农村水电站增效扩容改造设计探讨

叶 永，牟玉池(三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

农村水电是我国农村经济社会发展的重要基础设施, 是生态环境建设和环境保护的重要手段。目前我国已建成小水电站约4.5万座，总装机容量和年发电量约占我国水电装机和年发电量的1/3[1]。这些小水电站中，很多早期建设的电站受当时技术水平和经济条件制约，经过多年运行普遍存着设备老化、机组效率低、水能资源浪费大、自动化程度低、安全隐患多等问题[2]。对老旧小水电站进行增效扩容改造，使水能资源得到充分利用，让电站发挥更多社会、经济效益具有积极作用。在进行增效扩容改造过程中，受电站本身各种限制因素制约，如厂房尺寸及布置、压力管道、地下土建部分等，使其技术设计较之新建电站设计过程更为复杂。本文以三背河水电站增效扩容改造工程为例，探讨一库多站式开发在进行改造过程中的设计思路，为该类工程设计提供参考依据。

1 工程概况

三背河水电站工程位于湖北省境内，系清江中游南岸一级支流小溪流域梯级开发的骨干工程。该工程于1999年建成发电，主要由混凝土面板堆石坝、溢洪道、放空排砂洞、发电引水隧洞、发电厂房和升压站等主要建筑物组成。最大坝高59 m，水库总库容417万m3，洪水按50年一遇设计，300年一遇校核。三背河水电站原装机容量2×1 000 kW，近5年年平均发电量658万kWh。电站尾水直接进入下游羊子岩电站(2×630 kW)引水隧洞，羊子岩电站尾水直接进入红耀电站(2 500+4 000 kW)引水渠。三背河水库不仅对三背河水电站具有调节作用，同时对下游羊子岩电站和红耀电站具有调节作用，属于典型的一库三站式开发。

2 存在问题

(1)引水建筑物隐患严重。三背河水电站引水系统布置在左岸，由进水口建筑物，引水隧洞，支、叉管组成。引水隧洞为有压隧洞，洞径1.40 m，总长度214.12 m，采用钢筋混凝土衬砌。经过多年发电运行，近年监测发现洞内衬砌出现了一定损坏，洞身局部出现裂缝，对电站的安全运行产生巨大安全隐患。

(2)发电机组效率低、电气设备老旧，自动化程度低。三背河水电站原总装机2×1 000 kW，水轮机型号为HLA153-WJ-50、配套发电机SFW-1000-6/1180。经过多年运行，水轮机转轮导叶等过流部件出现了不同程度汽蚀、磨损及变形，机组效率较设计初期有较大降低。机组前闸阀经过多年运行，有明显漏水现象，局部锈蚀严重，操作不便，严重影响电站安全运行。机组高压开关柜和互感器柜元器件老化，可靠性较差；电站自动化元件配置不全，自动化系统采用继电器式系统，陈旧老化，损坏较多，维修工作量大，已不能满足正常安全运行的需求。

(3)水资源浪费严重、不能保证下游电站发电所需流量。电站经过多年运行，在初设时装机容量选择较保守，在丰水期经常出现大量弃水，导致水资源被大量浪费。电站下游的红耀水电站已于2014年完成了增效扩容改造，装机容量由原来的2×2 500 kW增容到2 500+4 000 kW，设计引用流量由原来的3.94 m3/s增加至5.13 m3/s，而三背河水电站改造前设计引用流量为4.18 m3/s，不能满足红耀水电站机组达到满发状态。

3 改造方案

3.1 装机容量选择

本次电站装机容量选定时，主要考虑两个因素：①电站现有建筑物对装机容量的限制，重点是有压隧洞的过流能力和安全性；②发电流量与下游电站流量相匹配。以该因素为限制条件，3个电站总效益最大化为目标函数，进行装机容量选择。

三背河水电站水能复核选用1960-2004年共45年系列的径流资料作为长系列入库径流量，多年平均入库流量2.41 m3/s，与初设报告中2.08 m3/s相差不大，说明所选水文系列资料可靠。三背河水库为不完全年调节水库，水能计算[3-5]按照年调节水库进行计算。通过对不同装机容量模拟计算，电站装机容量与年平均发电量关系见图1。

图1 三背河水电站装机容量与年发电量关系曲线Fig.1 The relation curve of installed capacity and annual electricity production of Sanbei River hydropower station

初步拟定4种装机方案：方案1,保留其中一台机组装机容量不变，另一台机组增容至1 250 kW，总装机容量2 250 kW；方案2,两台机组均增容至1 250 kW，总装机容量2 500 kW；方案3,隧洞过流能力最大时，装机容量最大为2 800 kW，将两台机组均增容至1 400 kW；方案4,装机容量为2 800 kW，将两台机组改为一台。通过对四种设计方案进行水能计算及效益分析，计算结果见表1。

表1 三背河水电站装机容量方案选择对比Tab.1 The comparison installed capacity schemes of Sanbei River hydropower station

在进行投资比较时，以更新现有机组为基准，来计算四种方案的投资差额。由表1可知，随着三背河水电站装机容量增加，三背河水电站多年平均发电量变化较小，但是3个电站总的发电量有较大提高，电站年发电效益得到大幅度提升，增效扩容后效益显著。其中方案4收益投资比最优，更符合经济合理，安全适用的原则。得到三背河水电站增效扩容改造拟装机2 800 kW，将原有两台机组改造为一台机组。

3.2 机型选择

三背河水电站原装机两台HLA153-WJ-50水轮机组，本次改造拟将两台机组改为一台机组。根据水能计算结果及电站多年运行资料统计，水库水位在470.00～502.24 m范围内变化，同时考虑尾水位及水头损失，确定机组运行水头范围在34.68～63.5 m之间。通过对多个模型转轮进行比较筛选，并结合厂房实际尺寸，初选HLJ240-WJ-86和HLA616-WJ-80两种转轮进行方案比较，以确定优选方案。

根据电站运行水头范围及水轮机综合特性，确定水轮机的同步转速均为750 r/min。利用水轮机的综合特性曲线，分别计算在流量和工作水头变化时的多种运行工况，并绘制了两种转轮运转特性曲线，进行对比分析：①HLJ240-WJ-86的最优效率高于HLA616-WJ-80；②在工作范围内，HLA616-WJ-80所包含的高效率区更广，经常运行工作范围内的平均效率高于HLJ240-WJ-86，随着水头降低，更能充分的利用水资源；③HLA616-WJ-80的汽蚀性能优于HLJ240-WJ-86，且安装高程更接近原机组高程，可减少土建工程量；④HLA616-WJ-80的机组尺寸较HLJ240-WJ-86机组小，更有利于厂房其他设备布置。

综上所述，此次改造采用HLA616-WJ-80水轮机及其配套的SFW2800-8/1730发电机。同时对机组吸出高、过流能力、调节保证计算及电站厂房各部结构进行计算验证，所选机型及其配套发电机均满足要求。

3.3 电气系统改造

3.3.1主接线

三背河电站原装机为两台1 000 kW机组，为两机一变扩大单元接线方式。此次改造后，发电机组由两台1 000 kW机组变为一台2 800 kW机组，主接线方式改为一机一变接线方式，发电机机端电压为6.3 kV，送电电压为10.0 kV。

3.3.2综合自动化

为适应系统调度要求，按“无人值班，少人值守”方式设计，结合国内中小型水电站运行经验及发展方向，采用以计算机监控为主的集中监控方式，配置微机监控系统。主要实现功能如下：

(1)对全厂设备实现自动监视与记录。由计算机监控系统自动完成全厂设备数据采集、处理及设备运行状况自动监视与记录。

(2)对电站设备实现自动控制。根据电站运行方式要求，对电站设备进行操作或调节。

(3)实现电站运行管理自动化。实现运行报表自动生成，运行操作自动记录，电站设备参数或整定值记录与保存，所有报表均可自动或召唤打印。

(4)实现与调度的通信。

(5)对发电机、主变、母线、线路等主设备及辅助设备进行保护与监控。

3.3.3励磁系统

发电机励磁电源由接在机端的励磁变压器经晶闸管整流后供给，励磁系统由励磁变压器、微机调节控制装置、可控硅整流装置、起励灭磁装置及转子过电压保护装置等部分组成。励磁系统采用残压启励，机组残压不小于2%机组额定电压。同时系统满足180%的强励要求。

4 效果分析

(1)消除安全隐患，保证电站安全运行。有压隧洞采用环氧树脂砂浆对洞内衬砌进行防渗、防裂和修补处理，有效保障电站的安全运行。

(2)充分发挥三背河水库调节作用，大大增加了发电量。改造前电站年发电量为658万kWh，较设计初期762万kWh有较大的差距，水能未能得到充分利用。改造后，电站装机容量由原来2 000 kW增加到2 800 kW，年增发电量166万kWh。同时，增加机组容量可加大设计引用流量，提高了下游羊子岩水电站和红耀水电站的发电效益，3个电站多年平均发电量总增加475万kWh。

(3)提高电站设备自动化控制水平。通过增容改造后，电站设备的保护、控制及自动化系统均使用技术先进、成熟的高科技产品，使得全站设备保护及控制自动化水平大大提高。 远程监控系统的运用，大大减轻了运行值班人员的劳动强度和精神压力，改善了工作环境。实现了“无人值班，少人值守”的目标。

(4)提高项目区的社会、环境效益。经济方面可促进地方、乡镇企业发展，增加国家和地方财政收入，繁荣地方经济。社会环境方面可改善农村能源结构，推进“以电代柴”、“以电节煤”等项目的实施，为保护森林植被，净化空气，改善气候，促进生态良性循环和国民经济可持续发展战略实施提供基础条件。

5 结 语

农村水电站增效扩容改造工程由于电站本身限制因素多，设计过程相对新建电站更为复杂，在设计初期应进行详细勘察，找出电站存在问题和提出合理解决方案。以三背河水库水电站增效扩容改造设计为例，探讨一库多站式开发在增效扩容改造设计中思路。主要以电站本身限制因素为条件，水库下游电站总效益最大化为目标函数，通过经济技术比较分析，进行装机容量的选择以及改造方案的确定。为该类工程的设计提供有价值的参考。

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[1] 田娅娟, 王 鑫, 薛 鹏，等.中小型水电站水轮机增效扩容改造研究[J].水利水电技术, 2014,45(2):40-42.

[2] 穆建军.农村水电站增效扩容改造关键技术问题的探讨[J].农村水电及电气化, 2012,167(5):6-8.

[3] 何俊仕，林洪孝.水资源规划及利用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[4] SL76-2009，小水电站水能设计规程[S].

[5] 邓 欢, 吴亚杨, 胡超鹏，等.小水电站增效扩容的径流和水能计算方法及应用[J].水电能源科学, 2014,32(5):160-164.