大中型常规水电站机组增容的探讨

彭才德，韩伶俐，宗万波

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

0 引 言

为助力实现“碳达峰、碳中和”的目标，构建以新能源为主体的新型电力系统，需大力提升电力系统的灵活性和调节能力，发电侧推动调峰电站的建设，多维度提升电力系统的调节能力，扩大可再生能源的装机规模，积极稳妥发展水电，加快推进抽水蓄能、新型储能等调节电源的建设，增强电力系统灵活调节能力，提升新能源消纳水平。

至2020年底，我国水电装机容量达37 016万kW(含抽水蓄能3 149万kW，小水电7 500万kW)，占全部装机容量的16.82%；全国并网太阳能、风电装机容量分别为25 343万、28 153万kW，占全部装机容量的11.52%、12.79%[1]。据预测，2021年底，风电和太阳能发电装机比重提高3%左右，对电力系统调节能力的需求进一步增加。

通过对常规水电站进行灵活性改造，增加常规水电站储能功能和发电能力，可有效提高电网备用容量，提升电力系统的调节能力，提升电力系统对风光等新能源电量的消纳能力。

常规水电站灵活性改造包括扩机、扩建抽水蓄能机组和对现有机组增容改造。其中，现有机组增容改造实施周期短、经济投入低。初步估计，常规水电站现有机组增容改造可使其电网备用容量增加5%及以上。

1 机组增容改造现状

经过几十年的开发建设，我国已建成大中型水电站600余座，各类大中型水轮发电机组约2 000台，其中有近一半为上世纪制造。受当时设计、生产制造水平的限制和经济条件的制约，这些电站普遍存在年利用小时偏高、设备性能不理想、综合效率偏低、稳定运行区域偏小、振动超标等问题，目前这些水电机组和主要电气设备陆续进入技术改造期。

20世纪投运的老机组改造后增加的容量可达到原单机额定容量的10%～20%，增容效果明显。如已完成全电站机组改造的刘家峡、新安江水电站装机容量分别由1 225、662.5 MW提高为1 350、845 MW；凤滩、柘溪水电站，机组改造后增容13%～15%；水口电站增容改造后容量由200 MW增至230 MW，增容15%；黄河大峡水电站机组技术改造后，机组容量由75 MW增至90 MW，增容20%；葛洲坝水电站125 MW机组增容改造后容量增至150 MW，增容20%；乌江东风水电站通过更换发电机绕组，将机组出力由170 MW提高至190 MW。

2 机组增容改造方式

已建水电站机组增加容量可分为挖潜增容、设置最大出力、增容改造3种方式。

2.1 挖潜增容

机组制造厂家在设计机组时通常会预留一定的出力余量(即超发能力)，在额定水头下，通过增加水轮机导叶开度可增加机组出力。早期投产的常规水轮发电机组出力余量一般不低于5%，近年投产的机组出力余量一般在5%左右。常规水电站在不经过任何改造的情况下，可通过在额定水头下增加水轮机导叶开度增加机组出力。挖潜增容通过挖掘发电设备的自身潜力来增加发电出力，不改变水电站水库特征水位、不改变水库与电站运行方式、无需更换或改造电站现有设备。挖潜增容在早期投产的电站机组实际运行中运用较多，如葛洲坝原125 MW机组运行出力最高可达140 MW，江西万安100 MW机组、陕西安康电站200 MW机组以105%额定出力运行成为常态。

美国陆军工程师兵团EM 1110—2—1701《水电站工程和设计手册》中明确，水轮机通常在低于额定水头时即可发出额定出力，因为制造商在设计中预留一些裕量以保证机组满足性能要求[2]。能发出额定出力的最小水头称为临界水头，临界水头只有在机组购买并试验后才被认可。

2.2 发电机设置最大出力

对于水头变幅较大的水电站，很多项目为提高混流式水轮发电机组在高水头区运行的稳定性，发电机设置有最大出力(约105%～110%额定出力)，电站运行水头高于额定水头后即可增加机组出力。混流式水轮发电机组增加出力运行，不仅可扩展机组的稳定运行范围，还可增加机组调节容量、提升电站的调峰能力和电网应急保障能力，这也有利于新能源消纳。

2.2.1 扩展机组的稳定运行范围

NB/T 10135—2019《大中型水轮机基本技术规范》中混流式水轮机稳定运行范围见表1[3]。表1中，额定水头以上，P为额定功率，额定水头及以下，P为相应水头下的保证功率；H为运行水头；Hr为额定水头。

表1 水轮机稳定运行范围

受发电机额定出力限制，混流式水轮发电机组稳定运行范围随着水头提高而变窄，在高水头段设置机组最大出力有利于扩展机组的稳定运行范围。

2.2.2 提高电站额定水头增加电站容量，可有效提高电站的调峰能力

以机组设置最大出力的三峡、向家坝、溪洛渡等3个水电站为例，在1年中的大部分时间，其运行水头均超过单机最大出力对应的最小水头(其中，三峡92.0 m，向家坝100.0 m，溪洛渡197.0 m)。

图1为2015年三峡电站旬平均净水头分布。从图1可以看出，从9月下旬到次年5月中旬，三峡电站的运行净水头均超过额定水头。从电网受电端分析，冬季负荷大且负荷峰谷差大，尤其傍晚以后出现用电高峰。因此，若能提高额定水头增大三峡电站发电容量，则可在9月到次年5月更好地弥补其他可再生能源(太阳能和风能)发电不足时电网的调峰能力。

图1 三峡电站旬平均净水头分布

图2为向家坝电站多年月平均水头分布。从图2可知，向家坝电站单机额定容量750 MW、额定水头95 m相应保值率为90%，单机最大容量800 MW对应的最小水头100 m相应保值率为68%；全年运行水头中仅7月、8月平均水头低于额定水头。

图2 向家坝电站多年月平均水头分布

图3为溪洛渡电站年内逐旬水头过程。从图3可知，溪洛渡电站单机额定容量700 MW、额定水头186 m相应保值率约58.4%，单机最大容量770 MW对应的最小水头197 m相应保值率约52.8%；从9月下旬开始直到次年3月下旬，电站水头均高于额定水头。

图3 溪洛渡电站年内逐旬水头过程

目前，各流域梯级陆续在上游建成具有调蓄能力的龙头水库，下游各梯级电站加权平均水头普遍提高，提高电站额定水头增加电站装机容量方案技术上是可行的。

2.2.3 利用已经设置的单机最大容量，可有效增加机组调节容量和电网旋转备用容量

从电网运行角度，对水电站单台机组出力放宽限制是有利的。若电力送出通道受限难以短时间内解决，电站装机容量和总的送出容量不变，放宽单机容量限制，在规定电站总出力和运行机组台数的基础上，除汛期水头低、机组出力受阻外，可有效提高运行机组的旋转备用容量。初步估计，设置最大出力的机组可使旋转备用容量增加5%以上。由于新能源电源出力的随机性、波动性，当新能源发电占电网比例增加时，电力系统必须增加相应容量的旋转备用，以提升电力系统的调峰、调频能力，保障安全稳定运行。利用机组设置的最大容量，不仅有利于增加机组调节容量和电网旋转备用容量，还可增加秋冬季机组检修时电站调峰容量，也有助于新能源大量接入电网后电网运行的稳定性。

2.3 增容改造

增容改造是对已到使用寿命、存在严重缺陷等老旧机组进行改造，提高机组的综合效率和使用寿命，同时增大机组容量；或对机组通过更换效率更高的水轮机转轮(或对转轮进行修型)、增加过机流量以及更换发电机线棒等实现增大机组容量。

因此，利用机组本身预留的超发能力或设置的最大出力来增大机组容量，或对电站主要机电设备进行局部改造增大机组容量，并进行电站接入系统等复核工作以及必要的涉网试验，即可实施对现有大中型常规水电站机组增容。

3 机组增容改造建议

(1)增容改造技术论证。首先，机组增容改造必须保证设备安全，在已有压力钢管、蜗壳、尾水管等过流埋件和相关土建设施的基础上实施，增容改造后的水轮机水力设计受制于已有水力通道，机组的结构设计需对留用的设备埋件及其相关的土建设施进行安全性复核，保证这些埋件和土建设施的安全；其次，增容改造需复核水文资料、机组调节保证计算成果、引水发电系统安全性和电气设备适应性等；第三，机组增容改造对配套的电力设备和接入系统也需开展相应的复核和改造工作。增容改造还需考虑新旧规范内容变化造成的影响。如凤滩和柘溪水电站机组增容改造，由于压力钢管设计规范修编，按现有规范复核压力钢管承压和抗外压稳定性均不满足要求，需要对压力钢管进行改造。因此，应高度重视水电站增容改造的技术论证工作，以确保电站安全、稳定和长期运行。

(2)不改变水库特征水位和综合利用要求。机组增容改造不改变水库特征水位，不改变综合利用要求，不影响电站水库运行方式。水电项目环评工作明确规定，单机增容不超过20%不要求复评，若单机增容超过20%则需进行复评。水电站项目业主可以据此综合考虑机组增容的幅度。

(3)电力送出。建议结合新能源和流域梯级电站布局增加电力送出线路，有效提高水电站的调峰能力。部分水电站送电距离远，送出通道的输送容量受限，可对水电站单台机组出力放宽限制，扩展机组稳定运行范围，增加单台机组调节容量，从而提高运行机组的旋转备用容量和电网旋转备用容量。项目业主可从提高电网备用容量和调节能力的角度，积极与电网沟通、协调，争取电网对水电站增容工作的支持。

(4)争取政策支持。可以借鉴农村水电、老旧风电项目技改升级政策以及相关政策，对常规大中型水电站改造增容给予支持。财政部、水利部于2016年发文，对符合河流规划、实施增效扩容的农村水电，给予中央财政奖励[4]。国家能源局于2021年提出启动老旧风电项目技改升级。福建省人民政府关于进一步规范水电资源开发管理的意见中明确指出，稳步推进现有水电站技术改造，支持现有水电站对引水建筑物、发电厂房、机电设备、送出工程、下泄流量监控装置等进行技改，实施增效扩容，消除安全隐患，提高水电能效，改善水环境[5]。国家“十四五”可再生能源发展规划提出，积极推进大型水电站优化升级，发挥水电调节潜力。充分发挥水电既有调峰潜力，在保护生态的前提下，进一步提升水电灵活调节能力，支撑风电和光伏发电大规模开发。在中东部及西部地区，适应新能源的大规模发展，对已建、在建水电机组进行增容改造[6]。

(5)选取有代表性的电站进行典型研究。建议选取机组设置最大出力的1个或多个水电站(如三峡、向家坝、溪洛渡等)进行典型研究，分析电站增加机组调节容量、提升电站整体调峰能力和电网应急保障能力的技术经济可行性。

4 结 语

水电站在实现我国“碳达峰、碳中和”战略目标中的地位越来越重要，无论在国家实现“碳达峰、碳中和”的战略层面，还是在增强水电站调峰能力的战术层面，已建水电站机组增加容量都具有重要的意义。已建大中型水电站可根据实际情况，采取挖掘现有机组发电能力、或充分利用已设置的最大出力、或进行增容改造等可行措施对机组进行有效增容，提升电力系统的调节能力和新能源消纳水平，为我国实现“碳达峰、碳中和”的战略目标奠定坚实的基础。