陕西省石头河水库汤峪电站增效扩容改造方案分析

王 雪

（陕西省石头河水库灌溉管理局，陕西 咸阳 712000）

0 引言

水电能源作为优质的可再生清洁能源，通过电站的增效扩容不仅提升了能源产出效率，发掘相关电站的效益，同时也提高了电站运行的可靠性。建设资源节约型的能源供给体系，是支持国家和社会的可持续发展。开展水电增效扩容改造，是发展可再生能源，促进节能减排的迫切需要；是消除电站安全隐患，保障公共安全的迫切需要；是壮大农村集体经济，促进农民增收的迫切需要；是改善河流生态环境，促进人水和谐的迫切需要[1]。改造石头河水电站的高能耗、高污染以及故障高的设备符合国家相关产业政策的期待，本文结合石头河水库汤峪电站扩容改造实例，针对电站已有问题及现状提出相应的计算和改造思路。

1 水电站概况

1.1 水电站概况

汤峪水电站位于陕西省眉县汤峪镇，利用东干渠向西安、咸阳和杨凌供水而修建的渠道式电站。电站装机四台，为卧轴混流式水轮发电机组，设计水头68 m。设计装机容量4250 kW，实际最大出力3300 kW，设计年发电量2525万kW·h，实际年发电量1440万 kW·h。1994年投产了1#、2#、3#机组（同一厂房内），单机容量1000 kW，年利用小时6330 h，设计流量1.8 m3/s；2009年投产了4#机组，容量1250 kW，设计流量2.2 m3/s，设计年发电量625万kW·h，年利用小时5000 h。电站厂房为地面厂房，厂房内布置4台卧式水轮发电机组，1#、2#、3#机组在一个厂房内，4#机组单独在一个厂房内。1#、2#、3#机组厂房，主厂房长36.74 m，宽19.57 m，高10.21 m。

其中1#、2#、3#水轮发电机基本参数见表1。

表1 汤峪水电站1#、2#、3#水轮发电机基本参数

1.2 汤峪电站现状问题分析

1.2.1 水轮发电机组

（1）1#、2#、3#机电设备制造年代久远，质量及生产工艺差，设备性能不能满足技术标准要求；

（2）1#、2#、3#原有机组达不到设计出力要求，效率偏低。

（3）额定工况下机组综合效率52%，低于75%。

2.2.2 附属设备

1#、2#、3#主阀漏水，调压阀漏油，造成调速器油品劣化，设备经常出现卡阻现象。

1.2.3 辅助设备

电站自动化水平低，元器件均为电磁式继电器，稳定性差、灵敏度低，同时维护不便，已不能满足安全运行和自动化要求。

2 汤峪水电站改造的必要性

汤峪电站投产运行以来，安全隐患明显增多，已对电站安全运行造成严重威胁。

2.1 机电设备性能不能满足技术标准要求

原有机组达不到设计出力要求，单机最大出力仅为700 kW，仅占设计出力的70%，发电量与电站设计相差甚远，机电设备多偏离最优运行工况区域。

2.2 自动化程度低

由于相关电器设备生产年限久远，造成稳定性差，灵敏度较低，无法满足自动化运行的要求。同时，水轮机组的主机，励磁和监控等元件普遍出现老化现象，部分设备已超期服役。作为高耗能、高故障率的产品，其维护量和维护成本逐年增大，已严重影响到电站的安全高效运行。

2.3 国家产业政策的客观要求

按照国家提出建设资源节约性和环境友好型社会的总体要求，对全国水电站进行必要的技术改造以满足“无人值班，少人值守”要求，必须提高汤浴汤峪水电站设备的自动化水平和安全冗余度。

综上所述，对石头河水电站老化以及低能效设备进行改造符合国家有关产业政策的客观要求，也是非常必要的。

3 增效扩容改造方案

已建电站的扩容改造受到诸多条件约束，如原有厂房的尺寸，预埋构建的定位，水轮机的安装高程以及转轮直径等[2]。在满足改造目标要求和相关规范的前提下，主要考虑按照新的设计工况更换水轮机组，以期满足在水力高效区运行。

3.1 水轮机选型

3.1.1 根据已有参数确定目标函数

式中：K为水电站综合出力系数；Q（t）为水电站在第t时段的发电流量；H（t）为水电站在第t时段的发电净水头；T为调度其内的总时段数。

3.1.2 约束条件

约束条件主要考虑水量平衡约束、水库蓄水位约束、泄流量约束、电站出力约束及所有变量非负约束。

3.1.3 水轮机比选

考虑到已建工程厂房和土建等条件约束，经过动能阐述复核决定，选用高效且与发电水头匹配性良好的水轮机组对1#、2#、3#水轮机进行改造。4#机组于2009年建成发电，本次不改造。

经过对动能参数的复核，汤峪电站最大水头70.38 m，最小水头65.94 m，加权平均水头66.94 m，1#、2#、3#机组单机容量1100 kW。加上4#机组，装机容量为4550 kW。由于HL160转轮型号陈旧，效率低下，属淘汰产品，改造方案首选更换空蚀性能更好、效率更高的新型转轮。

本着尽量减少改造土建工程量，保持原有流道不变的宗旨，确定额定水头66 m。根据我国《中小型轴流式、混流式水轮机转轮系列型谱》及该电站的具体情况，并结合我国现行制造经验，选择近年来技术成熟、性能良好的HLTF180、HLA855等转轮进行技术分析。

如表2所示，转轮HLA855和HLTF180的性能均能满足设计要求，模型的最高效率达到93%。同时，相较于原转轮，水轮机额定工况的汽蚀系数变小，经复核后两个型号水轮机都能满足原有厂房的土建要求。而HLA855水轮机效率更高，性能更优。

由于转轮HLA855与HL160模型尺寸很相近，流道尺寸基本相同，因此导叶、导叶分布圆直径、进水阀门均与原尺寸匹配。综合比较，更换新型转轮，推荐HLA855转轮。转轮直径与原转轮直径相同，为0.6 m。

表2 汤峪电站水轮机主要参数比较列表

3.2 电站装机容量

汤峪电站水能复核计算在满足下游生态基流用水为约束条件下，以电站的投资收益率最大为目标函数，进行长系列计算确定了增效扩容后的三种方案，考虑机组设备价格差对三种方案进行动能经济指标对比，如表3所示。

表3 汤峪电站增效扩容不同方案经济指标对比

从表3可以看出，方案二比方案一可增加发电量28.15万kW·h，差额投资内部收益率达到了39.76%，方案三比方案二可增加发电量19.04万kW·h，差额投资内部收益率仅为7.24%，因此，增效扩容后，汤峪电站装机容量采用方案二，汤峪电站装机容量为3×1100 kW+1250 kW=4550 kW。汤峪电站目前实际发电量为1440万kW·h，通过增效扩容后改造后，汤峪电站发电量达到2572.04万kW·h。

4 结论

通过石头河水库汤峪电站增效扩容技术改造方案确定，在电站改造必要性、可行性论述的基础上，说明了在电站技术改造设计中水电站扩容幅度确定、水轮机选型及适应性分析和经济评价的设计思路，为类似水电站改造工程设计提供了参考依据[3]。

1）通过对汤峪电站增效扩容的改造，合理调度，保持高水头运行，提高水电站的经济性。

2）通过电站增效扩容，机组装置效率显著提高，不仅增加了经济效益，节约了能源，同时实现了水电站的自动化控制。

3）工程更新改造完成后，减少了维护修理费用，提高了设备完好率，延长了电站设备使用年限。