临泽县水电站增效扩容改造技术研究

2022-01-01李开月

中国水能及电气化 2022年6期

李开月

(临泽县水务局，甘肃临泽 734200)

1 基本情况

梨园河属内陆河黑河水系，发源于祁连山北麓，是黑河最大支流，干流全长169km，多年平均径流量2.43亿m3，流经肃南县、临泽县进入黑河。上游肃南县位于祁连山区，总人口只有3.2万，为牧业县，用水量较少。梨园河经临泽县鹦鸽嘴、红山湾两座中型水库调节后，通过梨园河引水枢纽引入梨园河东、西干渠灌溉。其中梨西干渠设计引水流量8.5m3/s，加大引水流量12.5m3/s，承担着梨园河灌区12400hm2农田灌溉任务，1995年临泽县利用梨西干渠纵坡大(1/50～1/70)、引水流量相对稳定的优势，在梨西干渠上建设了梨西1号、2号水电站，两座水电站首尾串联，利用灌溉水进行发电。

1.1 梨西1号水电站

梨西1号水电站位于梨园河引水枢纽下游1km处，设计引水流量8.6m3/s，设计水头36m，装机2500kW(2×1250kW)，安装2台HLA551-WJ-79水轮机，2台SFW1250-10/1430发电机组。设计年发电量825.05万kW·h，装机年利用小时数3260h。安装S9-3150/38.5/6.3型升压变压器一台，升压至35kV输送到梨西2号电站与系统联网。

1.2 梨西2号水电站

梨西2号水电站位于梨西1号水电站下游，接梨西1号水电站尾水，设计引水流量8.6m3/s，设计水头23.0m，装机1600kW(2×800kW)，安装2台HLD74-WJ-88水轮机，2台SFW800-14/1430发电机组。装机年利用小时数3427h，设计年发电量500.30万kW·h。安装S9-2000/38.5，Y/△-11主变压器一台，通过主变压器升压至35kV与电网Π接。

2 存在的主要问题

2.1 电站设计引水流量偏小

电站建设时，上游只有鹦鸽嘴水库调节，鹦鸽嘴水库总库容2500万m3，调蓄水量有限，梨西干渠年引水量只有1.2亿m3左右，随着灌区事业的发展，2017年临泽县又建成了红山湾水库，红山湾水库位于鹦鸽嘴水库下游22km、梨园河引水枢纽上游1.2km，总库容1700万m3，两座水库联合调度，调蓄能力大大增强，现状梨西干渠年灌溉引水量已增加至1.5亿m3左右,灌溉期5—11月，梨西干渠引水流量在2～11m3/s之间,平均引水流量8.26m3/s,尤其在6—8月汛期，流量超过8.6m3/s的天数多于90天，占年发电天数的43%，每年弃水约4000万m3，水资源不能被充分利用。同时，通过小东沟河河道治理，打通了梨西干渠弃水入河通道，汛期及非灌溉期的发电弃水可绕道小东沟河泄入黑河，为梨西干渠汛期和非灌溉期引水发电奠定了基础。

2.2 水轮机老化磨蚀

电站建成初期，机组效率均能达到设计要求，经过20多年运行，机组转轮、叶片、导叶轴、主轴密封等部件磨损严重，线圈老化，绝缘能力降低，在额定工况下，梨西1号电站年发电量只有570万kW·h，梨西2号电站年发电量只有350万kW·h，只能达到设计发电量的70%左右，运行效率严重下降。

2.3 机组设备技术落后

随着设备制造技术的更新换代，原机组设备工艺陈旧落后，密封不严，漏水严重，机组故障多发，维修零部件短缺，运行期间频繁停机检修，影响发电工作的正常进行。

3 改造的必要性

临泽县地处西北内陆，是典型的灌溉农业县，工业经济薄弱，利用水能资源优势，发展水电产业是缓解用电矛盾、改善生态环境、推动新农村建设、促进县域经济发展的有效举措。

3.1 合理利用水能资源的需要

随着运行工况变化，原电站设计引水流量及装机容量偏小，每年约有4000万m3弃水，水能不能被充分利用。电站增效扩容改造可充分利用水能资源，提高水能利用率，增加发电量，提高电站经济效益；调整农村能源结构，缓解农村用电矛盾，为农户提供更充足电量，改善农民生产生活质量，促进生态环境保护和改善，有利于推动新农村建设，满足当地工农业发展对电力的需求，促进社会、经济等各项事业的发展。

3.2 恢复和提高机组综合效率的需要

电站经20多年运行，设备老化、磨损严重，在额定工况下，年发电量只能达到设计发电量的70%左右。通过增效扩容改造，应用先进适用技术，可增加水电站装机容量，减少弃水和水头浪费，提升电站的自动化和信息化水平，达到无人值守或少人值守目标，实现自动化运行和减员增效，提高安全和技术性能，在额定工况下，将水轮发电机组的综合效率由现在的70%左右提高到90%以上，在大幅增加发电量的同时，提高机组稳定安全运行水平和综合效率。

3.3 促进节能减排

临泽县地处西部地区，生态基础脆弱，经济实力不强，采用现代化技术改造电站，最大化利用水能资源，增加绿色清洁能源，增加农村用电供给，减少柴、煤等传统能源消耗，可保护天然林，增加森林覆盖率，减少水土流失，改善农民生产生活条件，壮大农村水电规模，有效减少污染性能源消耗，为碳达峰、碳中和做出贡献。

3.4 消除安全隐患

采用先进适用技术对电站增效扩容，可消除安全隐患，增强农村水电为“三农”服务能力，改善农村生产生活条件，拉动农村市场和其他行业发展，促进农村消费，提高农村生活水平，推动新农村建设，助力农村和谐发展。增效扩容符合河流规划和水能资源开发规划，兼顾全县生产生活用水、环境保护和生态建设。

4 改造参数确定

经分析，正常情况下，现状梨西干渠引水流量被电站机组利用后还有大量未被利用的水能资源，因此对电站进行增容改造能充分利用水能资源，现状引水流量可满足增容改造的要求。

4.1 设计引水流量

梨西1号、2号水电站是利用梨西干渠灌溉水发电的引水式水电站，虽然上游有鹦鸽嘴、红山湾水库对径流进行调节，但电站来水完全依赖于灌溉用水，本身无调节能力。根据对梨西干渠逐日平均引水流量的统计分析，电站流量变化范围较大，其变化范围如下：

2.0～4.0m3/s，年出现天数15天，约0.5月；

4.0～6.0m3/s，年出现天数48天，约1.6月；

6.0～8.0m3/s，年出现天数63天，约2.1月；

8.0～11.0m3/s，年出现天数94天，约3.1月。

梨西干渠引水流量8.0～11.0m3/s出现天数94天，占总引水天数的42%。根据勘测成果及引水方案，确定梨西1号、2号水电站设计引水流量为10.8m3/s。

4.2 设计水头

梨西1号、2号两座水电站首尾串联，原设计发电引水流量8.6m3/s，为满足增容改造水头、流量要求，需对引水渠、前池和尾水渠进行加高加固，以满足设计流量10.8m3/s要求。梨西1号电站加高引水渠0.608km，加高0～0.562m，压力前池加高0.216m；梨西2号电站加高引水渠1.15km，加高1m，加高尾水渠727.35m，压力前池加高1m。根据加高后电站的前池及尾水水位关系，计算得电站水头参数如下：

梨西1号电站前池正常水位1662.876m，前池最小水位1662.276m，正常尾水位1624.601m，最低尾水位1623.755m。

最大净水头：Hmax=38.80m；

最小净水头：Hmin=37.04m；

加权平均净水头：H加权=37.92m；

设计水头：Hp=37.5m。

梨西2号电站前池正常水位1591.20m，前池最小水位1590.44m，正常尾水位1565.00m，最低尾水位1564.23m。

最大水头：Hmax=25.86m；

最小水头：Hmin=24.95m；

加权平均水头：H加权=25.8m；

设计水头：Hp=25m。

4.3水能计算

电站为引水式水电站，出力计算公式为

N总=AQHη水η发

式中N总——装机容量，kW；

A——电站综合出力系数，取9.81；

Q——发电引用流量，m3/s；

H——电站净水头，m；

η水——水轮机效率，取0.92；

η发——发电机效率，取0.96。

根据《小水电水能设计规程》(SL 76—2009)和《小型水力发电站设计规范》(GB 50071—2014)规定，按照《农村水电增效扩容改造项目机电设备选用指导意见》，并依据灌溉实际情况和电站2000—2020年放水流量及电站运行测定的水头，计算总装机容量：

梨西1号电站：N总=9.81×37.50×10.8×0.2×0.96=3508kW；

梨西2号电站：N总=9.81×25.0×10.8×0.92×0.96=2339kW。

4.4 装机容量确定

根据电站现有机组和水能测算，选定梨西1号水电站增容改造装机容量为3500kW(2×1750kW)，梨西2号水电站增容改造装机容量为2300kW(2×1150kW)。

5 改造路径

加高引水渠、前池、尾水渠，满足10.8m3/s引水流量和设计水头要求，在不改变原机组流道尺寸和结构的条件下，更新水轮机、发电机、调速器和励磁系统，改造通信、控制系统、继电保护、主变、输电线路等变配电设备、保护设备，增大水轮机出力，大幅增加电站装机容量，提高电站自动化控制水平和运行效益。

5.1 梨西1号水电站改造

5.1.1 水轮机改造

将电站原有2台HLA551-WJ-79水轮机组拆除，安装型号为HLA551-WJ-95的水轮机2台，转轮直径由790mm加大到950mm，单机设计引水流量增至5.4m3/s，2台引水流量增大到10.8m3/s。水轮机主要参数如下：

水轮机型号：HLA551-WJ-95；

设计水头：Hp=39m；

机组最大过水流量：Qmax=11.8m3/s；

设计流量：Qp=2×5.4m3/s=1.08m3/s；

电站最小引水流量：Qmin=2.0m3/s；

额定转速：n=600r/min；

水轮机额定出力：1750kW；

装置形式：卧式两支点结构。

5.1.2 发电机改造

将电站原有2台SFW1250-10/1430发电机组拆除，安装型号为SFWE-K1750-14/1730的2台发电机，单机额定功率由原1250kW增加到1750kW。

5.2 梨西2号水电站改造

5.2.1 水轮机改造

将电站原有2台HLD74-WJ-88水轮机组拆除，安装型号为HLA551-WJ-95的水轮机2台，转轮直径由880mm加大到950mm，单机设计引水流量增至5.4m3/s，两台设计引水量增大到10.8m3/s。水轮机主要参数如下：

水轮机型号：HLA551-WJ-95；

设计水头：Hp=25m；

机组最大过水流量：Qmax=11.8m3/s；

设计流量：Qp=2×5.4m3/s=10.8m3/s；

电站最小引用流量：Qmin=2.0m3/s；

额定转速：n=600r/min；

水轮机额定出力：1205kW；

装置形式：卧式两支点结构。

5.2.2 发电机改造

拆除电站原有2台SFW 800-14/1430发电机组，安装2台型号为SFWE-K1150-14/1730的发电机，单机额定功率由800kW增到1150kW。将两座水电站原型号为YWT-600的调速器改型为BWT-1000调速器，将两座水电站原型号为WLC-1000的励磁装置改型为PWK250。

5.3 电气工程改造

更换集控部分、机组自动屏、发电保护屏、线路保护屏、同期计量屏、站用交流屏、直流屏、统合屏、动力屏和主变保护等控制保护装置。将梨西1号电站型号为S9-3150/38.5的主变改型为S11-4000/38.5，额定容量由原3150kVA增容至4000kVA，将梨西2号电站型号为S9-2000/38.5的主变改型为S11-3150/38.5，额定容量由原2000kVA增容至3150kVA，更新高压电气设备。

5.4 金属结构改造

电站压力管道现为单管单机布置形式，钢管直径均为1.3m，经济流速为3～5m/s；本次设计单管过流量5.4m3/s，经复核计算，流速为4.07m/s，小于5m/s的规范允许经济流速，钢管过流满足流量要求，故本次压力管道不做改造。

5.6 上网线路改造

改建35kV上网线路13km，彻底解决电站上网输出问题，保证电站的正常运行。

6 效益测算

6.1 运行方式

水电站为以灌溉期发电为主的渠道引水式电站，机组出力由灌溉用水量决定。选定水轮机单机最大流量均为5.4m3/s，当流量小于2m3/s时，因运行不稳定而停止发电；流量大于2m3/s而小于5.4m3/s时，单机单发；流量大于5.4m3/s时，2台机组同时发电。根据梨西干渠引水现状分析，电站运行时间从4月下旬到11月共210天。其中，单机运行时间48天，两台机组共同运行时间162天，其中满发86天。机组检修安排在12月及次年4月前进行，因机组单机运行时间较短，一般不宜安排空闲机组检修。

6.2 效益测算

根据选定的机组型号和改造内容，电站厂用电率取0.8%，有效电量系数取0.90。电站增效扩容总投资1452.7万元。其中，梨西1号水电站890.97万元，梨西2号水电站561.73万元。

6.2.1 梨西1号电站

改造后，梨西1号水电站装机容量将由2500kW增容至3500kW，净增容量1000kW。年装机利用小时数由3260h，变为3050h，年平均发电量由825.05万kW·h增加至1175.05万kW·h，平均每年多发电350万kW·h。

有效电量=0.9×设计年发电量=0.9×1175.05=1057.55万kW·h；

上网电量=1057.55×(1-0.8%)=1049.08万kW·h。

电站有效发电量1057.55万kW·h，上网电量1049.08万kW·h，匡算电站改造投资890.97万元，每千瓦投资2545元，电能投资0.76元/(kW·h)，发电成本0.13元/(kW·h)。

6.2.2 梨西2号电站

改造后，梨西2号水电站装机容量将由1600kW增容至2300kW，净增容量700kW。年装机利用小时数由3427h变为3002h，年平均发电量由500.30万kW·h增加至690.21万kW·h，平均每年多发电189.91万kW·h。

有效电量=0.9×设计年发电量=0.9×690.21=621.19万kW·h；

上网电量=621.19×(1-0.8%)=616.22万kW·h。

电站有效发电量621.19万kW·h，上网电量616.22万kW·h。匡算电站改造投资561.73万元，每千瓦投资2442元，电能投资0.81元/(kW·h)，发电成本0.13元/(kW·h)。

6.3 对比分析

在额定工况下，水轮发电机组的综合效率由现在的70%左右提高到90%以上，梨西1号电站年发电量比目前的570万kW·h增加605万kW·h，增幅106%，比原设计年均发电量825.05万kW·h增加350万kW·h，增幅42%，产生净效益约87.5万元；梨西2号电站年发电量比目前的350万kW·h增加340万kW·h，增幅97%，比原设计年均发电量500.3万kW·h增加189.91万kW·h，增幅38%，产生净效益约47.55万元。按综合上网电价0.25元/(kW·h)计算，电站改造后财务年收入416.32万元，平均每年可获利润267.83万元。若按影子电价0.30元/(kW·h)计算，其国民经济年收益为499.59万元，增效扩容改造效益十分明显。