花山水电站增效扩容改造方案研究

章如强

（中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528400）

1 工程概况

花山水电站位于广东省肇庆市广宁县境内，是北江流域绥江支流古水河上游梯级开发的“龙头”电站，1994 年3 月建成投入运行，该电站是一座引水式水电站，由进水口、有压隧洞、调压井、压力钢管、电站及开关站组成。花山水库总库容6 300 万m3，有效调节库容4 620 万m3，属中型水库。原电站总装机容量3×8 000 kW，发电机出口端电压6.3 kV，主变两台（20 MVA+10 MVA），水轮机型号为HLA153-LJ-100，配套发电机SF8-8/2600，额定功率8 000 kW，转速750 r/min。原设计水头93 m，设计流量10.39 m3/s，近3 年平均年发电量为6 532 万kW·h。花山水电站特征水位及水头见表1。

表1 花山水电站特征水位及水头 m

2 水电站存在的主要问题

1）设备老化，发电效率低。电站主机设备均为20世纪末设计制造，受当时设备制造工艺水平限制，水轮机材质较差, 尤其是转轮等过流部件一般采用碳钢等普通材料制造,其抗磨蚀、空蚀能力低。加上机组长期处于满发超发状态，目前机组包括水轮机转轮、底环、活动导叶、顶盖等过流部件空蚀严重，反复修补多次，转轮叶片及过流部件型线变形，效率降低明显。

2）水轮机运行效率较低，参数性能落后。使用的HLA153 型转轮是20 世纪80 年代的技术，由于当时的制造水平和精度不够，经过20 多年运行，转轮叶片气蚀非常严重，机组出力显著下降，机组运行时振动明显、噪音大，出力和效率均不理想。

3）现状水工建筑物影响水能利用。因电站引水口两侧岸坡处于水位变动区，导致岸坡岩石剥落坍塌，造成进水口淤积严重，影响进水。部分引水隧洞未衬砌，水头损失增加，造成水能资源的浪费。电站尾水出口右岸挡墙阻水严重,影响机组出力。

3 水轮机改造方案

1）改造原则。根据花山水库的现状水文特征，结合增效扩容改造规定。本次改造方案拟定的原则为：机组台数保持不变，型号选择需考虑现状水工建筑物及原机型结构尺寸。

2）水轮机型式及台数选择。原机组均为立轴混流式机组，经过20 多年的运行，转轮和流道气蚀严重、转轮和导水机构经多次补焊型线变形严重，造成转轮效率显著下降、流道损失加大，电站急需改造以减少损失，增加发电量，为当地经济发展提供清洁能源。为了最大限度利用电站原引水及厂房水工部分条件，机组改造方案应充分考虑现状水工建筑物及原机型结构尺寸，尽可能利用原机组埋入部件和厂房建筑，节约改造成本。本次增效扩容改造项目仍选用立轴混流式机组。

原电站装机3 台，若改变机组台数，则水工结构及压力管道布置变化大，改造成本很高，同时按照增效扩容改造规定，不允许增加机组台数，因此，本次设计维持原3 台机方案。

3）水轮机选型。本电站水库无新增功能，水库正常蓄水位不变，原设计额定水头为93 m，但从多年实际运行情况来看，该电站长期在105 m 左右运行，实际运行时水库水位多数时间在233～235 m 之间，运行范围偏离，本次改造将额定水头由93 m 提高到105 m，同时通过更换新型的转轮，可使机组综合效率显著提高，使压力引水系统管道和水轮机流道的水力损失尽量与原设计水平一致甚至高于原设计水平，因此，本次设计额定水头比原设计抬高12 m，与多年实际运行的额定水头保持一致，能最大限度保证机组在较高区域内运行。另外，原设计的加权平均水头为109.60 m，根据本次设计水能计算成果，加权平均水头为111.73 m，按照规范，额定水头与加权平均水头的比值在0.85～0.95 之间选择，取额定水头为105 m 是合理、合适的。

适合本次改造水头的转轮有D267、A743、D294 及JF2265，以上几个转轮其过流能力、效率等指标都很优秀。但本次改造设计受到原有流道及导水机构尺寸维持不变的条件限制，HLA153 机型的导叶高度系数小，查A153 的b0/D1=0.225，即225 mm。D267 转轮b0/D1=0.285>0.225，A743 转轮b0/D1=0.287>0.225，D294 转轮b0/D1=0.283>0.225、JF2265 转轮b0/D1=0.225，因此以上转轮仅JF2265 可满足本站流道及导水机构尺寸维持不变的改造要求，JF2265 是具有效率高、汽蚀性能优、运行范围优的新型转轮。A153 及JF2265 转轮模型技术参数比较见表2。

表2 转轮模型技术参数比较表

从表2 对比可知，JF2265 比A153 转轮能效指标先进、空化特性优良、运行稳定性好，因此，选择JF2265 机型，即HLJF2265-LJ-100 型水轮机，其运转特性曲线见图1。

图1 HLJF2265-LJ-100 运转特性曲线（750 r/min）

HLJF2265-LJ-100 转轮是中国水利水电科学研究院水力机电研究所研制的可以替代HLA153-LJ-100的新转轮。新转轮的设计水头为105m，额定出力10417 kW，额定流量10.85 m3/s，额定转速750 r/min，飞逸转速1 430 r/min，额定效率93.23%。

根据电站年发电量及运行记录，核算改造前机组综合效率为80.0%，改造完成后机组综合效率可由80.0%提高到89.5%，改造效果明显。同时改造后新转轮在各种水头下比原转轮同时增加2 000 kW 左右，改造后新转轮效率可达到93.23%，出力可达到10 417 kW。因此花山水电站新的装机容量达到扩容要求，方案机型选择合理。

4 辅助设备改造方案

1）主阀设备改造选型。原机组主阀均采用液控蝶阀，公称直径1 750 mm，承压水头160 m，3 台蝶阀共用1 台HYZ-2.5MPa 型油压装置。改造前，主要存在以下问题：①蝶阀为卧轴式，活门为饼形，流阻系数大；②阀门开关不到位，阻挡水流，水力损失大；③操作机构漏油严重；④控制系统老化，无远程控制接口。

本次3 台机组主阀改造将原3 台液控蝶阀全部更新，型号为D741X-20，承压水头200 m，每台蝶阀配16 MPa 皮囊式蓄能罐油压装置，蝶阀油压装置不需补气，可省掉厂房内高压气系统。蝶阀油压装置就近布置，可省去大量错综复杂的油、气管路，使水轮机层看起来整洁舒畅,且可实现现地及中控室远程操控。

2）调速器设备改造选型。电站原有调速器为YDT-3000 型机械液压式操作机构，经过20 多年的运行，控制性能差，机械和液压装置老化，再者本次电站扩容将水轮机额定出力由8 000 kW 提高到10 000 kW，原调速器已不能胜任花山水电站调峰任务。本次改造拟定更新全套调速器设备，保留混凝土基础。本站机组的调速功按下式计算：

式中 A——调节功（N·m）；

Q——最大水头下额定出力时的流量（m3/s）；

Hmax——电站最大水头（m）；

D1——转轮直径（m）。

经计算，调速功为29 838 N·m。按照《农村水电增效扩容改造项目机电设备选用指导意见》的要求，选择3 台目前技术先进成熟、高可靠性、并联PID 调节规律为基础的可编程高油压微机调速器，型号为YWT-3500-16 型，调速功35 000 N·m，皮囊式蓄能罐工作油压16 MPa，调速器不需要单独补气，可省掉厂房内高压气系统。调速器可实现现地及中控室远程操控。

5 增效扩容经济效益分析

水电站原装机容量为24 000 kW，近3 年平均年发电量约为6 532 万kW·h。根据水能计算结果，扩容后电站年平均发电量可达到7 861 万kW·h，与近3 年的平均发电量相比增加了20.35%，根据小水电综合单价约0.5 元/kW·h 计算，电站每年可增加收入665万元，效益可观，电站综合能效增加明显。根据对改造后的发电情况了解，改造后第1 年发电量达到7940 万kW·h，单机满发时达到额定出力，说明改造方案是成功的，进一步验证了改造方案选定机型的合理性。该电站进行增效扩容改造后，能充分利用水资源，发挥良好的经济和社会效益，得到了当地主管部门及建设单位的一致好评。

6 结 语

水电站的增效扩容改造是一个再创造的过程，在改造设计的过程中，受制约的因素较多，影响参数也很多，如何寻找到一个突破口来达到电站增效扩容的目的是关键所在。本文通过对花山水电站常年来的运行情况分析，得出电站长期运行水头在原设计额定水头之上的客观结论，在不改变流量的情况下，通过提高额定水头并寻找合适优质的转轮来达到增效扩容的目的，寻找可替代的优质转轮是本次改造的关键，通过改造后的运行情况及发电效益分析，本次改造方案是成功的。另外，农村小水电改造前，厂房环境大多较差，本次改造辅机设备选用目前技术先进成熟、高可靠性的设备，可省掉大量油、气管路布置，使厂房给人以整洁舒适的观感，这一点也是建设单位希望看到的又一改造成果。