试谈中小水电站增效扩容改造的经济设计

试谈中小水电站增效扩容改造的经济设计1维修引水系统大部分中小型水电站为引水式电站或者调节库容有限，丰水期的水资源没有得到有效利用。同时，由于电站年久失修，普遍存在引水建筑结构老化，金属部件锈蚀，引水过程中渗水、漏水现象较为严重，电站输水过程中的渗漏损失越来越成为影响发电效益的一个制约因素。湖北省竹山县霍河三级水电站为引水式电站，电站装机容量3750kW，引用流量21m3/s。电站引水线路由1965m的引水隧洞和240m的引水明渠构成。其中隧洞现状完好，引水明渠由于建设之初未衬砌，加之年久失修，渗漏严重，且部分段泥沙杂物淤积，导致丰水期水流外溢，无法满足正常的发电流量需求。改造方案对明渠破损段进行修复，对全段明渠采用100mm厚C20混凝土衬砌，对淤积段进行疏浚。改造后渠底宽4.3m，高7.9m，糙率取0.014，设计流量21.0m3/s。过流能力和边墙稳定重新复核，均满足要求。对进水前池裂缝采用环氧砂浆补强，更换进水口节制闸和引水闸的止水橡皮。综合改造后的霍河三级电站年发电量由740万kWh增加到890万kWh，增幅达到17%。2合理改造水轮发电机组由于受建设之初的历史因素的制约，大部分电站存在水轮发电机组特性参数与电站实际运行工况长期偏离;丰水期水量(水头)没有得到充分利用，枯水期实际水头远远低于设计水头。致使发电机组在丰水期没有充分发挥效益，枯水期又长期运行在低效区。湖北省宜都市香客岩电站改造前电站总装机容量8900kW，1～3 号机水轮机型号为ZD560LH180，4号机水轮机型号为ZD560aLH180，所有机组均为轴流定桨式水轮机，设计水头为15.5m。配套发电机如下：1号发电机型号为SF200020/2600，单机功率2000kW;2、3号发电机型号为TSL260/3520，单机功率2200kW;4号发电机型号为SF250020/2600，单机功率2500kW。机组存在的问题：经过长期运行，机组已经出现设备老化、性能下降、故障频发等问题，在很大程度上影响了设备的安全、稳定运行。转轮叶片的材料采用45号钢制作，长期受水力冲击发生塑性变形，产生了严重裂纹，转轮气蚀、磨损严重，叶片变薄;维修时大面积补焊造成了叶片严重变形和裂纹加剧，致使水轮机水力损失加大，水轮机水力效率下降;顶盖、底环等磨损严重，致使水轮机漏水量加大，容积损失增加，浪费大量水资源，发电量减少。发电机由于运行年限长，定子线圈和转子线圈绝缘老化，绝缘电阻下降，存在较大的安全隐患，发电机功率因数低。根据电站水力监测显示，电站毛水头常年在18.0m左右。经水文专业复核，电站加权平均水头为17.0m，电站可通过扩容提高效益。根据以上论述，最终的改造方案主要从两个方面提高电站效率：一是扩容，维持电站现有土建尺寸不变的情况下，根据水文计算结果，将电站1～3号机组单机功率均扩容到2500kW。二是更换机组，根据水轮发电机组运行现状，对机组改造方案如下：更换1～3号机发电机，更换后新发电机型号为SF250020/2600，电机功率2500kW，转速300r/min，电压6.3kV，效率95%，功率因数0.85，绝缘等级F;更换1号机组水轮机，更新后水轮机型号为ZDJP502LH180，转轮直径180cm，额定出力2688kW，额定流量18.90m3/s，额定效率91.5%;2、3、4号水轮机更换转轮(新转轮型号与1号水轮机转轮相同)，维修导水机构及主轴;4号发电机更换顶转子线圈，提高电机绝缘等级，提高发电机功率因数。同时，更换发电机组附属设备(即调速器、励磁系统、自动化元件等)。其中：调速器更换为高油压调速器，将现有励磁控制屏和励磁变压器更换为1套双微机可控硅静止整流自并励励磁装置和1台干式励磁变压器，增加电站自动化监测系统。3淘汰落后电气设备 20世纪90年代初建设的中小型电站，变压器仍以SJL型和SL型铝芯变压器为主，能耗高、效率低;高压柜多为GG1A型，低压柜多为BSL型开敞式设备，五防功能不全，具有较大的安全隐患。继电保护以继电器为主，接线复杂、维护工作量大，误动、拒动时有发生，事故隐患大;大多数中小型电站仍以人员手动操作为主，极少数电站设有控制台，装设光子牌信号显示装置，整体设备配置较为落后，人员编制臃肿。改造方案：(1)采用新型的S11型变压器更换以往的淘汰铝芯变压器，变压器综合能耗可降低30%以上，减少自身损耗的同时加大了上网电量，提高了效益。(2)结合老厂房的实际尺寸，高压柜可选择XGN12或KYN28A12两种形式的全封闭式开关柜。低压柜可选用GGD或GCS型低压开关柜，新型高、低压配电柜均具备完善的电气五防功能，在大大提高安全性的同时，操作维护更加便利。(3)针对大部分电站继电保护简陋、自动控制设施落后的情况，采用新型微机保护装置替代老式继电器保护屏柜，灵敏度高、性能更加稳定可靠、数字信号传输更为便利。控制系统改造为可编程控制器(PLC)为主设备，针对电站装机容量构建不同规模的分层分布式计算机监控系统，整体上实现中小型水电站无人值班(少人值守)的新型运行管理模式。对于单机容量小于500kW的低压小型发电机组，可采用新型集电量采集、励磁调节系统、同期系统、机组继电保护装置一体化的综合控制屏，设备体积更小，集成化和自动化程度高。以宜都市的熊渡电站为例，电站总装机容量47500kW。改造之前在职职工112人，负责电站的日程运行和维护管理。改造之后由于提高了自动化水平，减少了维护工作量，日常运行维护人员精简到25人，大大节约了人力成本，为企业创造了更多的效益。 4结语中小型水电站增效扩容改造工程涉及水电站的方方面面，各座水电站具体情况各异，上述内容是笔者根据实际工程的一些经验总结，原则是将有限的改造资金投入到电站改造效益最明显的区域。除了水工结构、机电设备的工程改造措施以外，还可以通过优化发电调度规则，发挥梯级电站联合调度作用，以管理水平、技术水平的提高来更加充分的挖掘电站潜在效益。