小水电站设备运行中常见问题及改造措施分析

倪建光

(福建省建瓯市吉阳镇水利电力工作站，福建 建瓯 353106)

目前我国部分小型水电站在运行使用中，存在设备老旧等原因，造成了机组效率低下，难于有效发挥经济利益，为解决这一问题，水电站相关管理人员可结合目前市场上水电站机组设备技术进行老旧设备的更新改造，实现发挥小水电站最优经济效果的目的。

1 小水电站设备运行存在问题

1.1 水电站设备调节性能差

研究水电站设备调节性能，例如选取二十世纪九十年代投入使用的一级水电站水轮发电机组，其主要设备参数为：水轮机型号为HLA244-LJ-120，设计定额水头为27.5 m，最大水头为32 m，额定流量为9.0 m3/s，额定功率为2 160 kW，额定转速为375 r/min，飞逸转速为748 r/min，额定效率为89%，最高效率为90.7%，吸出高度为-1.23 m，调速器型号为YDT-1800；其发电机型号为SF2000-16/2600，额定容量为2 000 kW，额定电压为6 300 V，额定电流为286.3 A，频率为50 Hz，功率因素为滞后0.8，相数为3，接线法为Y，额定转速为375 r/min，飞逸转速为778.3 r/min，效率达到93%，绝缘等级为B/B，励磁方式为可控硅，额定励磁电压为80 V，额定励磁电流为375 A。相比之下，下游二级水电站装机容量数值为设计装机容量160 kW，设计水头:40 m，设计引用流量0.88 m3/s，二级水电站有3万m3调节库容。因此，从数据可以看出该小水电站设备上游一级水电站设备与下游安装的二级水电站设备机装量不协调，在工作中只有一级二级水电站设备同时运行才能保障放水发电的正常运行，不能只用一级水电设备利用地势落差形成的压力进行水流发电，在丰水期会造成至少50%水源直接浪费流失，枯水期不能满足正常的发电需求，严重的影响了经济效益。

1.2 设备发电出力不足

小水电站存在设备发电出力不足的问题，造成这一问题的主要原因是小水电站尾水渠设计或施工建设不合理。河道水流在经过水轮机之后由于所携带的水能由转轮进行吸收利用转化为电力，剩下的水流称为尾水，尾水需要通过尾水渠流向下游的河道，在进行尾水渠建设时，首先应考虑到水电站设备机组的运行效果及周边的地形地势形成的水能大小，如果不合理的尾水渠建设将导致下游发生排沙淤积。例如，流经尾水渠的水源与挡水墙形成90°的直角，尾水的流经受到阻碍，将直接影响到下游的设备二次吸收利用水能，严重的影响到的水能发电的出力情况。

1.3 设备装机容量与水源不协调

小水电站发电设备的装机容量与水源流量的匹配程度直接影响到水电站的发电情况。例如，小水电站坝以上集雨面积1.77 km2，原设计装机容量160 KW，设计水头150 m设计引用流量0.173 m3/s年平均利用小时4 473.3 h，年平均发电量为71.62万 kWh；但现状装机容量250 KW，设计水头170 m，设计引用流量0.22 m3/s，左引水渠道900 m，一直没有办法引水到前池，这样发电引用流量0.09 m3/s，这种机装量较大但水源不足的情况严重的影响了小水电站设备的发电效率，在一天的时间内，在进行设备发电几个小时之后，由于设备装机容量较大，其中存储水资源利用耗尽之后，需要进行关机避免损坏设备，当完成蓄水后再进行发电工作，这种发电工作模式严重的降低了发电的效率，一天发电时长不能发挥最优效果。

1.4 发电设备选择机型不合理

发电设备选择机型不合理，会造成发电出力不足严重影响发电设备的发电效果。例如，电站坝址以上集雨面积为62 km2，河流长度为15 km河道平均坡降为28.5%，工程引用中和三级水电站，砌筑拦水经350 m榆水渠，通过10 m压力水管引至加枧上游约200 m处装机发电，尾水进入原河床。原设计装机容量2×125 KW，毛水头6.5 m，设计水头6 m，设计引用流量5.6 m3/s现状装机容量2×160 KW，设计引用流量7.2 m3/s，压力管长10 m，管内径1.5 m，渠道内空宽×高=3.8 m×1.8 m，水深0.8 m，选用水轮机ZD760-LH-80，配发电机SF160-12/850。施工预期实测实际情况是设计水头才4 m，经过计算得到渠道实际流流量才2.7 m3/s，机组最大发电才80 KW，而且选择的机组水头是6 m实际情况远远与设计不符，造成水电站效益低。

2 小水电站设备改造提升措施

2.1 建设日调节池

水电站日调节池可进行通过调节容积，与水电站日负荷变化相适应，具有调节能力的水池，在水电站建设中位于无压引水道的某一位置，如果未建立日调节池的小水电站在运行工作时将对水源水流的变化情况反应能力迟钝，与之相应的，通过按照水电站最大引用流量，科学设计建造日调节池能有效的连接压力前池间的引水道，设计上游的引水道时可按照接近水电站的水源平均流量进行设计，如图1所示，建立日调节池需要结合一体化池与生化系统进行泥沙过滤，这种设计适用于多数小型水电站，尤其是水电站装机容量较小，电站水头不高，引用流量不大的水电站[1]。例如，原装机容量55 KW，引用流量仅0.3 m3/s，12 960 m3库容即能调节12 h发电。建设日调节池能有效的调节水电站日负荷变化，并且建立日调节池需要投资也少，优化水电站性能以实现增加小水电站增加经济效益的目的。

图1 日调节池

2.2 调整压力钢管管径

通过科学合理的进行调整压力钢管管径，能有效的减少水头损失，将水源水能充分利用，实现增加小水电站发电经济效益的目的，如果压力管径偏小不能满足超负荷发电增加发电效益的需求[2]。例如，水电站因为压力管径偏小，数据按估算的管径0.46 m，但实际发电的时候，由于压力钢管长达851 m，小水电站设备一进行开机后，水头就从45.5 m降到37 m，但是实际损失水头高于理论损失水头，损失水头达到8.5 m水头，理论计算水头只有损失7.1 m，因为压力管径偏小，水头损失大，引水管效率只有81.3%。改造时按精确理论计算出沿程和局部损失以及实测换算相结合得出管径0.791 m，后管径选取0.8 m，如图2所示，这样水头损失只有0.55 m很小，将可以实现满负荷发电并超负荷发电增加发电效益。

图2 改造后压力钢管

2.3 扩宽渠道增加水流流量

通过扩宽渠道增加水流流量，能有效的降低尾水流量并起到增加水头的作用。这样就可以有效的提升水电站设备机组的发电出力效果，并提升发电效益。在进行小水电站扩宽渠道的施工方案数据时，相关人员进行渠道流量测量可使用流速面积法、平均流速公式法、水位流量曲线法和量水堰槽法等，通过科学合理的方式测量出施工地点的水流流量之后，在进行扩宽渠道的施工。例如，中和云桥电站扩宽渠道项目中，将渠道由内空宽×高=3.8 m×1.8 m改造成宽×高=7.0 m×1.8 m，水深0.9 m，经过(A-断面面积，R-湿周半径，i-水渠坡度，n-水渠糙度)计算得到流量达到7.97 m3/s，由于上游有电站，前池加高0.5 m，经过施工改造后，能有效的提升设备水头并降低了流经水轮机的水尾，并根据当地的实际情况更新改造了水轮机和发电机，选择型号为水轮机ZD760-LH-80，发电机SF160-12/850。根据实测实际情况时设计水头制定为4 m，引水渠道引用流量为7.97 m3/s，机组发电选择266 kW，如更换水轮机机组为水头是4.5 m的机型，通过适当的增加水头高度，而不改变其他设备参数，达到小水电站的最优设备发电出力，可以有效地增加该水电站的经济收益。

2.4 增加水轮机容量

在二十世纪我国进行的小型水电站建立，由于受当时的资金和技术的限制，不能使小型水电站建设有足够的数据和理论进行支撑，由于种种原因的阻碍，小水电站在建设时设计图纸可能存在一定的偏差，在后期施工建设时，造成了建设规划不科学合理的问题，例如发电利用小时和满发电保证率要求高，造成部分电站装机容量选择较小，在工作运行时不能充分利用水力资源，经常出现大坝溢流且时间长，面对这一问题，在水电站设备改造升级时可适当增加水轮机容量，将水资源充分利用，以促进提升经济效益。在改造中为得出正确的数据模型，应对小水电站机组设备进行调研和水文资料进行核实，通过调研工作找出最合适的水轮机容量数据[3]。下一步应在小水电站机组设备工作运行中进行实验分析，确定其改造目标，经过专业人员的探讨并结合实际情况制定出小水电站设备更新改造的设计方案，并进行施工建设。

3 结语

综上所述，在过去建设小水电站时存在技术落后、缺乏专业人员和测量工具等问题，导致在发展中小水电站的设备已经不能满足现在的市场需求，对小水电站进行设备更新改造是发展中必不可少的环节，通过先进的科学技术和优质的材料，能有效的将小水电站资源利用效率提高，实现发展经济效益最大化。