東風水電站增效擴容水能復核及技改方案探討

劉軍偉

（新疆伊犁州水利電力勘測設計研究院，新疆 伊寧835000）

0 引言

小水電作為一種清潔可再生能源，對于農(nóng)村新興經(jīng)濟體發(fā)展有著重要的助力作用。據(jù)有關數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，現(xiàn)階段國內(nèi)已投入使用的中小型水電站數(shù)量超過4.7×104座，年發(fā)電量也超過了2683×108kW·h，對支持地方建設發(fā)揮著重要的能源載體作用。然而，受當時建設技術條件和設備因素以及后期管理維護等方面的影響，2000前建成的小水電當中，大多存在技術水平落后、設備老化嚴重、產(chǎn)能效率低下、安全管理要求不達標等問題，極大地造成了水資源的浪費，同時在安全和經(jīng)濟效益方面也有很大的缺陷，急需進行升級改造。本文以東風水電站為例，對其進行擴容增效水能復核并提出體改方案。

1 工程概況

東風水電站位于新疆鞏留縣境內(nèi)縣城以東11 km，阿尕爾森鄉(xiāng)二道灣村。該電站始建于1985年5月，1987年8月投入運行。發(fā)電機出口電壓為6.3 kV，電站并網(wǎng)電壓等級110 kV，聯(lián)網(wǎng)到鞏留縣三鄉(xiāng)220 kV變電站。水電站自特克斯河恰甫其海山口引水，利用團結渠，在干渠樁號13 km處引水發(fā)電，尾水退北支干灌區(qū)，多余水量退東風排干，泄入伊犁河，是一項灌溉結合發(fā)電的綜合性工程。水電站發(fā)電機機組共三組（1#～3#），總裝機容量為4500 kW，其中1#～2#裝機容量為2×1250 kW，機組水頭為32.344 m；3#裝機容量為2000 kW，機組水頭為35.543 m。水電站機電設備為20世紀80年代產(chǎn)品，技術水平落后，產(chǎn)品陳舊老化，機組效率偏低，安全隱患偏高，不符合現(xiàn)代水電站綜合信息自動化管理需求，需通過增效擴容把機電設備更換為新式產(chǎn)品。

受到原有輸水系統(tǒng)、地質(zhì)條件、廠房結構、發(fā)電機組安裝高度等條件的影響，東風水電站增效擴容需要結合實際條件，在達到增效擴容改造目的的前提下，著重做好水能復核確定擴容幅度、機組選型以及機型適應性分析等內(nèi)容，保證升級改造后的發(fā)電機組具有很好的適應性，滿足發(fā)電站運行經(jīng)濟性。

2 水能復核及確定擴容幅度

2.1 水能復核

徑流計算對于水力效益發(fā)揮、水電站建筑物布置及結構優(yōu)化有著重要的意義，水電站增效擴容改造工程中，也可結合水電站多年發(fā)電量反算獲得發(fā)電引用流量。發(fā)電引用流量Qi函數(shù)表達式為[1～3]：

選取1989年～2014年26年過流量資料進行水能復核，其年均過流量為10.058 m3/s。電站多年平均發(fā)電量為3168.2萬kW·h，年利用小時數(shù)7040 h。將相關數(shù)據(jù)帶入式（1）進行引用流量反算，得到以下四個方面結果：①1#～2#機組實際運行水頭低于其設計水頭32.3 m3/s，且3#機組運行水頭也長期低于設計水頭，水電站機組長期在非高效工況區(qū)運行，運行效率偏低；②發(fā)電機組綜合出力系數(shù)在7.12～7.83，滿足設計要求，但經(jīng)過升級改造之后機組整體效率最高可以達到88%，出力系數(shù)平均可以達到8.5，原機組綜合出力情況不佳，升級改造后效益顯著；③電站多年平均發(fā)電量為3168.2萬kW·h，年利用小時數(shù)7040 h。年利用小時數(shù)較長，而水電站現(xiàn)狀裝機容量則明顯不足，水能利用效率低，具有較好的擴容潛力；④反算得到，同期發(fā)電引水發(fā)電流量小于電站上游過流量，表明反算結果數(shù)據(jù)可靠[4]。水電站豐水期棄水量達到了0.85 m3/s，具有較大的擴容空間。

2.2 裝機容量選取

將東風水電站多年平均引流量-頻率關系與豐水年引水流量-頻率關系進行頻率組合，得到其發(fā)電流量日平均流量歷時關系。根據(jù)東風水電站工程運行特性，計算水電站機組來水逐月水能，進而得到水電站機組裝機容量分別與多年平均發(fā)電量以及年利用小時數(shù)的關系曲線，見圖1。為確定最優(yōu)裝機容量數(shù)值，需通過曲線關系獲得裝機容量和發(fā)電量之間的最佳組合[5～6]。求解過程是獲得曲線的反曲線點，由圖1可知，在裝機容量為5500 kW時出現(xiàn)拐點，此值就是東風水電站的最佳裝機方案。根據(jù)相關要求，農(nóng)村水電增效擴容要求水工建筑物基本不動，因此需要在3臺發(fā)電機組上進行升級改造。經(jīng)過水能計算，電站進水閘、壓力前池、壓力水管等水工建筑物過水能力復核，裝機容量在5400 kW～5700 kW水能利用效率最高。

根據(jù)實際運行情況，擬把（1#～2#）機組由原來的2×1250 kW增至2×1500kW。3#機組由原來的1×2000kW增至1×2500kW，使總裝機達到2×1500 kW+1×2500 kW=5500 kW。電站多年平均發(fā)電量為3168.2萬kW·h，年利用小時數(shù)7040 h，通過增效擴容后年理論發(fā)電量為4266萬kW·h，年利用小時數(shù)7756 h，可增加發(fā)電量1097.8萬kW·h。

圖1 東風水電站水能特性曲線

3 水電站發(fā)電機型選擇

3.1 額定水頭

通過增效擴容進一步核算，設計流量由原來的17.5 m3/s，增至為 19.5 m3/s。（1#～2#）機組水頭原為32.344 m，現(xiàn)為33.374 m；3#機組水頭原為35.543 m，現(xiàn)為35.678 m。

3.2 機組增效擴容型號及參數(shù)

（1）1#、2#機組增容改造轉輪。該電站原水輪機型號為HL240-WJ-84，海拔高度900 m?，F(xiàn)擬對水輪機進行增容改造，升級1#-2#機組水頭為33.374 m，流量為5.6 m3/s，改造后發(fā)電機的出力能達到1500 kW。根據(jù)HL240的導葉相對高度b0/D1=0.365，可以替代的轉輪型號方案有三種，見表1。方案比選分析可知，方案三在最高模型效率、真機效率、最大過流量等方面都具有較高優(yōu)勢，因此1#、2#機組建議更換轉輪為HL3605C-WJ-84，轉輪材質(zhì)為ZG06Cr13Ni5Mo。

表1 設計水頭為33.374m時1#～2#機組轉輪型號方案

（2）3#機組增容改造轉輪。電站3#機組原水輪機型號為HLA551-WJ-100，海拔高度900 m，現(xiàn)擬對水輪機進行增容改造，升級3#機組水頭為35.678 m，流量為8.28 m3/s，改造后發(fā)電機的出力能達到2500 kW。HLA551導葉相對高度為0.304，可替代的轉輪型號方案有一種，將之與原方案對比見表2。由表2可知，新方案中最大過流量時發(fā)電機出力有明顯增加，建議3#機組選擇HLA551C-WJ-100型號水輪機。

表2 設計水頭為35.678m時

3.3 調(diào)節(jié)保障計算

1#、2#機組吸出高度為1.3 m，調(diào)速器建議采用分段關閉措施，第一段關閉時間4 s，第二段關閉時間10 s，壓力和速率均上升49%，滿足要求。3#機組吸出高度為1.8 m，調(diào)速器關閉時間4.5 s，壓力和速率均上升50%，可滿足要求。

4 結語

東風水電站始建于上世紀九十年代，現(xiàn)階段存在水能利用率低、發(fā)電效益差、設備老化等問題。通過水能復核得到東風水電站具有較大的可擴容空間，但受水工建筑物的影響，確定電站裝機容量為5500 kW（2×1500 kW+1×2500 kW）。電站裝機容量增加1000 kW，多年平均發(fā)電量理論增加1097.8 kW·h，年利用小時數(shù)增加716 h，大幅提高了水能利用和運行經(jīng)濟效益。優(yōu)選的1#、2#機組轉輪為HL3605C-WJ-84，3#機組水輪機型號選擇HLA551C-WJ-100，運行效率高，可提高發(fā)電運行的增效電量和滿足電站高效調(diào)節(jié)運行需求，具有較強的匹配性和適應性。