川西某水电站增效扩容探析

(四川水利职业技术学院，成都 崇州，611231)

1 项目背景及意义

在全球发展绿色能源的大趋势之下，加强小型水电站增效扩容改造项目建设，不仅能够提高水能资源利用效率，获得较理想的改造收益，还能在改造过程中有效地改善河流生态环境，消除安全隐患，实现“以水发电，以电护绿，以绿涵水”的良性循环。由此，中央财政从可再生能源专项资金中安排资金对全国农村小水电进行增效扩容改造，以促进小水电行业的转型升级，充分发挥其综合效益，也达到节能降耗的环境保护作用[1]。

川西某水电站存在水能资源利用不充分、电能损耗高、发电综合效能降低、运行安全隐患较多等问题，在全面复核计算水能的基础上进行技术升级改造，可让水电站社会经济效益得到提升。

2 水电站概况及增效扩容改造的必要性

2.1 水电站概况

川西某水电站位于川西平原的都江堰市境内，它是1987年初投产发电的灌溉河道上无调节径流式河床电站。主要由取水枢纽、引水渠道、压力前池、发电厂房及尾水渠道组成，进水口接岷江支流灌溉河渠的进水闸，尾水与下一电站进水口相接，原设计进水口水位为714.81m，前池蓄水位为714.63m，尾水位为706.21m，工作水头为7.5m，引用流量50m3/s，总装机容量3×1000kW，主要任务为灌溉、输水和发电。

1989年由水电站厂方提出，并经属地相关政府部门同意，在基本不改动电站原有建筑物和不影响原机组发电的条件下，扩建一台200kW的小型机组。故电站共有机组4台，分别是3台1000kW和1台200kW的机组，总装机容量为3200kW。

2.2 电站现状分析

2.2.1 电站运行不安全

该水电站投入生产运行后，由于最初设计无备用电源，每当遇到电网系统甩负荷时，全厂所有交流电源立即消失，造成前池的泄洪闸、冲砂闸均不能及时开启，从而给电站安全运行构成严重威胁。同时该电站使用的水轮机组型号老、性能落后、结构复杂，维护维修麻烦；交流同步发电机年代久远、效率低；铝芯升压主变压器型号老、损耗高，尤其是200kW小机组的机电设备更是隐患突出，生产运行严重不安全。根据《小型水电站机电设备报废条件》要求，主要发电设备都需要更新换代。

2.2.2 水能资源利用不充分

电站经过30余年的运行，监测到电站坝址多年平均流量为49.7m3/s。电站原总装机3200kW，最大设计引用流量为55m3/s，弃水量较多，水量利用率为82%，对本段河流的水能资源利用不充分。

2.2.3 水头利用不足

2009年有关勘测设计单位在对灌溉河渠整治工程设计中，采用了对灌溉河渠节制闸、电站进水闸进行修复并加高94cm，灌溉河渠进水闸正常水位就变为716.30m，同期对电站进水口至前池两岸河堤进行了加固、加高处理。因当初电站设计的正常取水口水位是714.81m，这样就有灌溉河渠进水闸至电站取水口河段1.49m的落差没有得以利用，但电站原前池的溢流堰没有加高，从而使取水口加高的水头没有得到利用，已有水头未充分利用。

2.2.4 变压器为落后淘汰产品

该水电站原有一台升压主变压器为S7-4000/35型，两台厂用变压器为S7-100/6型、S7-100/35型。S7型号系列变压器是铝芯油浸式，能耗高、变损大，况且经过多年运行后设备陈旧、绝缘老化，属国家电力设备相关规范要求中明令淘汰的落后产品。按有关规程规范要求，铝芯高耗能变压器应更换成S11型低耗节能型变压器，需对主变、厂变进行更新淘汰。

2.2.5 综合能效利用不足

2009年该电站经“5·12”汶川大地震后进行了重建，对1-3号水轮发电机组的监控保护设施、辅助控制保护设备、高压开关柜等进行了微机自动化改造。但由于重建时未对流量和水头都进行提升，导致单机出力不足1000kW，4号200kW的小水轮机组厂房也因地震破坏使局部墙体开裂、基础下沉，造成机组无法运行。该电站改造前5年的平均发电量仅为1932.37万kW·h(详见表1)，与原设计的2100万kW·h相比，降低了约8%的综合能效。

表1 川西某电站2006-2010年度发电量统计 单位：万kW·h

2.3 增效扩容改造的必要性

2.3.1 生态环境保护的需要

该电站位于国家级城镇生态环境区内，自然生态环境在汶川“5·12”特大地震中受损严重。增效扩容项目首先是立足于电站的运行状况及工程特性作详细的水能复核计算，通过优选高效新型水轮发电机组，提高水能转化效率，适当扩大机组容量来充分挖掘现有水力资源的发电潜力，在起到保护和改善周边生态环境作用的同时还能改变当地的能源结构。因此，电站增效扩容是非常必要的。

2.3.2 电站安全生产运行的需要

电站机电设备因运行时间长，老化严重，结构复杂而维护维修不便；变压器型号老、损耗高，运行安全隐患较多；水轮发电机组设备设施在保护、控制、操作等方面也落后于时代发展，不满足运行安全管理规范要求。通过增效扩容，既可淘汰与改善电站老旧落后电气设备，也能提高综合工况效率和生产安全可靠性。

2.3.3 充分利用水能资源的需要

电站自建成以来已运行多年，由于机组老化，效率低，弃水量较多，综合能效低于76%。经过扩容技术改造，可将电站原55m3/s的引用流量扩大为66m3/s，水头由原来设计的7.5m提高到8.2m以上，单台大机组的出力提高到1250kW，4号小机组利用大机组使用后剩余的10m3/s流量，也能将机组容量提升。技改后更能充分利用汛期径流，水轮发电机组综合能效达83%以上。

3 增效扩容改造方案

按照水利部下发的《农村水电增效扩容改造有关要求》等有关文件，增效扩容改造机型选择基本原则为：台数应保持与原台数不变，机型及布置要匹配原厂房结构与机坑建筑物。在水能复核及装机容量确定的基础上，通过对水轮机机型进行比选，优选技术先进、节能环保型水轮发电机组，合理提高机组发电效率和电站水能综合利用率[2]。

3.1 额定水头的确定

由于地震后水利工程修复加高了94cm的原因，该电站取水口水位已由原设计的714.81m变为715.75m。通过技改使动力渠道和前池溢流堰加高、加宽，前池水位由714.63m变为715.58m，可利用水头增加了0.95m，额定水头增加了0.65m。

依据该电站径流资料，按相关水能算法核算，可得其压力前池最高水头为9.94m，最低水头为7.86m，年加权平均水头为8.43m，汛期的加权平均水头为8.21m。由于该电站属于河床式低水头电站，根据现有水头特性，同时考虑到电站在当地电网系统中的作用，为减少机组水头受阻，采用略小于汛期加权平均水头，综合确定电站额定水头为8.15m。

3.2 装机容量的选择

通过对该电站1-3号机组的流道过水能力进行计算，流道的最大过水能力为56m3/s。按电站额定水头为8.15m，根据出力在某一运行工况条件下电站发出的电能功率公式：

N=9.81η机η电QH=AQH

式中：η为水轮发电机组总效率；A为电站综合出力系数[3]。

经计算得到电站装机总容量：N=9.81×0.88×0.96×56×8.15=3782kW，确定1-3号装机容量为3750kW。

技改后的引水流量为66m3/s，1-3号机组使用56m3/s流量后尚剩余流量10m3/s，可多出675kW出力，因而4号装机容量确定为630kW。

3.3 水轮机组型号选择

该电站技改确定额定水头为8.15m，装机容量为3×1250kW+1×630kW。根据该电站情况来选择水轮机型号，宜采用轴流定桨式水轮机。经对国内现有水轮机机型分析，吸取同类型、同水头的水轮机选型经验，大机组推荐使用ZDJP502-LH-180，小机组采用ZDJP502-LH-140。

3.4 上网形式及主变的选择

按照电网对电站上网要求，原有上网关系、电压等级、上网点均不变，主接线应满足运行灵活可靠、操作简单。扩容技改后1-3号机组采用单母线接线，4号机组与前3台机组构成6.3kV的扩大单元接线，通过一台S11-6300/35型号的主变升压至35kV；然后采用变压器-线路单元接线方式与35kV电网连接。

4 经济效益

增效扩容后电站装机容量4380kW，新增装机1180kW，装机年利用小时数达到5919h，较技改之前年均发电量增加了660.14万kW·h(详见表2)，提高了34%。

表2 川西某水电站技改后发电量统计 单位：万kW·h

以上网电均价为0.22元/kW·h进行计算，年均增收电费145.2万元，扣除电力产品增值税17%、城市维护建设税5%和教育费附加3%，以及人工、维修、折旧等费用，电站每年净增收入约为92万元。

如以燃煤火电为替代电源，按火电每kW·h耗标准煤310g计算，并考虑5%的火电厂用电，项目地区每年可节约用煤214万t，减少一氧化碳、二氧化碳、烟尘、二氧化硫等污染气体排放约3134t，对减轻环境污染、保护生态环境具有较大作用。

5 结论

(1)该电站为灌溉河渠梯级开发的第一级电站，灌溉河渠上游流量大，比降较陡，水能资源丰富，扩容增效符合区域水能资源开发利用规划要求，改造后水轮发电机组综合能效提升到83%以上。

(2)扩容增效改造后，电站将单机1000kW的机组增容为1250kW，小机组容量由200kW扩容为630kW，总装机容量为4380kW，增加装机容量1180kW，年均发电量2592.51万kW·h，增加年发电量660.14万kW·h，年增加净收入92万元，获得了较好的经济和社会效益。

(3)扩容改造后原上网方式不变，充分满足了主接线运行灵活可靠、操作简单、技术领先、经济合理等要求，其监控方式采用“无人值守(少人值班)运行方式”，进一步提高了水电站综合自动化系统水平。

综上所述，该水电站资源条件好，对外交通方便，具有良好的增效扩容条件，增效扩容后将水力资源优势转变成经济优势，促进了当地的经济发展，缓解了水电站周边范围电力紧张的状况，同时对改变当地的能源结构，保护和改善生态环境都起到了非常重要的作用。