机组选型对于小型水电站改造的重要性研究

机组选型对于小型水电站改造的重要性研究

赵国荣

(甘肃省疏勒河流域水资源管理局，甘肃 玉门735211)

【摘要】疏勒河流域部分小型水电站由于修建时间长，机电设备老化、磨损严重，导致水能利用率和设备效率大幅度下降，为充分利用水能资源，对部分小水电站进行了改造。机组选型对改造电站的工期和投资有着至关重要的影响，本文以疏勒河灌区新河口一级水电站和河西水电站改造为例，着重研究机组选型对小型水电站的重要性。

【关键词】疏勒河流域；小型水电站改造；机组选型

中图分类号：TV734

Research of unit selection on small hydropower station reform

ZHAO Guorong

(GansuShuleRiverBasinWaterResourceAdministration,Yumen735211,China)

Abstract:A part of small hydropower stations in Shule River basin are characterized by great decrease in hydro-energy utilization rate and equipment efficiency due to long building time, mechanical and electrical equipment aging and serious wearing. A part of small hydropower stations are transformed in order to fully utilize hydro-energy resources. Unit selection has critical influence on changing power station construction period and investment. In the paper, reconstruction of Shule River irrigation district Xinhekou Level I Hydropower Station and Hexi Hydropower Station is adopted as an example, and importance of unit selection in small hydropower station is mainly studied.

Key words: Shule River basin; small hydropower station renovation; unit selection

疏勒河灌区自20世纪开发以来，建成水电站24座，总装机达136950kW,年发电量达57794万kW·h,为地区的发展做出了突出的贡献。但随着疏勒河流域部分小型水电站于由于修建时间长，机电设备老化、磨损严重，导致水能利用率和设备效率大幅度下降，为充分利用水能资源，对部分小水电站急需进行改造。而改造电站与新建电站在技术应用上是不同的，新电站的建设，可以根据水头、水情、工程区现状进行踏勘，然后制定方案进行建设。而老电站在改造过程中，除复核以上工况外，还必须对现有电站进行全面系统的复核，概括电站建设时期的条件，通过比较选定机组，并需着重对该机组的额定流量进行全面复核，使之能够满足现状流道、尾水管等已存水力机械的性能要求。此外，机组选型除了要保持优良的水力性能外，还需考虑尺寸的改变对土建工程改造的影响，这比新建水电站在技术上困难很多。

1需改造电站存在的主要问题

疏勒河流域部分电站修建时间长，机组老化，严重影响发电效率，主要存在以下问题：

a.发电机定子线圈绝缘老化严重。随着机组运行年限的增长，当发电机出力达到65%~70%的时候，定子温度高达95℃左右(电机绝缘和温度成反比)，为保证设备和人员的安全，发电机出力只能限制在额定出力的65%~85%以内，设备长期处于带病状态运行。

b.水轮机磨损严重。由于水质较差、水中夹杂着大小不等的石粒，经过多年运行，对水轮机的过流部件、导水机构及转轮室磨损非常严重，导致引水量增大、而机组出力却达不到预期要求。

c.高压开关柜关键部件老化严重。电站高压开关柜是GGA型开关柜，柜内安装的断路器为SN10—10型少油断路器，此型号的断路器现已基本淘汰，断路器触头接触电阻严重超标，需更换其导电杆的莲花头，咨询多个厂家都已经不生产，其他操作机构早已不同程度地出现拒动，元、部件无处购买。

d.电站发电机励磁屏、水轮机调速设备、直流馈电系统等都基本处于将就的程度，机电设备均为20世纪80年代早期产品，现在的厂家已不再生产原来的配件，诸多设备配件均已淘汰，导致维修难度大、成本高，且大部分零件无法更换。

2机组选型方案确定对电站改造的影响

疏勒河流域小型水电站，需改造的有新河口一级水电站和河西水电站，本文以这两个水电站为例，着重研究机组选型对于改造电站的影响。

2.1新河口一级水电站

2.1.1　装机确定

新河口一级水电站位于疏勒河灌区昌马旧总干渠上，坐落在昌马总干渠42~43号陡坡之间，为渠道引流式季节性电站。新河口一级水电站原有理论设计水头为16.5m，总引水流量为22.5m3/s，总装机3×1000kW，年利用时间为5256h，年发电量1576.8万kW·h。通过数据整理，新河口一级水电站平均来水量达到30m3/s，通过对全年数据分析整理，发现年弃水量达到23%，水资源损失巨大，故根据来水和水头确定改造后装机为4000kW，并对装机3台方案和4台方案进行了比选。通过必选发现，由于电站设计时按照设计流量选定进水口尺寸和管道管径，如果选定为3台机组方案，设计流量将由7.5m3/s变化到10m3/s，从而进水口尺寸过小，管道流速过快，最终导致水损加大，浪费水资源。如果对引水系统进行拆除重建，则土建投资为601.44万元；而如果更改为4台装机，新建一个前池，新增压力管道，引水系统土建费用仅为235.73万元。故最终确定4台装机方案，即在保持原有装机不变的情况下新增1台机组。

2.1.2　机组选型方案比选

由于新河口一级水电站原有3台机组安装高程确定(改造时为保证节约投资，蜗壳部分和尾水管不动)，故对原有机组和新增机组分别进行机组选型。

2.1.2.1原有机组更换

由于现状机组为轴流式机组，故在改造时为节约投资，也选用轴流式机组作为更换机组。原机组为轴流定桨式立式机组，更换后机型保持不变。下面对更换机组水轮机机型进行比较：

原有机组更换水轮机可采用新型轴流定桨式转轮ZDJP502和ZDJP401,下面对两种转轮进行比较,通过查询相关参数，在该电站水头和流量参数下：ⓐZDJP502气蚀系数为0.42，ZDJP401气蚀系数为0.38，前者稍大；ⓑZDJP502最高效率为92.5%，设计点效率为92%，ZDJP401最高效率为90.5%，设计点效率为90.1%，前者优于后者；ⓒZDJP502的出力比ZDTP401要大。综合以上比较结果，更换机组水轮机推荐型号为ZDJP502。确定机组型号为ZD—JP502—LH—110，配发电机SF1000—14/1430。该机组土建只需拆除水轮机层座环等部位钢筋混凝土，其余部分均利用现有结构，极大地节约了投资。

2.1.2.2新增机组水轮机选型

新增机组由于不牵涉现状厂房的改造，因此机组选型时可采用新型轴流定桨式转轮ZDJP502和HLA551,下面对两种转轮进行比较：ⓐZDJP502气蚀系数为0.42，HLA551气蚀系数为0.145；ⓑZDJP502设计点效率为92%，HLA551设计点效率为91%，前者稍高；ⓒZDJP502机组效率对流量的变化非常敏感，当流量偏离额定点时机组效率急剧下降；HLA551机组效率对流量的变化相对不是很敏感，机组流量偏离额定工况时也能在高效区运行。综合以上比较结果，机组水轮机推荐型号为HLA551。水轮机型号为HLA551—LJ—120，配发电机SF950—14/1430，土建部分按照新建标准进行建设。

2.2河西水电站

2.2.1　装机确定

河西水电站位于玉门市疏勒河昌马旧总干渠48~49号陡坡之间，是疏勒河昌马梯级电站建设最早、投资最少、运行时间最长的渠道引流式无调节季节性水电站。1989年1月批准建设，电站总装机2400kW(3×800kW)，总投资770万元。2003年由于疏勒河项目完工西干渠开始引水，原通过河西电站平均引水流量(约35m3/s)的2/3(约23m3/s)被分配到西干渠，通过河西水电站的平均流量约12m3/s。故对原有的3号水轮发电机组进行了报废，使电站装机变为1600kW(2×800kW)，设计水头14.21m，设计流量13.5m3/s，年平均发电量500万kW·h，年利用小时数3125h。本次改造通过对水头、水情复核，装机确定为1650kW，并保持原有装机台数不变。

2.2.2　机组选型方案比选

在考虑机组选型时，首先对机组装机形式进行了比选，分别为1000kW+650kW和2×850kW方案。若采用1000kW+650kW方案，则需将一台水轮机改为ZDJP502—LH—116(以下称之为大机组)，配发电机SF—K1000—14/2150(10.5kV)；另一台改为ZDJP502—LH—95(以下称之为小机组)，配发电机SF—K650—12/1730(10.5kV)。通过分析，河西水电站现有两台水轮机均为ZD560a—LH—100，配发电机SF—K800—10/1730。原水轮机尾水肘管进口直径1312mm，进口面积1.352m2；涡壳进口第一断面底宽585mm、顶宽854mm、高1400mm，第一断面面积1.007m2。而选定的ZDJP502—LH—116水轮机(大机组)，在额定水头14.2m、额定转速428.6r/min、机组额定出力1000kW时，单位转速131.9r/min，单位流量1.681m3/s，查模型综合特性曲线，桨叶安放角度在5°~8°之间，利用等差差值取桨叶安放角度6°，水轮机额定模型效率91.5%，根据《水轮机设计手册》综合考虑涡壳和尾水肘管混凝土浇筑误差、浇筑表面光洁度和模型机与原型机的各种差异，效率负修正1.5%，即原型机额定效率取90%，由此水轮机额定流量需要8.479m3/s。根据原型机与模型机流道相似原则，ZDJP502—LH—116水轮机尾水肘管进口直径1392mm，进口面积1.522m2(现状进口面积1.352m2)；涡壳进口第一断面底宽825mm、顶宽1138mm、高1762mm，第一断面面积1.753m2(现状面积1.007m2)；相应的，尾水肘管进口流速5.571m/s，涡壳第一断面流速4.837m/s。若维持现有尾水管不动，考虑到肘管水力损失与流速相关，为使尾水肘管的水力损失控制在合理范围内，需维持尾水肘管内流速不变，由此原尾水肘管过流量为7.532m3/s，由于轴流定浆式水轮机有效运行区域仅75%～105%额定出力，该水轮机有效运行区域仅750～1050kW,若尾水肘管仅过7.532m3/s水量，此时水轮机单位转速131.9r/min,单位流量1.485m3/s，查模型综合特性曲线，水轮机模型效率仅84%，整机效率仅81.5%，机组出力仅能达到814kW。若加大尾水肘管过流量，尾水肘管水力损失会显著增大，机组出力将得不到有效提高。对于涡壳的运行分析同理，由于新水轮机座环直径加大，将占用部分原涡壳过流空间，涡壳的有效过流量将进一步减小，最终严重影响效率。若坚持采用该方案，则电站尾水管底板以上机组段必须全部拆除，显然土建工程量巨大。因此最终确定方案为2×850kW,定水轮机型号为ZD550—LH—106，配发电机SF—K850—12/1730。

3结语

机组改造是常见的电站改造方法，通过对机组的更换，可以有效提高发电量，增加电站效益，利用现有的尾水管和压力管道，可以有效节约投资，达到机组安装要求。从以上方案的比选和投资效益分析可以看出，小型水电站在改造时，合理的机组选型对于电站的工期、投资、效益有着至为重要的作用。