小型水電站增效擴(kuò)容改造分析

黃毓瑄

(廣東省梅州市蕉嶺縣水利水電工程管理中心，廣東 蕉嶺 514100)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的電力需求也在不斷攀升，但由于大多數(shù)水電站建于20世紀(jì)七、八十年代，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，且受當(dāng)時(shí)制造水平、工藝及設(shè)計(jì)水平的限制，小水電站的設(shè)備相對(duì)比較落后，效率偏低，影響力水電站的健康發(fā)展。該水電站建于上世紀(jì)70年代初，坐落在廣東省石窟河中游，是一座引水徑流式電站,額定發(fā)電量3×800 km，設(shè)計(jì)水頭29.5 m，設(shè)計(jì)導(dǎo)流流量12.0 m3/s，年發(fā)電量理論值為1200萬km·h。

1 水電站運(yùn)行現(xiàn)狀

由于電站在建設(shè)時(shí)受到施工技術(shù)和資金的限制，加之水輪發(fā)電機(jī)組和電氣設(shè)備制造水平低，電站設(shè)備技術(shù)條件相對(duì)落后，自動(dòng)化程度不高。隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，電站逐漸出現(xiàn)了各種各樣的問題:

(1)日常運(yùn)行中，由于裝機(jī)規(guī)模的限制，水能資源不能得到充分利用。目標(biāo)水電站所在水域河道流量均值達(dá)到了18.6 m3/s，但發(fā)電設(shè)備允許的最大水流量值卻僅為12 m3/s，造成了大量水能資源的浪費(fèi)。

（2）水電站建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)水頭為29.5 m，水輪機(jī)型號(hào)為HL120-WJ-71，但根據(jù)水輪機(jī)型譜表顯示HL120型號(hào)的水輪機(jī)使用水頭應(yīng)為180 m~250 m，所以機(jī)組運(yùn)行范圍達(dá)不到理論值，造成工作效率低下，不具有穩(wěn)定性；隨曾經(jīng)對(duì)水電站有關(guān)設(shè)備進(jìn)行過適當(dāng)改造，但選用的設(shè)備型號(hào)（GG-1A、PGL-1、S7變壓器等）仍舊比較落后、安全隱患較多，并且不具備自動(dòng)化功能。

（3）水輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行導(dǎo)致設(shè)備機(jī)械老化，轉(zhuǎn)軸部件磨損嚴(yán)重，加之外界因素的腐蝕，使得水輪機(jī)導(dǎo)葉出現(xiàn)了大量的漏水現(xiàn)象，油氣水系統(tǒng)也遭到嚴(yán)重?fù)p壞，致使電站產(chǎn)能低下。

2 水電站改造

2.1 確立裝機(jī)方案

經(jīng)過對(duì)水電站所在流域的水文參數(shù)和電站動(dòng)能指標(biāo)的詳細(xì)分析后，確立改建后水電站水頭為28.2 m，結(jié)合目前水電站的設(shè)備設(shè)施和預(yù)算，制定裝機(jī)方案。

裝機(jī)方案一:根據(jù)現(xiàn)有工程，將廠房?jī)?nèi)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)容改造，選擇裝機(jī)容量為3000 kW。

裝機(jī)方案二:利用現(xiàn)有擋水建筑物重建部分引水和輸水建筑，并對(duì)重建廠房擴(kuò)建和改建，選擇裝機(jī)容量4800 kW。

安裝方案三:對(duì)所有水工建筑物進(jìn)行綜合改造，最大限度利用水能，進(jìn)行裝機(jī)容量6000 kW的擴(kuò)建改造。

將以上三種方案進(jìn)行對(duì)比分析，見表1，綜合考慮電站擴(kuò)容改建施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和方案的優(yōu)缺點(diǎn)等因素，本次擴(kuò)容改造選取方案二，即進(jìn)行裝機(jī)容量4800kW改造。

2.2 水輪機(jī)選型

改造后仍選用單臺(tái)容量為1600kW的3臺(tái)臥軸混流機(jī)組。結(jié)合混流式水輪機(jī)機(jī)組的現(xiàn)有資料，初步考慮HLA551、HLA551C、HL240、HLA286、HLA208 等五種機(jī)組型號(hào)，水輪機(jī)模型參數(shù)見表2，水輪機(jī)選型計(jì)算參數(shù)見表3。

依照表3中的數(shù)據(jù)可知：5中設(shè)備機(jī)型中，A551C、A208兩個(gè)機(jī)型未達(dá)到額定輸出，而且效率低，其余三種機(jī)型中，HLA551的效率最高，空化系數(shù)與轉(zhuǎn)輪直徑最小。綜合考慮，本次擴(kuò)容改造推薦使用HLA551型和HLA551-WJ-100型水輪機(jī)。

2.3 電氣設(shè)備改造及選型

根據(jù)先進(jìn)技術(shù)、安全可靠、資金投入及收益等因素，電氣設(shè)備的改造以及選型應(yīng)符合日常工作、維護(hù)及收益方面的需求，應(yīng)首先考慮設(shè)備的節(jié)能環(huán)保、安全穩(wěn)定等原則，此外還要注意設(shè)備的防火性能以及無油化[1]。

表1 水電站裝機(jī)容量方案對(duì)比表

表2 水輪機(jī)模型參數(shù)

表3 水輪機(jī)選型計(jì)算參數(shù)

（1）發(fā)電機(jī):選用SFW1600-12/2150改進(jìn)型發(fā)電機(jī)，額定容量為2000 kV·A，出口電壓為6.3 kV，額定轉(zhuǎn)速為428.6 r/min，線圈絕緣等級(jí)為f級(jí)。

（2）變壓器：變電所變壓器采用新的節(jié)能環(huán)保設(shè)備，主變壓器型號(hào)為S11-6300 kV·A，布置在原室外變電所。輔助變壓器類型為SCB11-160 kV·A，安裝位置設(shè)立在配電室，另外需要在戶外變電站設(shè)置一臺(tái)相同型號(hào)的變壓器作為備用。

（3）6.3 kV開關(guān)柜:水電站當(dāng)前所使用的開關(guān)柜是GG-1A開放式開關(guān)柜，其防護(hù)等級(jí)達(dá)不到改造要求，而且目前均已遭到不同程度的損壞。因此在進(jìn)行擴(kuò)容改造時(shí)需要更換所有的開關(guān)柜，開關(guān)柜選用KYN28-12(Z)封閉式高壓集成開關(guān)柜[2]，柜內(nèi)安裝具有多種防護(hù)功能的VS1-12真空斷路器。

2.4 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)水電站的自動(dòng)化監(jiān)控功能，減少人工浪費(fèi)，并提升電站的管理工作效率，擴(kuò)容改建后的水電站將采用自動(dòng)化計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試設(shè)置后，可對(duì)水電站的運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)錯(cuò)等進(jìn)行及時(shí)有效的管理。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由兩層組成：電站控制層和LCU層[3]，通過光纜和以太網(wǎng)交換機(jī)組成的以太網(wǎng)進(jìn)行有機(jī)連接。電站的控制層由主機(jī)、工作站以及不間斷電源等組成，電站控制層主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各項(xiàng)LCU工作，收集相關(guān)信息，并進(jìn)行相應(yīng)的處理和存儲(chǔ)。自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行必要的修改、設(shè)置。LCU層（本地控制單元）是系統(tǒng)中的核心基礎(chǔ)，由三套機(jī)組本地控制單元、一套開關(guān)本地控制單元以及一套公共控制單元組成。

水電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要功能是：①對(duì)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、處理，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行安全監(jiān)控以及調(diào)試，并對(duì)水電站運(yùn)行中的各種事件進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄；②對(duì)設(shè)備進(jìn)行自主診斷和故障修復(fù)，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)非系統(tǒng)問題時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)指導(dǎo)操作人員對(duì)故障進(jìn)行排除、維修；③監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)管理等功能。

3 結(jié)論

隨著設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)水平的提高，電站完全可以按照少人值守的模式進(jìn)行運(yùn)行管理，通過對(duì)以往落后設(shè)備的改造徹底解決安全生產(chǎn)的各種隱患，提高電站安全運(yùn)行水平和綜合能效水平，促進(jìn)水電站科技進(jìn)步。電站改造中，可以采取許多技術(shù)措施提高小型水電站能效和擴(kuò)大發(fā)電能力；實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)水電站的規(guī)模和水文條件，以及不同產(chǎn)品的特點(diǎn)，制定技術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)提高單機(jī)容量、水電站效率、水資源利用率的目的。