關于機組選型對于小型水電站改造的重要性分析

【摘要】新建小型水電站與改造小型水電站在技術方面的相關應用有很大不同，尤其是在機組選型方面的選擇對需要改造的小型水電站有著重要的影響和意義。筆者將結合梅州市程江河C水電站分析機組選型對于小型水電站改造的重要性，以期能夠為相關工作人員提供重要的建議參考。

【關鍵詞】機組選型；小型水電站改造；重要性

程江是韓江一級支流，發(fā)源于江西尋鄔藍峰，在平遠石正富石流入梅州，于梅縣梅西龍崗岌匯龍虎水，于南口東陂匯南口水后，在梅城烏廖沙流入梅江。程江有集雨面積718km2，河長94km，平均坡降2.68‰，流域內(nèi)植被較好，坡降陡，天然落差大，水力資源豐富。

程江在梅州境內(nèi)有集雨面積708km2，河長84km，水力資源理論蘊藏量1.89萬kW，可開發(fā)裝機1.35萬kW。

自從進入了20世紀之后，程江河建成了11座小型水電站，總裝機容量13.565MW，對當?shù)氐陌l(fā)展帶來了極大的貢獻。但是由于部分小型水電站存在以下幾個方面的問題：（1）修建的時間過久；（2）機器設備損壞嚴重；因此導致部分電站的利用效率以及設備效率大大降低。在改造小型水電站方面可以根據(jù)當?shù)氐墓こ虆^(qū)域現(xiàn)狀以及水環(huán)境進行個性化的方案，繼而在改造老小型水電站的過程中進行全面系統(tǒng)的審核，在此基礎上根據(jù)具體條件選擇適合的機組，使其能夠滿足現(xiàn)有的水力機械要求。除此之外，在機組選型的過程中不僅僅需要考慮到優(yōu)良的水力性能，還需要著重考慮到改造之后對土建工程的相關影響。為了有效解決上述問題的出現(xiàn)，筆者根據(jù)相關工作經(jīng)驗，對程江河中的部分小型水電站進行了相應的改造。

一、改造小型水電站存在的基本問題

部分小型水電站存在修建的時間過久以及機器設備損壞嚴重等問題，在改造過程中需要面臨以下4個方面的問題。

（1）直流饋電系統(tǒng)以及水輪機設備等都處于馬虎的狀態(tài)，某河流域地區(qū)的機電設備仍然是上個世紀70年代末的產(chǎn)品，現(xiàn)階段的生產(chǎn)廠家已經(jīng)不再生產(chǎn)相關零件，大部分的零件設備已經(jīng)過時，跟不上時代的發(fā)展潮流，因此在維修的過程中成本極高，除此之外，大部分的零配件無法進行及時的更換處理。

（2）發(fā)電機定子線圈老化絕緣非常嚴重。隨著發(fā)電機設備的使用年限逐漸增長，當發(fā)電機的出力達到60.5%～70.5%的時候，發(fā)電機定子的溫度達到了90°C。為了保證設備的安全以及相關工作人員的安全，發(fā)電機的處理額定限度在60.5%～80.5%之間，因此從上述角度來看，發(fā)電機一直處于不良狀態(tài)。

（3）高壓開關柜的關鍵部位老化現(xiàn)象非常嚴重。某河流域的發(fā)電站高壓開關柜是GGA型號，其斷路器為SN11-12型少油斷路器，SN11-12型號的斷路器已經(jīng)被時代所淘汰。除此之外，SN11-12型號的斷路器接觸電阻嚴重超標，不能夠滿足相關需求。并且經(jīng)過多次查詢之后發(fā)現(xiàn)SN11-12型號已經(jīng)沒有廠家在生產(chǎn)，所以SN11-12型號的一些零部件已經(jīng)無法購買。

水輪機葉片汽蝕嚴重，導水葉開度不足，過流能力受限。因機組生產(chǎn)年代久遠，鑒于當時的設計水平和生產(chǎn)工藝，機械部件均出現(xiàn)不同程度磨損，且目前大部分產(chǎn)品已列入國家淘汰產(chǎn)品目錄。

二、確定機組選型方案

1 程江河C水電站的基本情況

該水電站最早是在20世紀80年代末期建成，總裝機為2400KW，在2003年，該水電站的平均引水流量約為30m3/s，后因實施某項水利工程，66.67%水電站的水量被分配到了其他地方，繼而導致通過該水電站的平均引水流量僅僅只有20.1m3/s。從上述數(shù)據(jù)來看，對原有的水輪機進行了相關報廢處理，繼而使得電站裝機變成了1500KW，其中一共有2臺電站裝機，每一臺為750KW，水頭約15.01m，平均引水流量為20.1m3/s。該水電站在改造的過程中原有的裝機臺數(shù)無變化，水頭以及水情有一定程度的變化。

2 比較機組選型方案

在比較機組選型方案之前需要對裝機形式進行比較，筆者選取了600KW 1臺+1050KW 1臺臺以及750KW 2臺的方案。

方案一：采用600KW 1臺+1050KW 1臺的方案需要選擇ZDHF878-LJ-87，配發(fā)電機HF-K445-11/1524，通過相關調(diào)查研究結果顯示，該水電站現(xiàn)有的水輪機為ZJ645a-HU-102，配電機HF-K854-11/1524。該水電站現(xiàn)有的水輪機尾水肘進口直徑為1310mm，進口面積為1.324m2，除此之外，水輪機蝸殼斷面底高為1385mm/底寬為586mm/頂寬為855mm，斷面的總面積為1.005m2，本文中所選取的ZDHF878-LJ-87型號水輪機的額定轉速為426.7r/min、額定水頭為14.1m，單位轉速為130.7r/min，機組額定處理為1021KW，槳葉安放角度為4°～7°之間，平均差值為5.5°，水輪機的額定模型效率為90.6%。根據(jù)相關水輪機的設計手冊不難發(fā)現(xiàn)，需要綜合考慮到尾水肘混凝土的澆筑差以及模型機與原型機之間的差異，原型機的額定效率取數(shù)值88.9%，那么水輪機的額定流量需要8.457m3/s。根據(jù)水輪機的相關原則，ZDHF878-LJ-87型號的水輪機尾肘進口直徑為1391mm，現(xiàn)狀進口面積為1.351m2，水輪機尾肘進口面積為1.514m2，水輪機蝸殼斷面底高為1765mm/底寬為822mm/頂寬為1136mm，斷面的總面積為1.754m2，此時現(xiàn)狀的斷面總面積為1.005m2；從上述數(shù)據(jù)來看，尾肘進口的速度應為5.569m/s，蝸殼斷面流速為4.836m/s。一旦想要維持現(xiàn)有尾水管不動的情況，則需要立即考慮流速與尾水管水力損失的情況。為了使得尾水管水力損失在可控制的合理范圍之內(nèi)，則需要維持好尾水管的平均流速，由于原尾肘管的過流量為7.534m3/s，再加上水輪機的有效運行區(qū)域僅為72.8%～100.8%額定出力，所以該水輪機的有效運行區(qū)域僅僅為689KW～1028KW之間，一旦尾肘管超過了7.534m3/s的水量，而此時的水輪機單位轉速為130.7r/min，單位流量為1.547m3/s，根據(jù)綜合曲線的相關規(guī)定，水輪機的模型效率僅僅為85.1%，而整機效率為80.2%，機組出力僅僅達到811.6KW。而一旦加大對尾肘管的過流量，那么其水力損失就會相應的增大。此時，機組出力就不能夠得到有效提高。同理分析蝸殼運行，由于新的水輪機的座環(huán)直徑被加大，因此會占據(jù)部分原有蝸殼過流的空間與時間，蝸殼的有效過流量與此同時也會相應的減少，并且最終影響到運行效率。一旦堅持使用此方案，那么必然需要拆除整個機組，對土建的工程量影響較大。根據(jù)水利部對小型水電站技術改造的指導意見，改造方案應充分考慮原機型和布置形式，盡可能利用原機組埋入部件和廠房建筑，節(jié)省改造成本。所以，方案一不適用。

方案二：選用750KW 2臺的方案，水輪機的型號為ZD454-LJ-105，配發(fā)電機SI-K865-11/1524。查此轉輪綜合特性曲線和模型曲線，以及對照轉輪，進水口，導水機構，尾水管等尺寸，選用的水輪機為原水輪機ZJ645a-HU-102的改進型號，在基本不改變現(xiàn)有埋入部件和廠房尺寸的前提下，提高了機組效率，能達到額定出力，滿足發(fā)電要求，充分利用水資源和提高綜合能效。因此，本工程采用方案二的方案。

三、結束語

綜上所述，小型水電站的機組改造在運行過程中是比較常見的方法之一，通過更換相關機組繼而可以在一定程度上提高發(fā)電量，并且加大小型水電站的綜合效益；除此之外，利用現(xiàn)有的壓力管道能夠達到節(jié)約資源以及機組安裝的相關要求。

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