河北省農(nóng)村水電站更新改造設(shè)計要點

楊鐵樹，回建文

(1.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津市 300250；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

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河北省農(nóng)村水電站更新改造設(shè)計要點

楊鐵樹1，回建文2

(1.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津市 300250；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

摘要：河北省小農(nóng)村水電站多建于20世紀(jì)七八十年代，由于設(shè)備老化，機組實際效率顯著下降。通過技術(shù)改造，發(fā)電效率可顯著提高，與新建電站相比，具有投資少、見效快、經(jīng)濟效益好等特點。對其更新改造設(shè)計的要點進行了詳細(xì)闡述。表2個。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村水電站；更新改造；水能利用率；最小獨立運行結(jié)構(gòu)單元；統(tǒng)籌設(shè)計

1建設(shè)概況

河北省農(nóng)村水能資源蘊藏量為190.19萬 kW，可開發(fā)量為120.60萬 kW。截至2014年底，全省共建有農(nóng)村水電站246座，總裝機容量38.87萬 kW?！笆濉逼陂g，農(nóng)村水電站發(fā)電量達(dá)到23.5億 kW·h，相當(dāng)于減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗82萬t，減少薪柴消耗191萬t，減少CO2排放205萬t，減少SO2排放27 237萬t，保護森林植被面積2 191萬畝。農(nóng)村水電站促進了農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，成為重要的可再生綠色能源。

2更新改造的必要性

河北省農(nóng)村水電站大多數(shù)建于20世紀(jì)七八十年代，經(jīng)過幾十年運行，許多電站機電設(shè)備陳舊老化、性能下降，水工建筑物部分存在安全隱患；機組主要性能參數(shù)與電站實際運行參數(shù)不匹配；自動化水平及管理水平低，故障報警和事故處理不及時，造成帶病運行或事故擴大，存在嚴(yán)重安全隱患。在水電站性能降低到加速惡化前，可利用更新改造將其恢復(fù)到原設(shè)計水平，或通過擴容增效，以全面提升水電站的發(fā)電能力和經(jīng)濟效益(見表1)。

3更新改造設(shè)計要點

3.1提高水資源水能利用率，優(yōu)化水電站裝機容量

(1)徑流式水電站根據(jù)上游來水量水能計算，優(yōu)化水電站裝機容量

平山縣康莊水電站根據(jù)徑流區(qū)間水文計算，并與上游梯級開發(fā)水電站的流量配合，確定其引水流量由原4.0 m3/s增至17 m3/s，則裝機容量由原2×500 kW增至2×2 000+1×1 000 kW，水能利用率提高425%，發(fā)電容量增加500%。對于來水量(或水頭)比原設(shè)計增大的徑流式水電站，應(yīng)根據(jù)來水量(或水頭)增大的計算值，重新選定水輪發(fā)電機組或設(shè)計改型新轉(zhuǎn)輪，使其運行在高效率區(qū)，既加大單機容量，又提高水輪發(fā)電機組運行效率，可大幅度提高年發(fā)電量。

(2)壩后式水電站根據(jù)下游放水量統(tǒng)計計算，優(yōu)化水電站裝機容量

興隆縣老虎溝水電站為壩后式水電站，遵循“發(fā)電服從于灌溉”的調(diào)度原則， 通過及時了解水庫向下游放水情況，做好放水量統(tǒng)計和發(fā)電預(yù)案，減少棄水；并充分利用水庫泄洪發(fā)電，增加峰電，全面提高了年發(fā)電量。

隆化縣改河水電站是利用老陡山水電站的剩余水量發(fā)電，為壩后式水電站的1個發(fā)電車間。通過近年來實際發(fā)電情況并延長水文系列，將年發(fā)電量由120萬kW·h修改為76萬kW·h。對于來水量(或水頭)比原設(shè)計減小了的水電站，根據(jù)實際來水量(或運行水頭)，選用合適的新型轉(zhuǎn)輪或設(shè)計改型新轉(zhuǎn)輪，將水輪發(fā)電機組調(diào)整到較優(yōu)工況區(qū)運行，可提高水能利用率。

表1　河北省“十二五”期間實施更新改造的農(nóng)村水電站典型現(xiàn)狀問題分類

(3)引水式水電站通過維修加固攔河壩等調(diào)蓄工程，提高水電站發(fā)電量

承德縣柳河水電站為設(shè)有攔河壩的引水式水電站，在滿足生態(tài)流量的前提下，通過維修加固攔河壩工程，增加了水電站的日調(diào)節(jié)能力，滿足了最小發(fā)電流量和發(fā)電水頭，提高了年利用小時數(shù)和水電站的發(fā)電量。

(4)水電站裝機容量調(diào)整后，需進行過流能力及出口水位的復(fù)核計算

涉縣西達(dá)水電站為徑流引水式，利用河道裁彎取直獲得落差發(fā)電，通過實測徑流資料進行年徑流分析，并以頻率法進行比較驗證，對水流條件較好的2號水輪發(fā)電機組由500 kW增容至630 kW，保證其運行于運轉(zhuǎn)特性曲線的高效區(qū)間。在保證機組參數(shù)完全適應(yīng)水能參數(shù)外，還對引水系統(tǒng)的引用流量、水頭損失、結(jié)構(gòu)強度等進行校核計算，維修加固了引水渠道、輸水隧洞，改造了壓力前池和尾水渠，滿足了發(fā)電機組增容后的過流能力及水頭損失等要求。

3.2以水電站獨立運行結(jié)構(gòu)單元為改造對象，提高更新改造工程投資利用率

(1)水電站更新改造工程中最小獨立運行結(jié)構(gòu)單元的劃分

確定水電站最小獨立運行結(jié)構(gòu)單元，是合理確定水電站更新改造工程范圍的前題，若更新改造范圍過大，勢必造成工程量的增加和工程投資的增大，從而降低了更新改造工程投資的利用率；若更新改造范圍過小，將影響到更新改造工程的整體質(zhì)量和效果，造成更新改造后的水電站仍帶病運行。通過對水電站結(jié)構(gòu)體系和運行體系的解剖分析，找出其最小結(jié)構(gòu)單元和獨立運行單元，在確定更新改造工程最小項目單元時，應(yīng)使其同時具備最小結(jié)構(gòu)單元和獨立運行單元的雙重條件，以同時兼顧設(shè)備制造安裝的個體因素和系統(tǒng)運行發(fā)電的整體因素。若更新改造工程最小項目單元僅滿足最小結(jié)構(gòu)單元條件，將影響到更新改造項目的運行質(zhì)量；若最小項目單元僅滿足最小獨立運行單元，將影響到更新改造工程的結(jié)構(gòu)質(zhì)量(見表2)。

表2　水電站最小獨立運行結(jié)構(gòu)單元劃分

(2)水電站更新改造項目安排順序

水電站更新改造項目在結(jié)合其運行現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，按最小獨立運行結(jié)構(gòu)單元劃分表確定其更新改造工程所包含的單元項目及數(shù)量，并遵循以下原則安排其更新改造順序：

①先“運行安全”項目，后“功能完善”項目。在表1中的赤城縣隔河寨二級水電站，更新改造項目優(yōu)先安排“機電設(shè)備老化嚴(yán)重，擋水建筑物塌方，廠房滲漏等存在安全隱患”的項目，包括更新2臺水輪發(fā)電機組及微機調(diào)速器、高低壓開關(guān)柜；翻修溢流壩面、整修主副廠房屋頂?shù)?；而后才考慮安排“功能完善，提高性能”的項目，增設(shè)了微機監(jiān)控保護系統(tǒng)。

②先“擴容增效”項目，后“功能修復(fù)”項目。在表1中的涉縣西達(dá)水電站，更新改造項目優(yōu)先安排“2號水輪發(fā)電機組增容至630 kW”的項目，包括2號水輪發(fā)電機組增容改造及相關(guān)機電設(shè)備更新改造；而后才考慮安排“功能修復(fù)，輔助增容”的項目，維護整修了引水渠、輸水洞及尾水渠。

③先“主機發(fā)電”項目，后“輔助運行”項目。在表1中的興隆縣老虎溝水電站，更新改造項目優(yōu)先安排“更換2臺大機組轉(zhuǎn)輪、調(diào)速器、主閥”，而后才考慮安排“更新高低壓開關(guān)柜和增設(shè)微機監(jiān)控保護系統(tǒng)”。根據(jù)小水電站更新改造項目的“重、輕、急、緩”，在投入有限資金的前題下，通過合理安排更新改造項目，不僅可有效控制更新改造建設(shè)規(guī)模和改造費用，還可進一步優(yōu)化更新改造項目，大大提高資金利用率。

3.3進行水電站整體發(fā)電效益和安全性統(tǒng)籌設(shè)計

(1)進行水電站整體發(fā)電效益提高的統(tǒng)疇性設(shè)計

水電站整體發(fā)電效益=水能利用率×水輪發(fā)電機組發(fā)電效率×升壓變電設(shè)備效率。只有每個環(huán)節(jié)的效率達(dá)到最優(yōu)，才能實現(xiàn)水電站整體發(fā)電效益最高。前述的提高水能利用率是提高水電站整體發(fā)電效益的前提，而水輪發(fā)電機組發(fā)電效率和升壓變電設(shè)備效率又是提高水電站整體發(fā)電效益的保障，水輪發(fā)電機組和升壓變電設(shè)備的更新改造，特別是水電站增容改造，水輪發(fā)電機組的選型及升壓變電設(shè)備的容量匹配，任何一個環(huán)節(jié)都不能存在效率短板點，否則將影響到水電站整體發(fā)電效益的提高。

提高水輪發(fā)電機組發(fā)電效率應(yīng)從水力、機械及電磁三方面綜合考慮：一是提高水力效率，首先應(yīng)提高轉(zhuǎn)輪效率，適當(dāng)增加轉(zhuǎn)輪單位流量，或減小轉(zhuǎn)輪漏水量，另外降低尾水水位提高發(fā)電水頭也可提高水力效率。二是減小水輪發(fā)電機組的機械損失，改造推力軸承，減小機械損失；改造發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)，減小機組通風(fēng)損耗。三是減小電磁損失，改造定子鐵芯，減小鐵芯損失；取消直流勵磁機，采用可控硅勵磁。

提高升壓變電設(shè)備效率可結(jié)合機組增容改造需更換主變壓器，應(yīng)選用節(jié)能型變壓器。如原有變壓器容量足夠，結(jié)合技術(shù)改造，也可將舊變壓器改造為低耗能變壓器；屬淘汰序列的變壓器一定要更換掉。低壓機組水電站變壓器有選用降壓型的，應(yīng)更換為升壓型。

(2)進行水電站整體安全性提高的必要性設(shè)計

提高效益的保障是安全，安全的結(jié)果是效益。水電站整體安全涉及操作安全、保護安全及管理安全三個方面。操作安全是管理安全的前提，高自動化水平并非操作追求的目標(biāo)，“簡單實用”才是最安全可靠的，應(yīng)在充分了解原有水電站的操作方式、控制水平的基礎(chǔ)上提出切實可靠的、有針對性的操作運行及安全性設(shè)計。特別注意，水電站原有高壓開關(guān)柜很多并不具備“五防”功能，低壓開關(guān)柜也沒有達(dá)到3C認(rèn)證要求，應(yīng)該在改造的同時進行更換。保護安全是操作安全的技術(shù)保障，當(dāng)發(fā)生誤操作或出現(xiàn)各類故障/事故時，繼電保護系統(tǒng)應(yīng)及時報警并切除故障，將事故限制在最小范圍內(nèi)。管理安全是提高水電站安全性的必要手段，在制定每個受控設(shè)備操作運行規(guī)程的基礎(chǔ)上，還應(yīng)結(jié)合原有水電站的運行經(jīng)驗制定反事故措施及相關(guān)事故處理預(yù)案，在建立建全運行組織管理制度的基礎(chǔ)上，還應(yīng)加強職工培訓(xùn)，提高整體素質(zhì)。

3.4實現(xiàn)更新改造項目與原水電站現(xiàn)狀的有機結(jié)合

(1)采用現(xiàn)代先進技術(shù)并兼顧原水電站基本現(xiàn)狀

水電站的技術(shù)改造應(yīng)積極采用成熟實用新技術(shù)成果，加大科技含量，大力推廣低成本自動化技術(shù)，以最少的資金投入，獲得最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。最大限度地提高設(shè)備的安全可靠性和使用壽命，努力提高設(shè)備和水電站的自動化水平。但水電站的更新改造也不能脫離原有現(xiàn)狀，應(yīng)在對原水電站的設(shè)備狀況(包括檢修及事故停機時間)、技術(shù)水平(機組的先進性和運行管理現(xiàn)代化程度)、能量轉(zhuǎn)換效率和安全隱患等進行全面調(diào)查和評估的基礎(chǔ)上，提出切實可行的水電站更新改造方案。水電站技術(shù)改造前對設(shè)施和設(shè)備進行安全檢測是非常必要的。根據(jù)檢測結(jié)果，從安全角度對水電站的設(shè)施和設(shè)備作出改造與否的評價，并作為水電站技術(shù)改造的必要性、改造規(guī)模與時機以及技術(shù)改造成效的依據(jù)。

(2)實現(xiàn)更新改造設(shè)備與原有系統(tǒng)設(shè)備的有機結(jié)合

水電站更新改造是在吸納原有設(shè)備技術(shù)優(yōu)勢并克服原有設(shè)備不足和弊端基礎(chǔ)上的功能完善和質(zhì)量提升。雖然機電設(shè)備實現(xiàn)了更新改造，但是原有的運行管理人員沒有變動，操作運行習(xí)慣沒有改變，這就要求新設(shè)備在增加新配置和新功能的同時，還應(yīng)兼顧原有管理人員的操作習(xí)慣和操作規(guī)程，有效避免老人員對新設(shè)備的操作慣性而導(dǎo)致的誤操作，特別是當(dāng)事故發(fā)生時緊急操作和事故處理更是如此。應(yīng)實現(xiàn)老規(guī)程與新設(shè)備、老模式與新功能的完整統(tǒng)一，原有操作規(guī)程及管理模式與更新設(shè)備的操作流程及功能配置的有機結(jié)合(包括主接線、設(shè)備布置、操作開關(guān)及按鈕的布置、信號燈顏色等)。

在重新設(shè)計新發(fā)電機時，亦應(yīng)充分利用原設(shè)備的基礎(chǔ)及埋件，其他部件如大軸、上機架、下機架，凡經(jīng)加工仍可使用者均應(yīng)利用，以節(jié)省改造費用。拆除機組的設(shè)備及零件經(jīng)檢驗并復(fù)核計算后，仍可利用者可作為其他未改造機組的替換零件或備件，提高拆除原有機電設(shè)備及零件的再利用率，節(jié)省改造費用。

4結(jié)語

河北省農(nóng)村水電站更新改造設(shè)計要點，完全符合于《小型水電站技術(shù)改造規(guī)范》(GB/T 50700—2011)中所提出的“正確貫徹先進性、合理性、經(jīng)濟性和特殊性的四性原則”。先進性就是進一步優(yōu)化水電站裝機容量，選用高效節(jié)能型機電設(shè)備，提高水資源利用率；合理性就是緊密結(jié)合和妥善處理本電站的不可變更或不宜變更的制約條件，以其獨立運行結(jié)構(gòu)單元為改造對象，提高工程投資利用率；經(jīng)濟性就是通過更新改造工程增加水電站的年發(fā)電量，提高其經(jīng)濟效益；特殊性就是針對河北省各水電站工程現(xiàn)狀，實現(xiàn)更新改造項目與原水電站現(xiàn)狀的有機結(jié)合。河北省農(nóng)村水電站的更新改造工作體現(xiàn)了先進性、合理性、經(jīng)濟性和實用性的完整統(tǒng)一，有效促進了小水電事業(yè)的健康繁榮發(fā)展。

參考文獻：

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[8]GB 50071—2002，小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范[S].

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責(zé)任編輯吳昊

作者簡介：楊鐵樹(1963-)，男，教授級高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計及研究工作。

收稿日期：2016-01-05