基于全生命周期的水輪機導水機構(gòu)改造費用計算方法與應用

胡雄峰，劉 峰，鄭應霞，黃靖乾

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122；2.浙江浙能北海水力發(fā)電有限公司，杭州 310014)

0 引 言

近年來國內(nèi)投運30年左右的水電站已經(jīng)陸續(xù)進入到技術(shù)改造的周期內(nèi)，且由于建設期的設備缺陷、設備故障、與現(xiàn)行規(guī)范不符等原因，部分2000年以后投產(chǎn)的水電站也已陸續(xù)開始進行技術(shù)改造工作[1]。但是，由于水電行業(yè)內(nèi)關(guān)于技術(shù)改造的規(guī)范較少，各個水電站均是根據(jù)運行維護經(jīng)驗來開展相關(guān)技改工作，以消除設備故障、缺陷、安全隱患為目的，缺乏整體規(guī)劃和通盤考慮，普遍存在“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的問題。文獻[2]指出，“傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機組檢修方式有定期檢修、狀態(tài)檢修或預知性檢修。定期檢修，單純以時間間隔為依據(jù)對設備進行檢修，容易產(chǎn)生過度維修，造成人力、財力、物力的浪費，甚至還會引發(fā)維修故障?！贝送?，部分水電站在改造方案的選擇上只顧眼前利益，比如為了“省錢”，而選擇一次性投資低、但改造效果一般的方案，雖然短期內(nèi)能基本解決問題，但往往幾年后又要面臨再次改造的困境。最終導致部分水電站的改造工作普遍存在改造效果差、多輪次反復改造等問題，造成嚴重的資源浪費。因此，為了確保電站的改造投入能達到較好的效果，有必要從全生命周期的角度來進行方案擬定、成本費用分析與核算[3-7]，經(jīng)過詳細對比后，最終遴選出最優(yōu)的改造方案。

1 電站概況

某水電站是20世紀50年代開始建設的一座大型水力發(fā)電站。建成初期的總裝機為662.5 MW，設計年均發(fā)電量18.6 億kWh。電廠在電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、系統(tǒng)備用，及地方防洪調(diào)度等方面發(fā)揮了重要作用。為了適應電力市場化的發(fā)展，有效、充分利用水庫的水資源，從1999年4月20日始至2005年1月8日止，該水電站有計劃地相繼完成了全廠各機組的增容改造工程。增容改造后，全廠裝機容量從662.5 MW增加到850 MW，其中4號機組單機容量由72.5 MW增容至90 MW。4號機組在2004年的改造過程中，僅進行了固定導葉修型改造(進水邊)、活動導葉表面處理與葉型修整、尾水錐管加裝與新轉(zhuǎn)輪配套的導流板等改造工作，并未對導水機構(gòu)進行更新改造。

受當時加工質(zhì)量及工藝水平限制的原因，致使導水機構(gòu)存在很多問題：底環(huán)變形較大、底環(huán)鑄件氣孔較多，每輪大修期間需要進行大量的補焊修補工作；頂蓋、底環(huán)銹蝕、氣蝕嚴重，過流面不平整，底環(huán)部分導葉軸孔已氣蝕爛穿；此外，由于加工和長期使用磨損的原因，導水機構(gòu)各部件間的配合已不是很緊密了，導葉漏水量比較大[8-10]。特別是機組增容改造后，機組容量和過流量的增大，對導水機構(gòu)的技術(shù)要求進一步提高，原有導水機構(gòu)不能完全滿足運行的要求。

圖1 原導水機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of the original distributor mechanism

2 改造必要性

2.1 安全性分析

如前文所述，4號機組底環(huán)變形較大、過流面不平整、底環(huán)部分軸孔已氣蝕爛穿，可能會導致導葉卡阻等事故；此外，導葉漏水較大，可能會導致機組無法正常停機或機組在停機狀態(tài)發(fā)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，存在較大的安全隱患[11,12]。

2.2 能效成本分析

4號機組的導葉漏水較大，造成大量水資源流失，損失了部分電能，經(jīng)測試，4號機的漏水量達到0.75 m3/s，遠大于其他導水機構(gòu)已更新的機組。如果4號機組每年備用時間按5 540 h計算，每年損失電量約283 萬kWh。

此外，4號機組導水機構(gòu)主要部件已運行58 a，每次機組大修都需投入大量的人力、物力、時間進行導水機構(gòu)的檢修，造成了檢修費用很高，而且延長了檢修時間，機組發(fā)電時間相對減少，發(fā)電效益下降。

2.3 政策適應性分析

根據(jù)《水輪機基本技術(shù)條件》[13](GB/T 15468-2006)第5.7.1條規(guī)定：“在額定水頭下，圓柱式導葉漏水量不應大于水輪機額定流量的3‰，圓錐式導葉漏水量不應大于水輪機額定流量的4‰”，4號機組的額定流量約為135 m3/s，按規(guī)范規(guī)定，其漏水量不應大于0.405 m3/s；而根據(jù)目前4號機組實測數(shù)據(jù)來看，其漏水量約為0.75 m3/s，已遠超規(guī)范要求。

在《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年(2016-2020年)規(guī)劃綱要》中，指出“要建設現(xiàn)代能源體系，深入推進能源革命，著力推動能源生產(chǎn)利用方式變革，優(yōu)化能源供給結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率，建設清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，……”如前所述4號機組導葉漏水量較大，通過技術(shù)改造，可以減少4號機組的導葉漏水量，提高能源利用效率。

綜上所述，本電站導水機構(gòu)進行改造是必要的。

3 可選改造方案

本次改造在原有水輪機的埋入部件基本不變、原轉(zhuǎn)輪不變以及保持原有安裝高程、尾水位條件下，通過對導水機構(gòu)等設備的改造，減小導葉漏水量、減少空蝕、降低檢修成本及延長檢修周期等。本次改造擬定以下兩種方案：

方案1：對導水機構(gòu)等部件進行整體更換(以下簡稱更換方案)，主要包括整體更換頂蓋及真空破壞閥、控制環(huán)、固定止漏環(huán)、底環(huán)、活動導葉、套筒、導葉連桿機構(gòu)等。改造原則是依據(jù)其他已改造機組的導水機構(gòu)改造情況，更換所有部件，對各部件進行改良改進。

方案2：對導水機構(gòu)等部件進行大修(以下簡稱大修方案)，主要包括頂蓋空蝕處理、底環(huán)空蝕處理、導葉立面、端面密封橡膠條更換、導葉空蝕處理、套筒銹蝕處理、底環(huán)軸套銹蝕處理等內(nèi)容。

從改造預期效果來看，方案1能徹底解決設備存在的問題，長期來看改造效果較好，方案2短期內(nèi)可以解決設備問題，但隨著設備運行一段時間后，上述問題將會逐漸暴露出來，故方案1優(yōu)于方案2。但從一次性投資來看，方案1投資要遠高于方案2。因此，有必要對兩個方案進行全生命周期的比較，從而擇優(yōu)選出最佳改造方案。

4 基于全生命周期的方案比選

設備全壽命周期成本分析主要從改造一次性投入、運行成本、檢修成本、故障成本及退役處置成本等幾方面綜合考慮[14]。其中故障成本方面，從本電站近年的運行記錄來看，非計劃性停機次數(shù)及累計停機時間不多，且非計劃性停機時間差別也較難預測，因此無需進行比較。

4.1 比選邊界條件

為方便比較，需明確以下邊界條件：

(1)由于4號機組水輪機主要部件已經(jīng)于2004年完成改造工作，其改造后的水輪發(fā)電機組整機設計壽命按30 a考慮，目前剩余壽命約為15 a。因此本改造項目的全壽命周期成本、效益的計算時間跨度按水輪發(fā)電機組剩余壽命考慮，即15 a。15 a后方案1的導水機構(gòu)使用壽命還剩下15 a，方案2已經(jīng)超期服役多年，按報廢處理。

(2)機組檢修周期為每5 a 1次A或B級檢修(A、B輪換)，每年年度檢修可能存在的檢修級別組合為：A+D、B+D、C+D。

(3)報廢設備的殘值，目前并無正式規(guī)定，一般可取固定資產(chǎn)的5%。假設導水機構(gòu)改造后全部轉(zhuǎn)成固定資產(chǎn)。

4.2 一次性投入費用

(1)對于整體更換方案：一次性投入主要由設備采購、安裝等費用組成，整體更換方案總投資約為543.66 萬元。

(2)對于大修方案：大修投入主要包括拆裝、調(diào)試試驗、耗用相關(guān)的材料、備品備件等費用[15]。參考近五年來本水電站機組的導水機構(gòu)檢修實際發(fā)生費用，估算導水機構(gòu)大修一次性投入費用為35 萬元。

4.3 運行成本

(1) 對于整體更換方案：導水機構(gòu)進行整體更換后，將降低導葉漏水量，提高水資源利用率，根據(jù)其他已改造機組的改造合同，導水機構(gòu)改造后的導葉漏水量保證值為0.27 m3/s，按照4號機組每年備用時間按5 540 h計算，每年因?qū)~漏水損失的電量約為102 萬kWh，電價暫按0.3 元/kWh計算，則4號機組每年因?qū)~漏水損失電量約為30.6 萬元。

(2)對于大修方案：導水機構(gòu)進行整體大修后，只能改善設備部分區(qū)域的氣蝕狀況，對于設備可靠性提高不大，而且導葉漏水量依然存在，經(jīng)過測試，4號機的漏水量達到0.75 m3/s，按照4號機組每年備用時間按5 540 h計算，每年因?qū)~漏水損失的電量約為283 萬kWh，電價暫按0.3 元/kWh計算，則4號機組每年因?qū)~漏水損失電量約為85.0 萬元。

4.4 運行成本

(1) 對于整體更換方案：更新改造后，設備狀況得到徹底改善，維修項目很少。費用包括導水機構(gòu)的日常維修、D級、C級、B級、A級檢修費用等。參考近年來本電站已改造的機組的導水機構(gòu)檢修情況，預計整體更換方案的檢修費用如表1。

表1 整體更換方案全壽命周期檢修成本匯總表Tab.1 Maintenance cost of full life-cycle for the replacement scheme

根據(jù)表1，可以計算得出全壽命周期15 a內(nèi)，檢修費用總計27 萬元，年平均檢修費用約1.8 萬元。

(2)對于大修方案：大修后，設備狀況未能得到徹底改善，維修費用依然很高。費用包括導水機構(gòu)的日常維修、D級、C級、B級、A級檢修費用等。參考近年來本水電站未改造的機組的導水機構(gòu)檢修情況，預計大修方案的檢修費用如表2。

根據(jù)表2，可以計算得出全壽命周期15 a內(nèi)，維護費用總計380 萬元。年平均25.3 萬元。

表2 大修方案全壽命周期檢修成本匯總表Tab.2 Maintenance cost of full life-cycle for the overhaul scheme

4.5 退役處置成本

(1)對于整體更換方案：根據(jù)比較所設定的邊界條件，導水機構(gòu)改造的初始投入全部轉(zhuǎn)為固定資產(chǎn)，即543.66 萬元，其設計壽命為30 a。到計算年末，剩余壽命約為15 a，其剩余價值約為271.83 萬元。

(2)對于大修方案：原導水機構(gòu)已使用50 a，當前剩余價值暫按25 萬元計。經(jīng)大修改造后，其到計算年末，早已折舊完畢，其殘值按一次性費用的5%考慮，約為1.75 萬元。

4.6 費用現(xiàn)值比較

根據(jù)上述計算結(jié)果，得出兩個方案的費用現(xiàn)值表如表3所示。

從表3的全生命周期分析結(jié)果可以看出，方案1的一次性費用比方案2多508.66萬元，但方案1的總費用現(xiàn)值較方案2低492.55萬元，顯然方案1的經(jīng)濟指標較優(yōu)，且方案1的改造效果也優(yōu)于方案2。因此，推薦本電站4號機組導水機構(gòu)技術(shù)改造采用整體更換方案。

表3 導水機構(gòu)技術(shù)改造方案費用現(xiàn)值表Tab.3 Net present value of refurbishment for distributor mechanism

5 結(jié) 語

進入21世紀20年代以來，隨著越來越多的老舊水電站進入到設計壽命末期，電站的設備改造工作越來越多，相關(guān)費用投入也越來越大。為了保證改造效益最大化，需對改造方案進行詳細的分析論證。國內(nèi)某水電站4號機組自投產(chǎn)以來經(jīng)歷過多輪次的改造，但仍然存在改造不徹底、設備之間改造不匹配等問題，基于該點著那4號機組導水機構(gòu)改造的兩個可選方案，進行了全生命周期內(nèi)的比較分析，并最終選擇了整體更換方案作為機組導水機構(gòu)的改造方案，相關(guān)分析方案可供國內(nèi)老舊電站改造方案決策時參考借鑒。

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