东风水电站增效扩容水能复核及技改方案探讨

刘军伟

（新疆伊犁州水利电力勘测设计研究院，新疆 伊宁835000）

0 引言

小水电作为一种清洁可再生能源，对于农村新兴经济体发展有着重要的助力作用。据有关数据统计显示，现阶段国内已投入使用的中小型水电站数量超过4.7×104座，年发电量也超过了2683×108kW·h，对支持地方建设发挥着重要的能源载体作用。然而，受当时建设技术条件和设备因素以及后期管理维护等方面的影响，2000前建成的小水电当中，大多存在技术水平落后、设备老化严重、产能效率低下、安全管理要求不达标等问题，极大地造成了水资源的浪费，同时在安全和经济效益方面也有很大的缺陷，急需进行升级改造。本文以东风水电站为例，对其进行扩容增效水能复核并提出体改方案。

1 工程概况

东风水电站位于新疆巩留县境内县城以东11 km，阿尕尔森乡二道湾村。该电站始建于1985年5月，1987年8月投入运行。发电机出口电压为6.3 kV，电站并网电压等级110 kV，联网到巩留县三乡220 kV变电站。水电站自特克斯河恰甫其海山口引水，利用团结渠，在干渠桩号13 km处引水发电，尾水退北支干灌区，多余水量退东风排干，泄入伊犁河，是一项灌溉结合发电的综合性工程。水电站发电机机组共三组（1#～3#），总装机容量为4500 kW，其中1#～2#装机容量为2×1250 kW，机组水头为32.344 m；3#装机容量为2000 kW，机组水头为35.543 m。水电站机电设备为20世纪80年代产品，技术水平落后，产品陈旧老化，机组效率偏低，安全隐患偏高，不符合现代水电站综合信息自动化管理需求，需通过增效扩容把机电设备更换为新式产品。

受到原有输水系统、地质条件、厂房结构、发电机组安装高度等条件的影响，东风水电站增效扩容需要结合实际条件，在达到增效扩容改造目的的前提下，着重做好水能复核确定扩容幅度、机组选型以及机型适应性分析等内容，保证升级改造后的发电机组具有很好的适应性，满足发电站运行经济性。

2 水能复核及确定扩容幅度

2.1 水能复核

径流计算对于水力效益发挥、水电站建筑物布置及结构优化有着重要的意义，水电站增效扩容改造工程中，也可结合水电站多年发电量反算获得发电引用流量。发电引用流量Qi函数表达式为[1～3]：

选取1989年～2014年26年过流量资料进行水能复核，其年均过流量为10.058 m3/s。电站多年平均发电量为3168.2万kW·h，年利用小时数7040 h。将相关数据带入式（1）进行引用流量反算，得到以下四个方面结果：①1#～2#机组实际运行水头低于其设计水头32.3 m3/s，且3#机组运行水头也长期低于设计水头，水电站机组长期在非高效工况区运行，运行效率偏低；②发电机组综合出力系数在7.12～7.83，满足设计要求，但经过升级改造之后机组整体效率最高可以达到88%，出力系数平均可以达到8.5，原机组综合出力情况不佳，升级改造后效益显著；③电站多年平均发电量为3168.2万kW·h，年利用小时数7040 h。年利用小时数较长，而水电站现状装机容量则明显不足，水能利用效率低，具有较好的扩容潜力；④反算得到，同期发电引水发电流量小于电站上游过流量，表明反算结果数据可靠[4]。水电站丰水期弃水量达到了0.85 m3/s，具有较大的扩容空间。

2.2 装机容量选取

将东风水电站多年平均引流量-频率关系与丰水年引水流量-频率关系进行频率组合，得到其发电流量日平均流量历时关系。根据东风水电站工程运行特性，计算水电站机组来水逐月水能，进而得到水电站机组装机容量分别与多年平均发电量以及年利用小时数的关系曲线，见图1。为确定最优装机容量数值，需通过曲线关系获得装机容量和发电量之间的最佳组合[5～6]。求解过程是获得曲线的反曲线点，由图1可知，在装机容量为5500 kW时出现拐点，此值就是东风水电站的最佳装机方案。根据相关要求，农村水电增效扩容要求水工建筑物基本不动，因此需要在3台发电机组上进行升级改造。经过水能计算，电站进水闸、压力前池、压力水管等水工建筑物过水能力复核，装机容量在5400 kW～5700 kW水能利用效率最高。

根据实际运行情况，拟把（1#～2#）机组由原来的2×1250 kW增至2×1500kW。3#机组由原来的1×2000kW增至1×2500kW，使总装机达到2×1500 kW+1×2500 kW=5500 kW。电站多年平均发电量为3168.2万kW·h，年利用小时数7040 h，通过增效扩容后年理论发电量为4266万kW·h，年利用小时数7756 h，可增加发电量1097.8万kW·h。

图1 东风水电站水能特性曲线

3 水电站发电机型选择

3.1 额定水头

通过增效扩容进一步核算，设计流量由原来的17.5 m3/s，增至为 19.5 m3/s。（1#～2#）机组水头原为32.344 m，现为33.374 m；3#机组水头原为35.543 m，现为35.678 m。

3.2 机组增效扩容型号及参数

（1）1#、2#机组增容改造转轮。该电站原水轮机型号为HL240-WJ-84，海拔高度900 m。现拟对水轮机进行增容改造，升级1#-2#机组水头为33.374 m，流量为5.6 m3/s，改造后发电机的出力能达到1500 kW。根据HL240的导叶相对高度b0/D1=0.365，可以替代的转轮型号方案有三种，见表1。方案比选分析可知，方案三在最高模型效率、真机效率、最大过流量等方面都具有较高优势，因此1#、2#机组建议更换转轮为HL3605C-WJ-84，转轮材质为ZG06Cr13Ni5Mo。

表1 设计水头为33.374m时1#～2#机组转轮型号方案

（2）3#机组增容改造转轮。电站3#机组原水轮机型号为HLA551-WJ-100，海拔高度900 m，现拟对水轮机进行增容改造，升级3#机组水头为35.678 m，流量为8.28 m3/s，改造后发电机的出力能达到2500 kW。HLA551导叶相对高度为0.304，可替代的转轮型号方案有一种，将之与原方案对比见表2。由表2可知，新方案中最大过流量时发电机出力有明显增加，建议3#机组选择HLA551C-WJ-100型号水轮机。

表2 设计水头为35.678m时

3.3 调节保障计算

1#、2#机组吸出高度为1.3 m，调速器建议采用分段关闭措施，第一段关闭时间4 s，第二段关闭时间10 s，压力和速率均上升49%，满足要求。3#机组吸出高度为1.8 m，调速器关闭时间4.5 s，压力和速率均上升50%，可满足要求。

4 结语

东风水电站始建于上世纪九十年代，现阶段存在水能利用率低、发电效益差、设备老化等问题。通过水能复核得到东风水电站具有较大的可扩容空间，但受水工建筑物的影响，确定电站装机容量为5500 kW（2×1500 kW+1×2500 kW）。电站装机容量增加1000 kW，多年平均发电量理论增加1097.8 kW·h，年利用小时数增加716 h，大幅提高了水能利用和运行经济效益。优选的1#、2#机组转轮为HL3605C-WJ-84，3#机组水轮机型号选择HLA551C-WJ-100，运行效率高，可提高发电运行的增效电量和满足电站高效调节运行需求，具有较强的匹配性和适应性。