負(fù)荷主要為農(nóng)業(yè)用電，季節(jié)性強(qiáng)，根據(jù)水利部《小水電水能設(shè)計(jì)規(guī)程》（SL76-94）該工程并網(wǎng)運(yùn)行，且在小水電網(wǎng)中所占比重大于25%，水電站設(shè)計(jì)保證率取90%。

2.2.1 電站保證流量Q保的確定

根據(jù)阿卡爾河三個(gè)設(shè)計(jì)代表年得年均流量值，在表2-1查出其相應(yīng)的年份,其年內(nèi)各月流量即為設(shè)計(jì)年代表年年徑流量的年內(nèi)分配。即：

豐水年（1991年）Q年均=4.97m3/s；

平水年（1984年）Q年均=4.18m3/s；

枯水年（1997年）Q年均=3.27m3/s。

將以上三個(gè)代表年得月平均流量以0.25m3/s為間隔，通過列表計(jì)算每個(gè)流量值的經(jīng)驗(yàn)頻率，見表2-1。繪制出流量～保證率曲線、出力～保證率曲線、裝機(jī)～發(fā)電量曲線（詳見圖表2-1、圖表2-2、圖表2-3）。

通過查圖表2-1流量～保證率曲線，得知電站設(shè)計(jì)保證率為90%時(shí)，保證流量為Q保=2.20m3/s。

2.2.2 保證出力N保的確定

采用公式計(jì)算：

式中：N?！獧C(jī)組保證出力

A——出力系數(shù)，取為8.2

Q?！ＷC流量，為2.20m3/s

H設(shè)——設(shè)計(jì)水頭，為58.68m

計(jì)算得：N保=AQ保H設(shè)=8.2×2.20×58.68=1059（kW）

2.2.3 電站運(yùn)行方式

農(nóng)五師八十三團(tuán)阿卡爾一級水電站為徑流式水電站，裝機(jī)容量在電力系統(tǒng)中所占比重小于20%，其運(yùn)行特征是任何時(shí)刻的出力主要決定于大河來水量，由于河道天然流量日內(nèi)變化不大，該站擔(dān)任系統(tǒng)負(fù)荷中的基荷。

2.2.4 裝機(jī)容量選擇

根據(jù)《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見》的要求，增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目不增加原有的機(jī)組臺數(shù)，因此，電站機(jī)組臺數(shù)與改造前保持一致，即電站機(jī)組維持在兩臺。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)比較確定，初步擬定以下三個(gè)裝機(jī)方案進(jìn)行比較，最終確定最優(yōu)裝機(jī)規(guī)模。計(jì)算結(jié)果見表2-2～表2-4。

方案一：裝機(jī)2×1000kW，只更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、增設(shè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、更換前池排沙閘閘門及啟閉設(shè)備和引水渠、前池的改造等。

表2-2 不同流量裝機(jī)、年發(fā)電量、年利用小時(shí)數(shù)

表2-3 阿卡爾一級水電站不同裝機(jī)容量水能計(jì)算指標(biāo)表

表2-4 阿卡爾一級水電站不同裝機(jī)容量指標(biāo)表

方案二：裝機(jī)2×1250kW，更換水輪機(jī)組及其附屬設(shè)備、增設(shè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，更換前池排沙閘閘門及啟閉設(shè)備和引水渠、前池的改造等。由于發(fā)電流量有所增加，需加高尾水渠以滿足過流能力。

方案三：裝機(jī)2×1600kW，更換水輪機(jī)組及其附屬設(shè)備、增設(shè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，因流量增加過大，故需全部拆除重建。

優(yōu)點(diǎn)：方案一和方案二均可在原設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，投資相對較低，工期較短，方案三未拆除新建電站，在自動(dòng)化控制、年發(fā)電量等方面均有較高效果。

缺點(diǎn)：方案一和方案二在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換及水輪機(jī)組更換過程中需與廠家協(xié)商確定，耗時(shí)較長，方案三的缺點(diǎn)在于投資較高，施工期長，投資回收期較長。

從上表可以看出：

（1）各方案的投資隨著裝機(jī)容量的增加而增大，由于裝機(jī)容量增加，電站工程量和投資均相應(yīng)的增加，且從投資回收期上來看，方案二效益回收最快；

（2）隨著裝機(jī)容量的加大，多年平均發(fā)電量也隨之增大，但當(dāng)超過最優(yōu)值時(shí)，發(fā)電量會呈下降趨勢，從資源的合理開發(fā)利用和滿足負(fù)荷發(fā)展的需求適當(dāng)增大裝機(jī)是有利的，但考慮到該水電站無調(diào)節(jié)能力，方案間增加電量主要為汛期電量，不能被系統(tǒng)完全吸收，因此裝機(jī)容量不宜過大，所以本電站的裝機(jī)規(guī)模主要根據(jù)其經(jīng)濟(jì)性決定。

（3）裝機(jī)從2000kW增加到2500kW，投資增加37.22萬元，系統(tǒng)吸收電量增加94萬kW·h，單位電能投資4.55元/（kW·h），補(bǔ)充千瓦投資744元/kW，優(yōu)于方案一。

因此，由以上比較可知，電站增容至2500kW是合適的、經(jīng)濟(jì)的。

3 結(jié)語

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第五師缺煤少電，資源匱乏，故必須大力發(fā)展可再生能源。同時(shí)由于水電增效擴(kuò)容不需移民，不增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，開發(fā)成本和電能質(zhì)量均優(yōu)于風(fēng)電、太陽能等同類清潔能源。經(jīng)過對阿卡爾一級水電站水頭損失的復(fù)核計(jì)算，得出電站改造后的保證流量和保證出力，最終經(jīng)綜合比選確定電站改造后的裝機(jī)容量，希望對新疆兵團(tuán)第五師其它需增效擴(kuò)容改造的電站提供幫助。陜西水利