淺析小型水電站增效擴容改造措施與技術(shù)

【摘要】社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，促進了小型水電站建設(shè)水平的進一步提高。針對小型水電站增效擴容改造成功案例越來越多，但是在這一過程中仍然出現(xiàn)了很多小型水電站發(fā)展的不確定因素。因此，加強小型水電站增效擴容改造研究的力度，對于小型水電站的發(fā)展而言具有極為重要的意義。文章主要是就小型水電站增效擴容改造措施與技術(shù)進行了深入的分析與探討。

【關(guān)鍵詞】水電站；增效擴容；技術(shù)

引言

小型水電站不僅是我國社會經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，而且是目前農(nóng)業(yè)耕作地區(qū)和山區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與建設(shè)最常用的保護手段。改革開放政策的實施，為我國小型水電站的建設(shè)注入了新的活力。尤其是針對高寒地區(qū)、缺電嚴重的邊遠小型地區(qū)而言，小型水電站的建設(shè)不僅徹底解決了電力短缺的問題，而且為高寒地區(qū)農(nóng)業(yè)人口收入的增長以及農(nóng)民生活條件的進一步改善奠定了良好的基礎(chǔ)。

1、小型水電站增效擴容改造現(xiàn)狀分析

1.1水工建筑物與引水系統(tǒng)的不合理

經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國目前的小型水電站大多采用的是引水式處理方式，這種處理措施導(dǎo)致水電站的渠首壩、引水渠、前池?zé)o排沙等相關(guān)設(shè)施在設(shè)計和使用的過程中都存在著極為不合理的現(xiàn)象，如果長期使用就會在汛期來臨之際，對渠道的正常飲水產(chǎn)生非常嚴重的影響。再加上大多數(shù)小型水電站在廠房建設(shè)方面都存在著低于防洪標準的現(xiàn)象，增加了汛期水電站安全隱患發(fā)生的幾率，對水電站相關(guān)設(shè)備以及工作人員的生命安全產(chǎn)生了極大的威脅。比如，我國大多數(shù)小型水電站引水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在的攔污柵不合理現(xiàn)象，導(dǎo)致水電站在汛期水流增加時經(jīng)常出現(xiàn)被雜草、石塊等堵塞，導(dǎo)致水電站發(fā)電量的下降。另外，還有很多水電站因為前池閘門攔污柵沒有得到及時的整修，而導(dǎo)致汛期來臨時經(jīng)常出現(xiàn)因為樹根或者石塊卡在機組中，而導(dǎo)致發(fā)電機組無法正常運行。

1.2機電設(shè)備老舊

由于很多小型水電站的主變都采用的是損耗較高的變壓器，這種變壓器經(jīng)過長時間運行后，就會因為自身絕緣性能的降低，導(dǎo)致其防爆炸性能的減弱。再加上小型水電站的高低壓電氣設(shè)備主要采用的是少油式斷路器，由于此類斷路器的容量相對較小且結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜程度高，所以在運行過程中隨時都可能引發(fā)爆炸問題。雖然小型水電站已經(jīng)針對這一問題，采用了分離式元件加強了監(jiān)控與保護的力度，但是由于其存在自動化程度低、動作遲緩等各方面的問題，所以已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展所提出的要求。

1.3機組制造質(zhì)量差

經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，小型水電站為了降低機組造價，往往在設(shè)計的過程中選用制造簡單且成本較低的產(chǎn)品和設(shè)備。雖然這種設(shè)計方法不是導(dǎo)致小型水電站設(shè)備制造出現(xiàn)缺陷的主要原因，但是其對于小型水電站的建設(shè)和發(fā)展而言同樣產(chǎn)生了非常不利的影響。比如，很多小型水輪機生產(chǎn)廠家，存在著設(shè)計人員設(shè)計力量嚴重不足的現(xiàn)象，所生產(chǎn)的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝水平差、產(chǎn)品質(zhì)量不達標等各方面的問題，小型水電設(shè)備在生產(chǎn)制造過程中存在著諸多的問題，加快小型水電設(shè)備的增效擴容改造，已經(jīng)成為了影響小型水電站發(fā)展的重要手段之一。

2、全面推進小型水電增效擴容改造的必然性

2.1有助于減緩小型水電安全隱患

小型水電建設(shè)作為我國水電開發(fā)的重要組成部分，自上世紀九十年前小型水電站建成投入運營至今，其平均運行年限已經(jīng)達到25年，很多甚至已經(jīng)超過了30年。由于受到當(dāng)時所處年代設(shè)計水平、施工技術(shù)等各方面條件的制約，再加上水電站投入使用后維護資金投入的不足，使得很多水電站出現(xiàn)了發(fā)電、防洪、灌溉、供水等功能喪失的現(xiàn)象，在這種情況下如果遇到極端氣候，那么將會導(dǎo)致公共安全事故的發(fā)生。

2.2有助于促進節(jié)能減排目標的實現(xiàn)

隨著我國政府部門對生態(tài)環(huán)境保護重視程度的不斷提高，政府部門已經(jīng)制定了完善的提升非石化能源使用的措施。由于我國現(xiàn)階段的非石化能源在社會能源消耗中所占有的比重僅為8.3%，所以必須加大可再生能源領(lǐng)域研究的力度，才能在確保社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)保護生態(tài)環(huán)境的目的。針對小型水電站采取的增效擴容手段，不僅不需要進行大量的移民搬遷，而且也減少了生態(tài)環(huán)境的壓力，其開發(fā)成本與電能的質(zhì)量等與風(fēng)能、太陽能等可再生資源相比質(zhì)量也相對更高。因此，全面實施小型水電站增效擴容，對于水電能源利用效率的提升具有極為重要的意義。隨著國家針對小型水電站增效擴容改造相關(guān)工作的開展，小型水電站增效擴容改造的全面升級，有效提升水能資源利用效率，保護了原有的河流生態(tài)環(huán)境，消除了公共安全隱患，保證當(dāng)?shù)鼐用裆钏降姆€(wěn)步提升。

3、小型水電站增效擴容改造的基本原則

3.1分析經(jīng)濟效益

在進行小型水電站增效擴容改造的過程中，必須對改造成本問題予以充分的重視。根據(jù)小型水電站經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，制定切實可行的改造計劃。確保小型水電站增效擴容改造的投資在最短的時間內(nèi)收回，實現(xiàn)了促進小型水電站經(jīng)濟效益穩(wěn)步提升的目的。

3.2環(huán)境效益

首先，經(jīng)過更新改造后的小型水電站，不僅自身發(fā)電量大幅增加，而且還有助于火力發(fā)電煤炭消耗量的下降，降低了二氧化硫、二氧化碳、粉塵等污染物的排放量，促進了環(huán)境保護效率的提升；其次，小型水電站的增效擴容改造，促進了流域內(nèi)水資源調(diào)度效率的提升，改善了河流生態(tài)環(huán)境，協(xié)調(diào)了發(fā)電、防洪、灌溉等各方面之間的關(guān)系，為人類與自然界的和諧發(fā)展創(chuàng)造了良好的氛圍。

3.3可行政策

不同水電站的實際情況，只有實際的操作人員了解和掌握。所以，在針對小型水電站進行增效擴容改造時，必須以小型水電站工作人員的思路和方法為基礎(chǔ)制定相應(yīng)的改造方案。如遇工作人員無法解決的問題時，必須及時的尋求相關(guān)單位的幫助。另外，提升小型水電站工作人員專業(yè)知識培訓(xùn)的力度，促進其專業(yè)技術(shù)水平和綜合素質(zhì)的全面提升，是當(dāng)前應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注的一大問題，只有自身的專業(yè)技能的提升，才能為后期水電站的維修與養(yǎng)護工作做好充分的準備。

3.4強調(diào)適用技術(shù)

水電站設(shè)備生產(chǎn)廠家的不同，其設(shè)計方式和理念也必然存在一定的差異。所以，在進行小型水電站進行增效擴容改造的過程中，不可避免的就會出現(xiàn)同樣設(shè)備技術(shù)狀態(tài)不同的現(xiàn)象。再加上技術(shù)人員自身對技術(shù)判斷的標準也存在一定的差異，所以，必須嚴格的按照實際需要選擇符合要求的水電設(shè)備，才能避免因為設(shè)備選擇不合理而導(dǎo)致資源浪費現(xiàn)象的發(fā)生。

4、小型水電站增效擴容改造技術(shù)要點研究

4.1對變配電設(shè)備進行優(yōu)化改造，提高技術(shù)

一般情況下，針對小型水電站變配電設(shè)備的改造主要涉及到斷路器、變壓器、互感器、隔離開關(guān)、組合電器等相關(guān)的設(shè)備。通過分析相關(guān)設(shè)備的運行狀況濃厚發(fā)現(xiàn)，針對變配電設(shè)備進行的增效擴容改造升級，不僅有助于設(shè)備運行效率的全面提升，而且也滿足了節(jié)能環(huán)保方面的要求。比如，根據(jù)節(jié)能環(huán)保的要求，選擇節(jié)能環(huán)保性能突出的低能耗變壓器，這種變壓器最大的特點就是其在實際運行過程中的噪音較小。如果外部條件允許，可以將傳統(tǒng)的斷路器改為無油型高壓斷路器，為小型水電站運行效率的提升提供可靠的技術(shù)支持。

4.2對發(fā)電機組進行改造，提高電氣設(shè)備性能

4.2.1水輪機引用流量

水輪機引用量作為發(fā)電機組運行效率的重要參數(shù)，其與水輪機轉(zhuǎn)輪和流道過流能力之間有著極為密切的聯(lián)系。由于針對小型水電站進行的增效擴容增效擴容改造，雖然會對主要機電設(shè)備進行改造，但是像土建結(jié)構(gòu)、水輪機轉(zhuǎn)輪直徑、流道尺寸等各方面一般是不能改變的。所以，為了增加水輪機引用流量就只能采取提高水輪機單位流量的方式，目前的水電站水輪機，大多都是上世紀的產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)輪性能以及過流能力，與現(xiàn)階段的新型轉(zhuǎn)輪相比之間存在著較大的差距。因此，更換轉(zhuǎn)輪，是水輪機單位流量有效提升的重要手段之一。但是，水電站在實際運行的過程中，因為引用流量的增加導(dǎo)致流道損失值的增加，最終影響到水輪機利用效率以及穩(wěn)定性的下降。

4.2.2水電站水頭

水電站的水頭，主要是由水電站上下游水位差減去流道損失后得出的，而水位差則由水庫蓄水水位以及下游河床地形所決定。所以，一般情況下水位差是無法提升的，再加上流道水頭損失與流道尺寸和粗糙度之間有著密不可分的聯(lián)系，所以在水工部分和流道值不發(fā)生改變的前提下，如果進行機組擴容擴容則勢必因為引用流量的增加而導(dǎo)致流道損失的增加，最終使得水輪機發(fā)電水頭的下降。

4.2.3機組效率

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，水電建設(shè)領(lǐng)域也進入了高速發(fā)展的階段。而水輪機模型開發(fā)與引進力度的進一步加強，使得一大批高效的轉(zhuǎn)輪被應(yīng)用于水電工程建設(shè)中，使得水輪機的運行效率提升了大約5-10%左右。所以，就目前而言，使用性能優(yōu)越的新型轉(zhuǎn)輪，是小型水電站增效擴容最直接有效的方法之一。在針對小型水電站增效擴容增效擴容改造時，由于水輪機的蝸殼與尾水管等部件的尺寸是無法改變的，所以，在換算水輪機功率時，必須對這方面因素予以充分的重視。一般情況下，原有機組的尾水管高度與轉(zhuǎn)輪直徑的比值為2.3作用，而新的模型由于提升了尾水管的動能回收，因此其實際的比值往往大于2.3.因此，在效率換算的過程中必須將這部分影響予以扣除，以確保增效擴容后小型水電站發(fā)電機組運行效率的全面提升。

4.2.4機組尺寸的適應(yīng)性

針對小型水電站進行的增效擴容最直接有效的方式就是直接更換水輪機轉(zhuǎn)輪和發(fā)電機。但是由于不同型號的轉(zhuǎn)輪和發(fā)電機其外形尺寸也存在一定的差異，再加上土建部分是無法改變的，如果更換新的部件就會出現(xiàn)與原結(jié)構(gòu)無法吻合的現(xiàn)象。所以，在進行選型水電站增效擴容改造時，必須對新舊設(shè)備部件的外形尺寸進行全面的復(fù)核。比如，常用的軸流式水輪機可以通過優(yōu)化水輪機葉片，減小水輪機輪轂直徑的方式促進其過流能力的提升。而針對混流式水輪機的改造則必須對模型導(dǎo)葉高度、導(dǎo)葉分布原尺寸、葉輪高度等相關(guān)參數(shù)進行全面的分析與對比，確保其盡可能的接近現(xiàn)有輪轉(zhuǎn)模型，此案有效的降低水流撞擊、容積損失等各方面因素對機組運行效率所產(chǎn)生的影響。另外，在針對小型臥式機組進行增效擴容改造時，為了確保其與原設(shè)備之間的相互配合，大多采取更換水靈和發(fā)電機的方式進行。

4.2.5附屬設(shè)備和輔助設(shè)備

在進行小型水電站增效擴容改造的過程中，機組增容勢必會導(dǎo)致進水蝶閥過流的增加，所以，為了徹底解決這一問題，必須根據(jù)經(jīng)濟技術(shù)分析的結(jié)果決定是否有必要更換蝶閥。另外，由于機組增容導(dǎo)致調(diào)速功率的增加，所以，必須確保原有調(diào)速器滿足增效擴容后的調(diào)速要求，以確保發(fā)電機組的正常運行不受影響。

4.3配置自動化控制系統(tǒng)

自動化控制系統(tǒng)的構(gòu)建是小型水電站增效擴容改造的重要內(nèi)容之一。一般情況下，自動化控制系統(tǒng)所采用的計算機網(wǎng)絡(luò)主要以以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)為主，而微機保護裝置、微機調(diào)速器、可編程控制器等都是其最重要的組成部分。微機調(diào)速器所采用的高油壓可編程控制器不僅有助于調(diào)節(jié)精度的提升，而且也避免了燃油的大量浪費。儲能罐采用的高壓氮氣罐則實現(xiàn)了降低成本投入，促進小型水電站運行效率提升的目的。

4.5現(xiàn)有建筑物的質(zhì)量管理措施

定期的進行進水口攔污柵的清污、檢查水閘啟閉設(shè)備，為發(fā)電機組的正常運行奠定良好的基礎(chǔ)。在進行電站廠房定期檢查的過程中，必須確保相關(guān)設(shè)備的正常穩(wěn)定運行，同時嚴密的觀測擋水墻體是否存在裂縫問題，如果在檢查過程中發(fā)現(xiàn)擋水墻體出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，必須及時的進行修補。針對廠房內(nèi)鋼屋架、吊車梁等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位必須制定完善的檢查制度，如果在檢查過程中發(fā)現(xiàn)裂縫、滲漏等不利于結(jié)構(gòu)安全的隱患，則應(yīng)該根據(jù)實際檢查的情況進行處理和解決，確保發(fā)電設(shè)備的正常運行不受影響。另外，針對離心桿等發(fā)電站基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)則應(yīng)該制定相應(yīng)的危害與檢查制度，密切的關(guān)注其是否存在不均勻沉陷、裂縫等問題，如果發(fā)現(xiàn)存在安全隱患，應(yīng)立即采取措施進行修復(fù)。

結(jié)束語

綜上，針對小型水電站進行的增效擴容增效擴容改造，不僅促進了水電站經(jīng)濟效益、水能綜合利用效率的全面提升，而且也滿足了保護生態(tài)環(huán)境的目的。所以，必須加強小型水電站增效擴容增效擴容改造研究的力度，才能實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

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作者簡介：王立松（1981.05-），女，碩士，高級工程師，研究方向：水工建筑物結(jié)構(gòu)工程研究。