金口河小河新村电站增容改造方案论证及体会

【摘 要】本文通过金口河小河新村电站增容改造方案论证的工作实践，提出了做好水电站的技术改造方案论证工作的几点体会，强调要做好技术改造设计，机组增容改造时一定要重视输水系统的核算，并抓住水轮机的改造来带动整个电站的技术改造。

【关键词】水电站；技术改造

1.前言

金口河小河新村电站是大渡河支流小河梯级开发的最下游一级电站，属无调节引水式高水头电站。电站自文店建坝取水，经3280m隧洞及82m暗渠引水至大渡河与小河汇合口下游约200m处建厂发电，尾水泄入大渡河。

金口河小河新村电站始建于1987年年底，于1990年3月建成投产，电站共安装两台水轮发电机组，总装机容量2×3200kw，设计引用流量5.0m3/s，设计水头171.6m。多年平均年发电量3648万kw.h，多年平均年利用小时5702h。电站由底栏栅取水枢纽、无压引水系统及厂区枢纽组成。

金口河小河新村电站自1990年3月建成投产至1998年，年发电能力一直徘徊在3800万kw.h上下，统计1991年～1998年8年的发电情况，年平均发电量为3666万kw.h，与设计多年平均年发电量3648万kw.h相差无几。但随着1999年国家退耕还林，还林还草等宏观调控政策的实施，电站集雨面积内土壤保水能力增强了，电站水质、水量得到明显改善。突出反映在平水期、丰水期电站运行区间内，长期存在弃水，时间长达四、五个月。根据实际情况，新电公司在与原厂家重庆水轮机厂联系后，运用提高发电机运行功率因数的合理手段，在保证机组除有功功率以外的所有参数均在控制范围以内的前提下对原有机组进行了技术改造，通过尽可能多发有功、少发无功的方式，实现了机组实际有功功率达到2×3500kw的发电能力。具体反映在近几年（即2000年以来）发电量呈逐渐上升趋势，年发电量在4100kw.h上下，统计2000年～2005年6年的发电情况，多年平均发电量为4130kw.h，机组长期超发对设备危害很大。尽管如此，电站弃水时间年平均仍在100天以上，弃水量达1.0～1.5m3/s以上。因此，从电站来水情况来看，金口河小河新村电站具有进一步增容改造的先决条件。为了充分利用小河流域得天独厚的水资源，增加发电量，进一步提高电站的经济效益，同时为提升电站在区域电网中的占有量，提高自己的市场竞争力，在日益激烈的市场竞争中巩固自己应有的一席之地，尽快对电站进行全面增容改造已势在必行。

2.增容改造论证的总原则

根据业主的要求，本次增容改造确定的装机规模应能保证不对底栏栅坝、沉砂池、引水洞、渠、前池等水工建筑物进行大的改变；电站的压力管道、厂房基础等原则上不应有大的变化；电站的主要电气设备（如变压器等）原则上不更换。因此，在确定增容方案时，不改变已有建筑物的位置，仅在满足相关规范、规程要求的前提下对局部控制性部位进行加高改造，以满足增容改造后引水系统过流的要求。在拟定方案时，考虑了在原有机组基础上改造和新增一台小机组两种方式。金口河小河新村电站增容改造论证在上述原则的指导下提出增容改造方案，通过技术经济比较最终选择经济、合理的增容改造方案。

3.增容改造方案的拟定

根据《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）对无压引水隧洞在恒定流情况下洞内水面线以上的空间不宜小于隧洞断面面积的15%，且高度不应小于40cm，在非恒定流条件下，若计算中已考虑涌浪时，上述数值允许适当减少的规定，对本电站引水系统过流能力起控制作用的江沟溢流堰最大可加高0.35m，即最大过水水深可达到2.16m。

根据不同发电负荷情况的实测流量及过流断面资料及引水隧洞竣工图，反算出江沟溢流堰下断面及与前池相接的暗渠末端断面的糙率分别为0.01744及0.01534，然后分别计算两断面过水水深达到2.16m时的几何参数，从而算出江沟溢流堰下断面及与前池相接的暗渠末端断面的最大过流流量分别为6.88m3/s及6.8m3/s，则本电站引水隧洞最大过流能力按6.8m3/s考虑。根据动能计算，在此流量下最大装机能达到8900kw，此为本电站增容改造方案装机容量考虑的上限，在此基础上，动能拟定了增容后总装机规模为7660kw、8000kw、8400kw、8900kw四个容量等级。根据新村电站原厂家重庆水轮机厂的承诺，对新村电站增容至8000kw以内的规模，可通过对水轮发电机组自身的改造达到增容的目的，且不会对厂房建筑结构造成大的变动，也不会对改造后的水轮发电机组产生严重的危害，也不需更换主变压器；而电站增容至8000kw以上时，若仍通过对水轮发电机组自身的改造达到增容的目的，由于吸出高程变化较大，将会对原厂房动力基础造成较大的变动，改造后的水轮发电机组效率降低，必须更换两台大容量主变，投资大，效果差。根据上述分析，拟定电站增容改造方案时，考虑增容后容量为8000kw及以下的方案通过对水轮发电机组自身的改造来达到增容的目的，增容后容量为8000kw及以上的容量方案考虑通过新增一台小机组达到增容的目的。

根据上述分析，拟定以下方案进行技术经济比较：

2×3830kw（方案一），2×4000kw（方案二），2×3200kw+1600kw（方案三），2×3200kw+2000kw（方案四），2×3200kw+2500kw（方案五）。

4.装机容量及增容容量的选择

新村电站为无调节电站，在系统中担负基荷，所占比重很小。本次装机容量复核论证中，装机容量范围由装机利用时数4000～5700h选择，机组台数除电站目前实际机组台数为2台以外，增容后容量在8000kw以内均考虑由原两台机单机增容，增容后容量在8000kw以上增容方案均按在原有2×3200kw装机方案的基础上增加一台机考虑，即为2+1台。

在装机方案论证中，增容改造机组仍采用混流式机型，增容改造机组效率按与原电站机组效率相近考虑，机组综合出力系数统一按7.6，但计算受阻出力和电量时则按机组汛期实际效率进行。考虑来水量及引水道过水能力的限制，选择增容方案2×3830kw（增容1260kw）、2×4000kw（增容1600kw）、2×3200kw+1600kw（增容1600kw）、2×3200kw+2000w（增容2000kw）、2×3200kw+2500kw（增容2500kw）重点进行动能经济比较。

通过技术经济的综合比较，得出如下结论：

①、从单位经济指标来看，机组增容至8000kw以上时单位kw.h投资随着装机的增大而增大；单位kw.h投资以增容1260kw和增容1600kw方案最低，为0.533元/kw.h和0.611元/kw.h。

②、从动能指标来看，增容1260kw方案补充装机利用时数高达2130h，虽然其它各项指标也较好，但由于新村电站水资源富余较多，水能资源未得到充分利用。增容1600kw则较为合适，补充年利用时数1960h，作为无调节能力的电站，一方面可多得部分电量，对原电站2×3200kw机组的影响也不会太大。同时本电站作为无调节电站，补充年利用时数已达1960h，重复容量也不应太大，以免造成电站投资上的浪费，系统也难于有效接收汛期电量。而增容2000kw方案和增容2500kw方案使受阻电量达到27.0万和34.0万kw.h，最小水头已低达167.9m和166.8m，继续增大容量对原电站（额定水头171.6m）正常运行影响较大。因此，增容2000kw和增容2500kw的方案装机明显太大。

③、新村电站为已建电站，投产已多年，其水工建筑物及机电设备均按装机2×3200kw规模设计。经复核，虽然电站引水隧洞过水能力有一定富余，但富余度不大。当采取各种措施后，最大过水能力仅6.8m3/s。尤其压力管道及电站尾水渠过水能力有限，此过水能力对电站增容容量的选择是一个重要的限制性条件。此外，过度增加增容电站的规模将导致额定水头的大幅下降，影响原有2×3200kw装机（额定水头171.6m）的正常运行条件，导致受阻电量的大幅增加。

综上所述，新村电站增容改造论证，在基本不影响原有2×3200kw电站运行工况的前提下，根据增容电站自身的动能经济指标比较，重点比较改造机组增容1260kw方案和增容1600kw方案，同时也比较了改进机组和新增一台小机组两种形式的增容1600kw方案。从充分利用水能资源、对原机组和原电站建筑物影响最小和综合经济效益最大几方面综合衡量，在水轮机生产厂家保证机组改进质量的前提下，以改造机组增容1600kw方案动能经济效益最好。因此，推荐增容改造方案为机组改造增容1600kw方案。改造后电站总装机容量达8000kw，总发电流量6.11 m3/s。

5.增容改造方案论证工作的体会

金口河小河新村电站根据方案论证的结果，于2008年按推荐方案完成了电站的增容改造，从增容改造后电站的运行情况看，电站运行良好，输水系统基本达到其最大过流能力，与推荐方案的结论相吻合。电站的经济效益得到明显的提高。通过金口河小河新村电站增容改造方案论证的工作实践，本人认为要做好水电站的技术改造方案论证工作，要重视以下几个方面的内容：

5.1重视基础资料的收集

技术改造的基础资料包括三个方面的内容，其一是电站各主要建筑物的竣工资料及设备的实际运行参数等；其二是电站设备及机组运行检修记录等；其三是水文资料（包括实测发电负荷和相应流量资料等）。如果上述资料不完全，对重要的部位一定要通过实地测量等工作来完善。对基础资料的收集、复核和分析总结十分重要，这是做好技术改造工作的前提。

5.2重视输水系统的核算

在小型水电站增容改造中，有一个关键环节需要慎重对待，即输水系统。一方面要保证增容后的过流能力，另一方面要保证增容后各主要建筑物的运行安全可靠。

金口河小河新村电站增容改造论证，针对各方案涉及的主要建筑物均进行了必要的工程复核。主要进行了以下几个方面的复核计算：

①引水隧洞最大过流能力的复核计算

引水隧洞最大过流能力的复核计算对确定增容改造的装机容量方案有重要意义，用以明确增容改造的工作范围。

②底栏栅廊道最大进流能力的复核计算

底栏栅廊道最大进流能力的复核计算是对取水可靠性的一个复核，以确定是否需要对底栏栅廊道进行加高。

③底栏栅坝坝前特征水位的复核计算

底栏栅坝坝前特征水位的复核计算包括二方面的内容：一是坝前正常水位的复核，这也是对取水可靠性的一个复核，以确定是否需要对溢流坝段进行加高；二是各频率洪水位的复核，这是对工程运行安全性的一个复核，用以确定是否需要对两坝肩非溢流段及坝前两岸护坡进行加高。

④正常发电情况无压输水系统水位推算

本部分工作内容是对输水可靠性的一个复核，主要是为无压输水系统各控制部位是否需要加高提供计算依据。无压输水系统的控制部位一般包括沉砂池、溢流侧堰、前池。

⑤引水渠道系统的侧堰水力计算及涌浪计算

引水渠道系统的侧堰水力计算及涌浪计算分别根据《水电站引水渠道及前池设计规范》（SL/T205-97）附录A及附录D进行计算。主要包括以下工作内容：

一是侧堰的水力计算，包括侧堰堰顶高程的确定和堰上平均水头的计算，这部分计算主要为引水系统最高涌浪水位的计算提供依据。

二是引水渠道系统的涌浪计算，包括前池最高涌浪水位的计算和前池最低涌浪水位的计算。前池最高涌浪水位的计算和前池最低涌浪水位的计算都是一个保证电站运行安全性的一个复核。前池最高涌浪水位的计算用以确定是否需要对前池墙顶进行加高；前池最低涌浪水位的计算用以确定前池进水室底板高程是否满足增容改造后电站进水时淹没深度的要求。

⑥压力管道水头损失计算

压力钢管水头损失包括局部水头损失和沿程水头损失两部分。

压力钢管水头损失计算即是对压力管道的过流量和水头损失的数值关系进行计算，并绘制水头损失与流量关系曲线Δh=f（Q），以分析选定最大允许的水轮机额定水头和设计引用流量。

⑦压力钢管镇墩稳定复核计算

根据《水电站压力钢管设计规范》（SL281-2003）附录A进行计算，这是对压力管道增容改造后运行安全性的一个复核。

⑧厂房设计尾水位复核计算

厂房设计尾水位是确定水轮机安装高程所用的尾水管出口断面处出现的水位。根据《小型水力发电站设计规范》（GB50071-2002）第8.1.4条规定，装机1～2台时，机组安装高程应满足1台机组在各种水头下50%最大出力运行时的吸出高度和相应尾水位的要求。这部分的复核计算很重要，尾水位的变化对电站增容改造后机组的正常运行有很大影响，厂家在进行水轮发电机组的改造时，也应充分重视尾水位的变化。

5.3增容改造时必须分清主次

由于水轮机在水轮发电机组中处于原动机的地位，故水轮机运行效率高低对电站效益影响显著；水轮机的选型技术难度较大，影响参数也多，在水电站实际运行中出现的问题也比较多，这是符合客观规律的。因此，要求在小型水电站的增容改造中，必须分清主次，首先要抓住水轮机的改造，从而带动水轮发电机组和整个水电站机电设备及水工建筑物和金属结构的技术改造，这是应当遵循的原则。进行方案论证时要充分重视水轮机生产厂家的意见和建议，这样确定的增容改造方案才会更有技术可行性和经济合理性。

6.结语

金口河小河新村电站通过增容改造论证，认为在厂家确保机组改造质量的前提下，通过改造原有两台水轮发电机组，由2×3200kw增容至2×4000kw的方案最为合理可行。该方案设计水头171.6m，引用流量6.11m/s。该方案土建部分的改造内容包括底栏栅坝栅条更换、沉砂池溢流堰、江沟溢流堰的加高改造、1#隧洞部分洞段顶拱喷C20砼减糙和防风化处理、厂房动力基础局部改造等；水轮发电机组部分的改造内容主要包括更换改型转轮，更换发电机定、转子线圈，更换发电机空气冷却器，保护调整更换调速器等；电气部分的改造主要是将ZLQ20-3×185更换为YJV-3×240。由于按《小型水电站技术改造规程》（SL193-97）对方案进行了全面论证，使得实际增容改造取得了很好的效果。

作者简介：

张乾睿 男 毕业于西华大学能源与环境工程学院水利水电工程本科专业，工学学士 现在四川水利职业技术学院工程勘察设计院担任水工主设，曾承担过近三十座中、小型水电站、水库工程设计任务。