花山水電站增效擴容改造方案研究

章如強

（中山市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司，廣東 中山 528400）

1 工程概況

花山水電站位于廣東省肇慶市廣寧縣境內(nèi)，是北江流域綏江支流古水河上游梯級開發(fā)的“龍頭”電站，1994 年3 月建成投入運行，該電站是一座引水式水電站，由進(jìn)水口、有壓隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、電站及開關(guān)站組成?；ㄉ剿畮炜値烊? 300 萬m3，有效調(diào)節(jié)庫容4 620 萬m3，屬中型水庫。原電站總裝機容量3×8 000 kW，發(fā)電機出口端電壓6.3 kV，主變兩臺（20 MVA+10 MVA），水輪機型號為HLA153-LJ-100，配套發(fā)電機SF8-8/2600，額定功率8 000 kW，轉(zhuǎn)速750 r/min。原設(shè)計水頭93 m，設(shè)計流量10.39 m3/s，近3 年平均年發(fā)電量為6 532 萬kW·h。花山水電站特征水位及水頭見表1。

表1 花山水電站特征水位及水頭 m

2 水電站存在的主要問題

1）設(shè)備老化，發(fā)電效率低。電站主機設(shè)備均為20世紀(jì)末設(shè)計制造，受當(dāng)時設(shè)備制造工藝水平限制，水輪機材質(zhì)較差, 尤其是轉(zhuǎn)輪等過流部件一般采用碳鋼等普通材料制造,其抗磨蝕、空蝕能力低。加上機組長期處于滿發(fā)超發(fā)狀態(tài)，目前機組包括水輪機轉(zhuǎn)輪、底環(huán)、活動導(dǎo)葉、頂蓋等過流部件空蝕嚴(yán)重，反復(fù)修補多次，轉(zhuǎn)輪葉片及過流部件型線變形，效率降低明顯。

2）水輪機運行效率較低，參數(shù)性能落后。使用的HLA153 型轉(zhuǎn)輪是20 世紀(jì)80 年代的技術(shù)，由于當(dāng)時的制造水平和精度不夠，經(jīng)過20 多年運行，轉(zhuǎn)輪葉片氣蝕非常嚴(yán)重，機組出力顯著下降，機組運行時振動明顯、噪音大，出力和效率均不理想。

3）現(xiàn)狀水工建筑物影響水能利用。因電站引水口兩側(cè)岸坡處于水位變動區(qū)，導(dǎo)致岸坡巖石剝落坍塌，造成進(jìn)水口淤積嚴(yán)重，影響進(jìn)水。部分引水隧洞未襯砌，水頭損失增加，造成水能資源的浪費。電站尾水出口右岸擋墻阻水嚴(yán)重,影響機組出力。

3 水輪機改造方案

1）改造原則。根據(jù)花山水庫的現(xiàn)狀水文特征，結(jié)合增效擴容改造規(guī)定。本次改造方案擬定的原則為：機組臺數(shù)保持不變，型號選擇需考慮現(xiàn)狀水工建筑物及原機型結(jié)構(gòu)尺寸。

2）水輪機型式及臺數(shù)選擇。原機組均為立軸混流式機組，經(jīng)過20 多年的運行，轉(zhuǎn)輪和流道氣蝕嚴(yán)重、轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機構(gòu)經(jīng)多次補焊型線變形嚴(yán)重，造成轉(zhuǎn)輪效率顯著下降、流道損失加大，電站急需改造以減少損失，增加發(fā)電量，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展提供清潔能源。為了最大限度利用電站原引水及廠房水工部分條件，機組改造方案應(yīng)充分考慮現(xiàn)狀水工建筑物及原機型結(jié)構(gòu)尺寸，盡可能利用原機組埋入部件和廠房建筑，節(jié)約改造成本。本次增效擴容改造項目仍選用立軸混流式機組。

原電站裝機3 臺，若改變機組臺數(shù)，則水工結(jié)構(gòu)及壓力管道布置變化大，改造成本很高，同時按照增效擴容改造規(guī)定，不允許增加機組臺數(shù)，因此，本次設(shè)計維持原3 臺機方案。

3）水輪機選型。本電站水庫無新增功能，水庫正常蓄水位不變，原設(shè)計額定水頭為93 m，但從多年實際運行情況來看，該電站長期在105 m 左右運行，實際運行時水庫水位多數(shù)時間在233～235 m 之間，運行范圍偏離，本次改造將額定水頭由93 m 提高到105 m，同時通過更換新型的轉(zhuǎn)輪，可使機組綜合效率顯著提高，使壓力引水系統(tǒng)管道和水輪機流道的水力損失盡量與原設(shè)計水平一致甚至高于原設(shè)計水平，因此，本次設(shè)計額定水頭比原設(shè)計抬高12 m，與多年實際運行的額定水頭保持一致，能最大限度保證機組在較高區(qū)域內(nèi)運行。另外，原設(shè)計的加權(quán)平均水頭為109.60 m，根據(jù)本次設(shè)計水能計算成果，加權(quán)平均水頭為111.73 m，按照規(guī)范，額定水頭與加權(quán)平均水頭的比值在0.85～0.95 之間選擇，取額定水頭為105 m 是合理、合適的。

適合本次改造水頭的轉(zhuǎn)輪有D267、A743、D294 及JF2265，以上幾個轉(zhuǎn)輪其過流能力、效率等指標(biāo)都很優(yōu)秀。但本次改造設(shè)計受到原有流道及導(dǎo)水機構(gòu)尺寸維持不變的條件限制，HLA153 機型的導(dǎo)葉高度系數(shù)小，查A153 的b0/D1=0.225，即225 mm。D267 轉(zhuǎn)輪b0/D1=0.285>0.225，A743 轉(zhuǎn)輪b0/D1=0.287>0.225，D294 轉(zhuǎn)輪b0/D1=0.283>0.225、JF2265 轉(zhuǎn)輪b0/D1=0.225，因此以上轉(zhuǎn)輪僅JF2265 可滿足本站流道及導(dǎo)水機構(gòu)尺寸維持不變的改造要求，JF2265 是具有效率高、汽蝕性能優(yōu)、運行范圍優(yōu)的新型轉(zhuǎn)輪。A153 及JF2265 轉(zhuǎn)輪模型技術(shù)參數(shù)比較見表2。

表2 轉(zhuǎn)輪模型技術(shù)參數(shù)比較表

從表2 對比可知，JF2265 比A153 轉(zhuǎn)輪能效指標(biāo)先進(jìn)、空化特性優(yōu)良、運行穩(wěn)定性好，因此，選擇JF2265 機型，即HLJF2265-LJ-100 型水輪機，其運轉(zhuǎn)特性曲線見圖1。

圖1 HLJF2265-LJ-100 運轉(zhuǎn)特性曲線（750 r/min）

HLJF2265-LJ-100 轉(zhuǎn)輪是中國水利水電科學(xué)研究院水力機電研究所研制的可以替代HLA153-LJ-100的新轉(zhuǎn)輪。新轉(zhuǎn)輪的設(shè)計水頭為105m，額定出力10417 kW，額定流量10.85 m3/s，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速1 430 r/min，額定效率93.23%。

根據(jù)電站年發(fā)電量及運行記錄，核算改造前機組綜合效率為80.0%，改造完成后機組綜合效率可由80.0%提高到89.5%，改造效果明顯。同時改造后新轉(zhuǎn)輪在各種水頭下比原轉(zhuǎn)輪同時增加2 000 kW 左右，改造后新轉(zhuǎn)輪效率可達(dá)到93.23%，出力可達(dá)到10 417 kW。因此花山水電站新的裝機容量達(dá)到擴容要求，方案機型選擇合理。

4 輔助設(shè)備改造方案

1）主閥設(shè)備改造選型。原機組主閥均采用液控蝶閥，公稱直徑1 750 mm，承壓水頭160 m，3 臺蝶閥共用1 臺HYZ-2.5MPa 型油壓裝置。改造前，主要存在以下問題：①蝶閥為臥軸式，活門為餅形，流阻系數(shù)大；②閥門開關(guān)不到位，阻擋水流，水力損失大；③操作機構(gòu)漏油嚴(yán)重；④控制系統(tǒng)老化，無遠(yuǎn)程控制接口。

本次3 臺機組主閥改造將原3 臺液控蝶閥全部更新，型號為D741X-20，承壓水頭200 m，每臺蝶閥配16 MPa 皮囊式蓄能罐油壓裝置，蝶閥油壓裝置不需補氣，可省掉廠房內(nèi)高壓氣系統(tǒng)。蝶閥油壓裝置就近布置，可省去大量錯綜復(fù)雜的油、氣管路，使水輪機層看起來整潔舒暢,且可實現(xiàn)現(xiàn)地及中控室遠(yuǎn)程操控。

2）調(diào)速器設(shè)備改造選型。電站原有調(diào)速器為YDT-3000 型機械液壓式操作機構(gòu)，經(jīng)過20 多年的運行，控制性能差，機械和液壓裝置老化，再者本次電站擴容將水輪機額定出力由8 000 kW 提高到10 000 kW，原調(diào)速器已不能勝任花山水電站調(diào)峰任務(wù)。本次改造擬定更新全套調(diào)速器設(shè)備，保留混凝土基礎(chǔ)。本站機組的調(diào)速功按下式計算：

式中 A——調(diào)節(jié)功（N·m）；

Q——最大水頭下額定出力時的流量（m3/s）；

Hmax——電站最大水頭（m）；

D1——轉(zhuǎn)輪直徑（m）。

經(jīng)計算，調(diào)速功為29 838 N·m。按照《農(nóng)村水電增效擴容改造項目機電設(shè)備選用指導(dǎo)意見》的要求，選擇3 臺目前技術(shù)先進(jìn)成熟、高可靠性、并聯(lián)PID 調(diào)節(jié)規(guī)律為基礎(chǔ)的可編程高油壓微機調(diào)速器，型號為YWT-3500-16 型，調(diào)速功35 000 N·m，皮囊式蓄能罐工作油壓16 MPa，調(diào)速器不需要單獨補氣，可省掉廠房內(nèi)高壓氣系統(tǒng)。調(diào)速器可實現(xiàn)現(xiàn)地及中控室遠(yuǎn)程操控。

5 增效擴容經(jīng)濟效益分析

水電站原裝機容量為24 000 kW，近3 年平均年發(fā)電量約為6 532 萬kW·h。根據(jù)水能計算結(jié)果，擴容后電站年平均發(fā)電量可達(dá)到7 861 萬kW·h，與近3 年的平均發(fā)電量相比增加了20.35%，根據(jù)小水電綜合單價約0.5 元/kW·h 計算，電站每年可增加收入665萬元，效益可觀，電站綜合能效增加明顯。根據(jù)對改造后的發(fā)電情況了解，改造后第1 年發(fā)電量達(dá)到7940 萬kW·h，單機滿發(fā)時達(dá)到額定出力，說明改造方案是成功的，進(jìn)一步驗證了改造方案選定機型的合理性。該電站進(jìn)行增效擴容改造后，能充分利用水資源，發(fā)揮良好的經(jīng)濟和社會效益，得到了當(dāng)?shù)刂鞴懿块T及建設(shè)單位的一致好評。

6 結(jié) 語

水電站的增效擴容改造是一個再創(chuàng)造的過程，在改造設(shè)計的過程中，受制約的因素較多，影響參數(shù)也很多，如何尋找到一個突破口來達(dá)到電站增效擴容的目的是關(guān)鍵所在。本文通過對花山水電站常年來的運行情況分析，得出電站長期運行水頭在原設(shè)計額定水頭之上的客觀結(jié)論，在不改變流量的情況下，通過提高額定水頭并尋找合適優(yōu)質(zhì)的轉(zhuǎn)輪來達(dá)到增效擴容的目的，尋找可替代的優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)輪是本次改造的關(guān)鍵，通過改造后的運行情況及發(fā)電效益分析，本次改造方案是成功的。另外，農(nóng)村小水電改造前，廠房環(huán)境大多較差，本次改造輔機設(shè)備選用目前技術(shù)先進(jìn)成熟、高可靠性的設(shè)備，可省掉大量油、氣管路布置，使廠房給人以整潔舒適的觀感，這一點也是建設(shè)單位希望看到的又一改造成果。