天台县龙溪水电站增效扩容改造的研究

(天台县龙溪水力发电站，浙江 天台 317200)

近年来，小型水电站得到迅速的发展，促进了人们生产和生活的有效开展。但是一些水电站的容量闲置较多，对水资源的利用效率不够合理，需要对这部分水电站进行增效扩容改造，有效挖掘水电站的潜力，从而满足人们日益增长的对电力的需求。

1 天台县龙溪水电站概况

天台县龙溪水电站是一座以发电及供水为主的中型水库，没有灌溉和防洪任务，位于浙江省黄水溪中游、始丰溪支流，水库的正常蓄水位和发电死水位分别为398.00m和372.00m，相应的正常蓄水库容和死库容分别为2257万m3和251万m3。龙溪输电站的装机容量为(2×8000)kW，设计流量为(2×4.13)m3/s，水轮机额定水头为234m，属于Ⅲ等工程。另外，该水电站的枢纽工程由放空建筑物、发电厂、发电输水建筑物、泄洪建筑物、主坝、副坝等组成，其中泄洪建筑物位于主坝，而主坝是由钢筋混凝土面板堆石坝建造而成，坝顶高程为401.40m，副坝则由素混凝土面板干砌石坝建造而成，坝顶高程为400.90m。

2 龙溪水电站机组运行现状及存在的问题分析

2.1 水轮机设备的运行现状分析

龙溪水电站的水轮机型号为HL100、转轮直径D1为φ1.00m，制造的材料主要采用普通的碳钢材料，转轮叶片采用人工打磨的方式进行制造，这种水轮机形线准确性较差，在运行的过程中自然会影响水力性能。不仅如此，该水电站中的水导轴承转动油盆存在严重的漏油、甩油等情况。主轴承出现漏水的现象，主轴承所使用的密封材料对轴承造成的磨损严重，导致水淹轴承的情况发生。

2.2 发电机的运行现状及存在的问题分析

该水电站中所使用的发电机绝缘等级相对较低，由于长时间的使用，导致发电机出现绝缘老化现象，降低了发电机的绝缘性能，增大了发电机在运行过程中的安全隐患。此外，由于绝缘材料出现老化的情况，导致发电机中电流泄露，严重影响发电机的工作效率。

2.3 其他附属设备的运行现状分析

不仅水轮机和发电机在运行的过程中存在问题，调速器、进水阀在发电机组运行的过程中同样存在问题。就调速器来讲，一些元件的配置标准较低，主要表现为电气控制元件、液压操作元件以及执行元件，这些元件经常会出现故障，影响到电站的正常运行。水轮机的进水阀自投入运行以来没有进行过改造，其内部元件逐渐落后，出现损坏时更换较为困难。

2.4 电气设备以及发电厂房问题分析

由于该水电站的电气设备使用年限较长，变压器出现的损耗大，额定工况运行时会出现温度超标的现象。部分设备甚至还出现配件缺少或者是漏油的现象。水电站电气设备的控制方式仍然是采用集中控制，自动化控制程度低，对设备安全性的防护等级也比较低。一些陈旧设备在功能方面难以满足现代新型设备运行的基本要求，与计算机监控设备无法实现很好的连接。

发电厂房比较陈旧，无论是主厂房还是副厂房都有少量渗水的现象出现，部分位置的损坏更为严重，已经严重威胁到水电站的安全运行。

3 天台县龙溪水电站增效扩容改造的必要性

现阶段，天台县龙溪水电站出现严重的设备老化问题，已经不再满足电网的实际需求，存在一定的安全隐患，需要对水电站的配变电等设备进行技术改造，及时消除安全隐患，促进水电站发电效益提升，龙溪水电站增效扩容改造的必要性可从以下几点进行分析：

3.1 有利于促进水量利用率的提高

龙溪水电站改造之前的水量利用率为92.1%，装机容量为(2×8)MW，而增效扩容改造之后的水量利用率达95.1%，容量为(2×9)MW，能适当缓解用电高峰时段的负荷压力。

3.2 有利于提高供水可靠性和安全运行水平

在整体规划过程中，该水电站向天台县供水时，基本是从电站尾水取水；然而电站通过增效扩容改造可以提高设备运行的安全性及可靠性，以免出现高转速机组夜油雾外溢的情况，更好地保护供水水质。另外，该电站投产运行二十多年，许多机组设备落后且能耗高，有些甚至是淘汰产品，部分设备带病运行，如发电机的绝缘等级较低，水轮机顶盖压力较大，机组轴承油雾和甩油现象严重，时常出现电器设备和辅助系统的漏气、漏油、漏电等情况。这些问题会影响水电站的安全运行，因此做好增效扩容改造工作显得尤为重要。

3.3 有利于发展当地社会经济

随着天台县地区经济的发展，电力能源短缺问题越来越严重，逐渐成为社会发展的阻碍，而龙溪水电站的增效扩容改造能够缓解用电紧张的现状，增加电能供应，继而增加当地政府的财政收入，实现社会经济的发展。近几年，该县的实际平均年发电量达3029万kW·h，但增效扩容后的年平均发电量3643万kW·h，增幅为20.3%。

3.4 有利于提高发电效益

由于制造工艺、技术水平、加工水平、设备材料等方面的制约，水轮发电机组效率相对较低，电力设备及其辅助设备的可靠性较低，影响了水电站的效益发挥和正常运行。增效扩容改造后，水轮机的额定效率可达89.6%，发电机在额定出力与额定效率条件下的设计效益达96.7%。对于机组出力系统而言，综合考虑发电机效率、水轮机的效率曲线和发电水头，机组投运初期的处理系数为8.0，而机组在长期运行的过程中会降低效率、增加损耗。根据水轮发电机运行参数和选型的改造，可以确定水电站增效扩容改造后的机组综合出力系数为8.45，确保水电站的安全稳定运行，促进电站发电效益和运行效率的提高。

4 加强龙溪水电站增效扩容改造的具体方法

4.1 不断扩大水电站的容量

近年来，国家对水资源的保护以及水土保持政策的实施，使得水电站集雨区的水土流失现状得到了很大的改善。但是受气候的影响，库区内降雨分布不均匀，大部分雨量主要集中在5—9月，由于水电站的装机容量较小，泄洪时间长，导致水资源无法得到有效的应用，造成水资源的浪费严重。鉴于这种现象，需要采取灌浆法来加固大坝，重新建设输水涵管以及进水调节池，使得水库的蓄水位提升，确保水库中设计洪水流量符合该流域内洪峰的要求。此外，也可以加大装机容量，从而实现扩大水电站容量、提升水资源利用效率的目的。

该水电站为调节性水库，在对水电站的水能负荷进行计算时，应该满足一定的原则。首先，在确保二级电站发电量和用水量的前提下，坚持电站调度期内两级电站的发电量为原则，详细计算。通过计算水电站的装机容量、每年平均发电量以及装机的利用小时等动能指标，就可以绘制出水电站的平均发电量以及装机容量之间的关系曲线，具体的曲线图如下图所示。

发电量与装机容量关系曲线图

经分析，改造前电站装机容量为(2×8)MW，水量利用率为92.1%；机组增容至(2×9)MW后，电站的水量利用率可以提高到95.11%。龙溪水电站作为台州市的骨干电站，机组增容后能提高顶峰能力，可以适当缓解当地用电高峰时段的负荷压力。

4.2 在水电站中配置自动控制系统

龙溪水电站向现代化水电站的方向发展，就应该在增效扩容改造中应用自动控制系统。选择的自动控制系统应该具备冗余设备，即使出现元件损坏的现象，发电机的基本工作能力仍然能够完整地保存，这对于水电站的安全运行和稳定运行起到重要的作用。一般情况下，自动控制装置的计算机网络设计结构呈现单星形以太网的形式，由微机保护装置、励磁装置和可编程控制装置组成。微机调速器往往选择高油压的可编调速器，不仅可实现燃油的节约，同时还能够调节精度。高压氮气罐作为储能罐的选择，不仅节约投入成本，还能够提高电站运行的安全稳定性。

4.3 加强水电站机械设备的改造

机械设备的改造，包括对水轮机、发电机、进水阀设备的改造，以及调速器的更新。在水轮机的改造中，首先应更换转轮，利用数控加工技术将转轮的材料更新为不锈钢材料，同时对转轮叶片的型线以及转轮表面的粗糙度进行严格的控制，才能够更好地提升转轮的水力性能。还需要对导水机构进行改造，先检查导叶端面间隙以及顶盖止漏环的磨损情况，如果不符合要求，需要对顶盖做返厂处理，确定转轮的上冠尺寸，确保导叶端面间隙能够达到具体的设计要求。

其次是对发电机的改造，保留发电机中的主要构件，如：定子机座、主轴和转子磁轭，通过更换定子、转子线圈的方式增大导线的截面，增大发电机的额定容量，紧接着更换发电机其他部位的元件。调速器的更新应该选择灵敏度相对较高的调速器，能够保证其运行的稳定性，确保调速器的品质满足要求。其他辅助系统的改造包括对供水泵的更新、滤水器的更新，取消原有电站中的压气系统，更换低压压缩空气系统的压力表以及空压机等，确保整个辅助系统能够在运行的过程中呈现更好的状态。

4.4 加强水电站电气设备的改造

首先，对水电站的电气主接线进行改造，加强对电气主接线的调整，发电机的电压侧接线方式选择单母线接线形式，然后配用一台升压变压器。110kV侧采用变压器线路组接线的方式。其次，对厂用电接线进行调整，厂用电为0.4kV的，采用的接线方式为单母线接线方式，然后设置两台厂变，其中厂变1的接线选择6.3kV的母线，厂变2则可以选择10kV的线路进行接线。最后，对电气设备进行改造，包括对电气一次设备及二次设备的改造。其中，一次设备的改造涉及主变的更新、开关柜的取消、断路器的更新、照明灯具的更换等内容，二次设备的改造涉及的内容包括对各个线路保护装置的更新，对变电站计算机监控设备的更新等。

5 结 语

随着社会对生态环境保护的重视，利用水资源发电逐渐受到人们的重视。对小型水电站实施增效扩容改造，一方面能够利用水电站的现有资源，提高水资源的利用率，另一方面通过水资源发电能够为社会提供更多的电能资源，具有很好的社会效益和经济效益。天台县龙溪水电站增效扩容改造工程按设计完成后，于2017年6月21日线路接入系统，并进行72h试运行，最终验收合格；于11月21日机组启动验收通过，次日机组投入运行。通过对机械设备以及电气设备的改造，带满负荷由16000kW增加到18000kW，从而增加了发电效益。通过这次增效扩容改造项目的实施，在该水电站中增加自动化控制系统，可以及时消除运行中存在的安全隐患，提高生产效率和水资源利用率，确保了水电站的安全运行，推动了当地社会经济的发展。

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