小水電站增容改造研究

黃杰峰

摘要：利用先進技術(shù)對農(nóng)村小水電進行技術(shù)更新改造，用先進工藝和裝備代替落后工藝和裝備，是農(nóng)村小水電全面提高經(jīng)濟效益的有效手段。本次增容改造主要解決機組老化、裝機出力不足。在充分利用原水電站基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，對水輪發(fā)電機組及其輔助設(shè)備、發(fā)電機、電氣一次設(shè)備、電氣二次設(shè)備進行改造，有利于更好的發(fā)揮清潔能源優(yōu)勢下，極大地提高了鄉(xiāng)村小水電站的安全性和經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：小水電站;技術(shù)改造;增效擴容

中圖分類號：TM312 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2019）015-0376-02

引言

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源，水電不僅是可再生、環(huán)境友好型的發(fā)電方式，而且對減少二氧化碳排放和大氣污染，防止全球氣候變暖有積極作用。目前水資源開發(fā)已處于較高的水平，資源可開發(fā)增量和潛力十分有限。所以水電開發(fā)的工作重心已從大規(guī)模的開發(fā)利用逐步向轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾曎Y源的高效利用。目前，大量早期建成的水電站設(shè)備已經(jīng)達到或超過折舊年限，存在機電設(shè)備老化、達不到設(shè)計出力、設(shè)備技術(shù)落后、能耗高、電站運行自動化水平低等問題，現(xiàn)階段應(yīng)在積極推進農(nóng)村建設(shè)的同時，進一步加快農(nóng)村水電站改造。

一、水力機械現(xiàn)狀分析及評估

1.水輪發(fā)電機

本文所涉及的水電站于1996年投產(chǎn)，采用的是轉(zhuǎn)輪性能較低的HA253型水輪機，額定出力點效率為87.3%。根據(jù)電站管理人員2014-2018年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，機組效率僅為69.7%～78.72%，額定工況下的機組出力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到額定值。經(jīng)分析，本電站機組出力不足的主要原因有以下兩個方面：一是長期運行后水輪機轉(zhuǎn)輪葉片、上下迷宮間隙導(dǎo)葉發(fā)生空蝕，漏水量大;二是葉片翼型變形嚴(yán)重，造成水輪機效率進一步降低。

2.進水主閥

DN700進水主閥投運多年后故障率高，運行維護成本高，運行中發(fā)生多起儲油箱密封盤根破損、活塞和彈簧斷裂，運行中多次發(fā)生主閥關(guān)不到位造成漏水等缺陷。

3.調(diào)速系統(tǒng)

本電站調(diào)速系統(tǒng)為GKI-600高油壓可編程調(diào)速器，該設(shè)備已老化存在著響應(yīng)速度較慢，油污發(fā)卡，部分機械部件磨損比較厲害，沒有安全保護措施等問題，存在安全運行隱患。

4.廠內(nèi)起重設(shè)備

本電站廠內(nèi)起重設(shè)備采用10t起重機，已使用20年，電氣系統(tǒng)絕緣老化、控制系統(tǒng)可靠性低、機械系統(tǒng)齒輪及剎車磨損嚴(yán)重、剎車可靠性低，急需對起重機電氣、剎車及控制系統(tǒng)進行改造

5.機組油、水、氣系統(tǒng)

本電站設(shè)有機組透平油和絕緣油系統(tǒng)，設(shè)備老化，管路出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，需更換。采用的是自流集中供水方式，主閥前壓力鋼管取水，經(jīng)濾水器過濾后送至主供水管的集中供水方式。供水總管口徑DN100mm，各個機組供水主管口徑DN100m。部分管路銹蝕老化壓力表、示流器等監(jiān)測設(shè)備不能滿足機組自動化改造要求。

本電站采用檢修排水和滲漏排水相結(jié)合方式，設(shè)有廠內(nèi)集水井，廠房各部滲漏排水均引至集水井后排出，水泵啟停由YW-67-01電磁式液位信號器控制，檢修時則由連接至尾水管底部的管路直接連至水泵人工啟動直接排出。在集水井125.52m高程出設(shè)有兩臺檢修滲漏排水泵，經(jīng)過多年的運行，機墩預(yù)埋冷卻水管堵塞，水泵、閥門及部分管路老化銹蝕嚴(yán)重，且電磁式液位信號器及壓力表等監(jiān)測設(shè)備不能滿足機組自動化改造要求

本電站設(shè)有高低壓空氣系統(tǒng)，高壓氣系統(tǒng)滿足調(diào)速器及蝶閥油壓裝置補氣，低壓氣系統(tǒng)滿足機組制動及吹掃用氣要求。壓力表等監(jiān)測設(shè)備不能滿足機組自動化改造要求

6.水輪機測量系統(tǒng)

本電站水輪機測量系統(tǒng)包括尾水管進口、轉(zhuǎn)輪上腔、水導(dǎo)軸承、主軸密封、蝸殼等的壓力測量，原使用的普通壓力表和壓力真空表不能滿足機組自動化改造要求。

7.電氣相關(guān)設(shè)備

電站裝設(shè)1臺型號為SFW20008/14306.3kV的臥式發(fā)電機組，目前機組存在問題有：定子繞組存在溫度高，老化嚴(yán)重，部分槽鍥松動，滲油造成絕緣電阻低，定子溫度測點少;轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻偏低，磁極松動等問題，目前水輪發(fā)電機組仍帶病運行，存在安全隱患。

電站主變壓器型號為早期SJL及s7產(chǎn)品，存在損耗較大，抗短路能力差，運行溫度高，滲油嚴(yán)重等缺陷;且兩臺主變?nèi)萘考白杩闺妷翰煌?，不滿足變壓器并聯(lián)運行條件。

廠用電源由臨近廠房低壓母線引接，饋線回路采用熔斷器保護，元器件老化嚴(yán)重，使空氣開關(guān)的容量已無法滿足回路正常工作要求，經(jīng)常發(fā)生誤跳，饋線回路采用熔斷器在實際應(yīng)用中操作繁瑣，同時敞開式屏柜易受灰塵和潮氣的影響降低絕緣水平，柜體防護等級低，不利于安全生產(chǎn)。

二、增效擴容改造的必要性

本電站現(xiàn)有機組及附屬機電設(shè)備運行至今已有20余年，運行工況差設(shè)備故障率高、設(shè)備老化嚴(yán)重、設(shè)備效率低下、自動化程度低，不良現(xiàn)狀已經(jīng)嚴(yán)重影響電站的安全運行。為了提高電站股備運行的效率、安全性、可靠性，并提高自動化程度，實現(xiàn)微機監(jiān)控，確保環(huán)保、低能耗、高質(zhì)量電能，有必要對電站進行全面的增效改造，以保證電站機電設(shè)備安全穩(wěn)定運行。根據(jù)電站統(tǒng)計數(shù)據(jù)，電站近三年（2013-2015）年平均發(fā)電量僅為750萬KW.h，經(jīng)增效擴容改造后，電站多年平發(fā)電量可增加至910萬KW.h，比近三年平均發(fā)電量增加160萬KW.h，可增效21.33%。因此，對本電站進行增容技改既提能高設(shè)備安全系數(shù)，又能保障電站安全運行。

三、裝機容量的選擇

1.水輪機機型選擇

經(jīng)過水文專業(yè)對電站運行參數(shù)的復(fù)核，本電站的水頭范圍為90m～95m，額定水頭91.7m，在電站引水系統(tǒng)、水輪機固定過部件（如蝸殼、座環(huán)、尾水管等）、水輪機安裝高程和導(dǎo)葉高度等基本不變的條件下，在不改變原引水流道和廠房主要結(jié)構(gòu)尺寸前提下，選用HLA855-WJ-65型水輪機，其設(shè)計點效率最高可達93.18%，高效區(qū)較寬。汽蝕性能良好。

2.水輪機吸出高度Hs和安裝高程▽的復(fù)核

混流式機組的安裝高程由兩個條件決定：其一滿足水輪機汽蝕的要求，其二要滿足尾水管出口的淹沒深度≥0.5m的要求。經(jīng)過計算增效擴容技改后的電站的吸出高度為+4.4m（轉(zhuǎn)輪中心線），保持安裝高程為▽126.9m不變，能滿足水輪機汽蝕的要求;技改后的額定流量為2.4m/s，與原機組的額定流量2.7m/s相近，尾水位變幅很小，故能滿足淹沒深度的要求（尾水管出口高程為▽124.21m）。因此，保持機組的安裝高程為▽126.9m不變。

3.水輪機機組調(diào)節(jié)保證計算

根據(jù)電站樞紐總體布置和電氣主接線，調(diào)節(jié)保證計算的結(jié)果如下：當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量GD²≥3.2t·m²，導(dǎo)葉直線關(guān)閉時間取4秒時：額定水頭下機組甩全負(fù)荷時，最大轉(zhuǎn)速上升值為36.3%<50%，最大水頭工況下甩全負(fù)荷時，蝸殼最大壓力上升率為18.0%，蝸殼末端最大壓力上升值約為16.5m，尾水管最大真空值為5.2m，各數(shù)值均符合規(guī)范要求。

4.水導(dǎo)機構(gòu)磨損、空蝕嚴(yán)重，導(dǎo)水葉端面間隙漏水量大，存在安全隱患，本次改造需更換。

關(guān)于其他輔助設(shè)備改造列表如表1：

四、結(jié)語

本次增容技改主要針對解決機組老化、裝機出力不足問題，根據(jù)發(fā)電水頭、機坑尺寸、引水系統(tǒng)引水能力等基礎(chǔ)設(shè)施情況，在充分利用可用基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上進行裝機容量選擇，對包括水輪發(fā)電機組及輔助設(shè)備、發(fā)電機、電氣一次設(shè)備、電氣二次設(shè)備進行改造。經(jīng)增效擴容改造后，平均每年可增加發(fā)電量160萬KW，可使電力系統(tǒng)節(jié)約標(biāo)煤約640.0t/年，減少二氧化碳排放量約1595.2t/年，減少二氧化硫排放量約48.0t/年，有利于更好利用原硬件投入發(fā)揮清潔能源優(yōu)勢，極大地提高了農(nóng)村水電站的安全性和經(jīng)濟性。