水電站增效擴(kuò)容改造水輪機(jī)組選型研究

趙光宇

（山西水投汾河水務(wù)有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

汾河水庫(kù)為多年調(diào)節(jié)大（二）型水庫(kù)，位于汾河上游干流太原市婁煩縣杜交曲鎮(zhèn)下石家莊村北1km處，總庫(kù)容7.23億m3，多年平均入庫(kù)徑流30362萬(wàn)m3。汾河水庫(kù)水電站是利用汾河水庫(kù)灌溉放水進(jìn)行季節(jié)性發(fā)電，年平均灌期一般為6個(gè)月，年放水時(shí)間約為180d。設(shè)計(jì)水頭52.0m，設(shè)計(jì)發(fā)電量最大引用流量29.5m3/s。裝機(jī)容量2×6500kW[1]。運(yùn)行方式采用發(fā)電服從灌溉，發(fā)電服從泄洪排沙的季節(jié)性運(yùn)行方式，非灌溉可擔(dān)負(fù)電網(wǎng)的調(diào)相任務(wù)。

2 汾河水庫(kù)水電站現(xiàn)狀

該電站1986年建成投產(chǎn)運(yùn)行20多年來(lái)，年均發(fā)電量1977萬(wàn)kW·h，給當(dāng)?shù)氐膰?guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了可靠的電力能源，產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)效益和較好的社會(huì)效益，目前電站存在以下問(wèn)題。

一是機(jī)電設(shè)備嚴(yán)重老化，建筑物年久失修，存在許多事故隱患，維修周期越來(lái)越短。二是電站設(shè)備完好率降低，機(jī)組和電氣設(shè)備長(zhǎng)期得不到維修和更新，設(shè)備落后，主機(jī)組、電氣設(shè)備和工程設(shè)施老化嚴(yán)重。三是安全隱患較嚴(yán)重。不能充分發(fā)揮電站應(yīng)有的效益，同時(shí)浪費(fèi)了大量的清潔可再生能源。四是機(jī)型不合理，裝置效率降低，工程效率衰減。由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，機(jī)組選型配套不當(dāng)，工程老化失修，經(jīng)營(yíng)管理水平不高，導(dǎo)致裝置效率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，且呈逐年下降趨勢(shì)。五是高運(yùn)行維護(hù)成本。機(jī)組老化，帶病運(yùn)行，大大增加了人員的檢修勞動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)行工作量。

3 水輪機(jī)組選型方案

3.1 電站水能計(jì)算

根據(jù)《小型水力發(fā)電站水文計(jì)算規(guī)范》（SL77-2013），電能以豐、平、枯代表年的逐日平均流量計(jì)算。

按照《小水電水能設(shè)計(jì)規(guī)程》（SL76—2009），電站出力采用以下公式計(jì)算[2]：

式中：N——水流出力，kW；

η——為電站效率，取值0.86；

H——凈水頭，m；

Q——時(shí)段平均流量，m3/s。按規(guī)范要求進(jìn)行電站水能計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)近年來(lái)電站引水流量的變化，結(jié)合水能計(jì)算結(jié)果，初步確定機(jī)組裝機(jī)容量為2臺(tái)6500kW。當(dāng)汾河電站總裝機(jī)容量13000kW時(shí)，其年發(fā)電量為2462萬(wàn)kW·h，且年利用小時(shí)數(shù)達(dá)到1894h，所以本次技改從理論上是可行的，其流量能保證。

3.2 裝機(jī)容量選擇

汾河水庫(kù)水電站為壩后引水式水電站，原有裝機(jī)容量為13000kW，受現(xiàn)有廠房結(jié)構(gòu)、壓力鋼管、混凈土蝸殼限制，提出兩種技改方案，即2×6500kW、2×7000kW，通過(guò)向水輪機(jī)廠家詢價(jià)核算改造投資，對(duì)改造方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，詳見(jiàn)表2。

從表2可以看出，方案一經(jīng)濟(jì)性合理性最好，而且發(fā)電流量不變，在裝機(jī)容量不變的前提下，既能充分利用水能資源，又能符合電站已有土建部分的限制條件，所以采用方案一作為技改裝機(jī)容量。

3.3 水輪機(jī)選型

根據(jù)復(fù)核后電站設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行重新選型。在運(yùn)行水頭（H=40.0～60.0m）段適合的轉(zhuǎn)輪型號(hào)有HLD74和HLA551，經(jīng)計(jì)算單位轉(zhuǎn)數(shù)n11和單位流量Q11，分別對(duì)應(yīng)到兩轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上，在設(shè)計(jì)工況下，工作點(diǎn)都位于高效率區(qū)內(nèi)，HLD74轉(zhuǎn)輪對(duì)應(yīng)的效率為91.9%，空化系數(shù)為0.144；HLA551轉(zhuǎn)輪對(duì)應(yīng)的效率為92.1%，空化系數(shù)為0.096。經(jīng)比較，HLA 551效率較高，空化系數(shù)稍小，本階段推薦HLA551轉(zhuǎn)輪，型號(hào)為HLA551-LJ-140，配套發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF 6500-16/3300。水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 汾河水庫(kù)水電站水能計(jì)算成果

表2 改造方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選

表3 水輪機(jī)選型比較及發(fā)電機(jī)參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

以山西省汾河水庫(kù)水電站增效擴(kuò)容改造工程為例，在論述技改必要性、技術(shù)可行性的基礎(chǔ)上，根據(jù)電站水能計(jì)算結(jié)果，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性角度，確定了電站裝機(jī)容量和水輪機(jī)選型，為合理利用水能，提高水電效益和質(zhì)量提供了保證，同時(shí)為農(nóng)村小水電改造提供了設(shè)計(jì)參考。

［1］張根鎖，傅天清，馬濤，等.汾河水庫(kù)志［M］.太原：山西人民出版社，2011：66-68.

［2］鄧歡，吳亞楊，胡超鵬，等.小水電站增效擴(kuò)容的徑流和水能計(jì)算方法及應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2014，32（5）：160-164.

［3］葉永，雷未，牟玉池.農(nóng)村水電站增效擴(kuò)容改造機(jī)組選型探討［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2016（11）：193-195.

［4］王麗萍，王修貴，高仕春.水利工程經(jīng)濟(jì)學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008：107-109.