川西某水電站增效擴(kuò)容探析

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 崇州，611231)

1 項(xiàng)目背景及意義

在全球發(fā)展綠色能源的大趨勢(shì)之下，加強(qiáng)小型水電站增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目建設(shè)，不僅能夠提高水能資源利用效率，獲得較理想的改造收益，還能在改造過程中有效地改善河流生態(tài)環(huán)境，消除安全隱患，實(shí)現(xiàn)“以水發(fā)電，以電護(hù)綠，以綠涵水”的良性循環(huán)。由此，中央財(cái)政從可再生能源專項(xiàng)資金中安排資金對(duì)全國(guó)農(nóng)村小水電進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，以促進(jìn)小水電行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，充分發(fā)揮其綜合效益，也達(dá)到節(jié)能降耗的環(huán)境保護(hù)作用[1]。

川西某水電站存在水能資源利用不充分、電能損耗高、發(fā)電綜合效能降低、運(yùn)行安全隱患較多等問題，在全面復(fù)核計(jì)算水能的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，可讓水電站社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益得到提升。

2 水電站概況及增效擴(kuò)容改造的必要性

2.1 水電站概況

川西某水電站位于川西平原的都江堰市境內(nèi)，它是1987年初投產(chǎn)發(fā)電的灌溉河道上無(wú)調(diào)節(jié)徑流式河床電站。主要由取水樞紐、引水渠道、壓力前池、發(fā)電廠房及尾水渠道組成，進(jìn)水口接岷江支流灌溉河渠的進(jìn)水閘，尾水與下一電站進(jìn)水口相接，原設(shè)計(jì)進(jìn)水口水位為714.81m，前池蓄水位為714.63m，尾水位為706.21m，工作水頭為7.5m，引用流量50m3/s，總裝機(jī)容量3×1000kW，主要任務(wù)為灌溉、輸水和發(fā)電。

1989年由水電站廠方提出，并經(jīng)屬地相關(guān)政府部門同意，在基本不改動(dòng)電站原有建筑物和不影響原機(jī)組發(fā)電的條件下，擴(kuò)建一臺(tái)200kW的小型機(jī)組。故電站共有機(jī)組4臺(tái)，分別是3臺(tái)1000kW和1臺(tái)200kW的機(jī)組，總裝機(jī)容量為3200kW。

2.2 電站現(xiàn)狀分析

2.2.1 電站運(yùn)行不安全

該水電站投入生產(chǎn)運(yùn)行后，由于最初設(shè)計(jì)無(wú)備用電源，每當(dāng)遇到電網(wǎng)系統(tǒng)甩負(fù)荷時(shí)，全廠所有交流電源立即消失，造成前池的泄洪閘、沖砂閘均不能及時(shí)開啟，從而給電站安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。同時(shí)該電站使用的水輪機(jī)組型號(hào)老、性能落后、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)維修麻煩；交流同步發(fā)電機(jī)年代久遠(yuǎn)、效率低；鋁芯升壓主變壓器型號(hào)老、損耗高，尤其是200kW小機(jī)組的機(jī)電設(shè)備更是隱患突出，生產(chǎn)運(yùn)行嚴(yán)重不安全。根據(jù)《小型水電站機(jī)電設(shè)備報(bào)廢條件》要求，主要發(fā)電設(shè)備都需要更新?lián)Q代。

2.2.2 水能資源利用不充分

電站經(jīng)過30余年的運(yùn)行，監(jiān)測(cè)到電站壩址多年平均流量為49.7m3/s。電站原總裝機(jī)3200kW，最大設(shè)計(jì)引用流量為55m3/s，棄水量較多，水量利用率為82%，對(duì)本段河流的水能資源利用不充分。

2.2.3 水頭利用不足

2009年有關(guān)勘測(cè)設(shè)計(jì)單位在對(duì)灌溉河渠整治工程設(shè)計(jì)中，采用了對(duì)灌溉河渠節(jié)制閘、電站進(jìn)水閘進(jìn)行修復(fù)并加高94cm，灌溉河渠進(jìn)水閘正常水位就變?yōu)?16.30m，同期對(duì)電站進(jìn)水口至前池兩岸河堤進(jìn)行了加固、加高處理。因當(dāng)初電站設(shè)計(jì)的正常取水口水位是714.81m，這樣就有灌溉河渠進(jìn)水閘至電站取水口河段1.49m的落差沒有得以利用，但電站原前池的溢流堰沒有加高，從而使取水口加高的水頭沒有得到利用，已有水頭未充分利用。

2.2.4 變壓器為落后淘汰產(chǎn)品

該水電站原有一臺(tái)升壓主變壓器為S7-4000/35型，兩臺(tái)廠用變壓器為S7-100/6型、S7-100/35型。S7型號(hào)系列變壓器是鋁芯油浸式，能耗高、變損大，況且經(jīng)過多年運(yùn)行后設(shè)備陳舊、絕緣老化，屬國(guó)家電力設(shè)備相關(guān)規(guī)范要求中明令淘汰的落后產(chǎn)品。按有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，鋁芯高耗能變壓器應(yīng)更換成S11型低耗節(jié)能型變壓器，需對(duì)主變、廠變進(jìn)行更新淘汰。

2.2.5 綜合能效利用不足

2009年該電站經(jīng)“5·12”汶川大地震后進(jìn)行了重建，對(duì)1-3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控保護(hù)設(shè)施、輔助控制保護(hù)設(shè)備、高壓開關(guān)柜等進(jìn)行了微機(jī)自動(dòng)化改造。但由于重建時(shí)未對(duì)流量和水頭都進(jìn)行提升，導(dǎo)致單機(jī)出力不足1000kW，4號(hào)200kW的小水輪機(jī)組廠房也因地震破壞使局部墻體開裂、基礎(chǔ)下沉，造成機(jī)組無(wú)法運(yùn)行。該電站改造前5年的平均發(fā)電量?jī)H為1932.37萬(wàn)kW·h(詳見表1)，與原設(shè)計(jì)的2100萬(wàn)kW·h相比，降低了約8%的綜合能效。

表1 川西某電站2006-2010年度發(fā)電量統(tǒng)計(jì) 單位：萬(wàn)kW·h

2.3 增效擴(kuò)容改造的必要性

2.3.1 生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需要

該電站位于國(guó)家級(jí)城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境區(qū)內(nèi)，自然生態(tài)環(huán)境在汶川“5·12”特大地震中受損嚴(yán)重。增效擴(kuò)容項(xiàng)目首先是立足于電站的運(yùn)行狀況及工程特性作詳細(xì)的水能復(fù)核計(jì)算，通過優(yōu)選高效新型水輪發(fā)電機(jī)組，提高水能轉(zhuǎn)化效率，適當(dāng)擴(kuò)大機(jī)組容量來充分挖掘現(xiàn)有水力資源的發(fā)電潛力，在起到保護(hù)和改善周邊生態(tài)環(huán)境作用的同時(shí)還能改變當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)。因此，電站增效擴(kuò)容是非常必要的。

2.3.2 電站安全生產(chǎn)運(yùn)行的需要

電站機(jī)電設(shè)備因運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，老化嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而維護(hù)維修不便；變壓器型號(hào)老、損耗高，運(yùn)行安全隱患較多；水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備設(shè)施在保護(hù)、控制、操作等方面也落后于時(shí)代發(fā)展，不滿足運(yùn)行安全管理規(guī)范要求。通過增效擴(kuò)容，既可淘汰與改善電站老舊落后電氣設(shè)備，也能提高綜合工況效率和生產(chǎn)安全可靠性。

2.3.3 充分利用水能資源的需要

電站自建成以來已運(yùn)行多年，由于機(jī)組老化，效率低，棄水量較多，綜合能效低于76%。經(jīng)過擴(kuò)容技術(shù)改造，可將電站原55m3/s的引用流量擴(kuò)大為66m3/s，水頭由原來設(shè)計(jì)的7.5m提高到8.2m以上，單臺(tái)大機(jī)組的出力提高到1250kW，4號(hào)小機(jī)組利用大機(jī)組使用后剩余的10m3/s流量，也能將機(jī)組容量提升。技改后更能充分利用汛期徑流，水輪發(fā)電機(jī)組綜合能效達(dá)83%以上。

3 增效擴(kuò)容改造方案

按照水利部下發(fā)的《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造有關(guān)要求》等有關(guān)文件，增效擴(kuò)容改造機(jī)型選擇基本原則為：臺(tái)數(shù)應(yīng)保持與原臺(tái)數(shù)不變，機(jī)型及布置要匹配原廠房結(jié)構(gòu)與機(jī)坑建筑物。在水能復(fù)核及裝機(jī)容量確定的基礎(chǔ)上，通過對(duì)水輪機(jī)機(jī)型進(jìn)行比選，優(yōu)選技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能環(huán)保型水輪發(fā)電機(jī)組，合理提高機(jī)組發(fā)電效率和電站水能綜合利用率[2]。

3.1 額定水頭的確定

由于地震后水利工程修復(fù)加高了94cm的原因，該電站取水口水位已由原設(shè)計(jì)的714.81m變?yōu)?15.75m。通過技改使動(dòng)力渠道和前池溢流堰加高、加寬，前池水位由714.63m變?yōu)?15.58m，可利用水頭增加了0.95m，額定水頭增加了0.65m。

依據(jù)該電站徑流資料，按相關(guān)水能算法核算，可得其壓力前池最高水頭為9.94m，最低水頭為7.86m，年加權(quán)平均水頭為8.43m，汛期的加權(quán)平均水頭為8.21m。由于該電站屬于河床式低水頭電站，根據(jù)現(xiàn)有水頭特性，同時(shí)考慮到電站在當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)中的作用，為減少機(jī)組水頭受阻，采用略小于汛期加權(quán)平均水頭，綜合確定電站額定水頭為8.15m。

3.2 裝機(jī)容量的選擇

通過對(duì)該電站1-3號(hào)機(jī)組的流道過水能力進(jìn)行計(jì)算，流道的最大過水能力為56m3/s。按電站額定水頭為8.15m，根據(jù)出力在某一運(yùn)行工況條件下電站發(fā)出的電能功率公式：

N=9.81η機(jī)η電QH=AQH

式中：η為水輪發(fā)電機(jī)組總效率；A為電站綜合出力系數(shù)[3]。

經(jīng)計(jì)算得到電站裝機(jī)總?cè)萘浚篘=9.81×0.88×0.96×56×8.15=3782kW，確定1-3號(hào)裝機(jī)容量為3750kW。

技改后的引水流量為66m3/s，1-3號(hào)機(jī)組使用56m3/s流量后尚剩余流量10m3/s，可多出675kW出力，因而4號(hào)裝機(jī)容量確定為630kW。

3.3 水輪機(jī)組型號(hào)選擇

該電站技改確定額定水頭為8.15m，裝機(jī)容量為3×1250kW+1×630kW。根據(jù)該電站情況來選擇水輪機(jī)型號(hào)，宜采用軸流定槳式水輪機(jī)。經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水輪機(jī)機(jī)型分析，吸取同類型、同水頭的水輪機(jī)選型經(jīng)驗(yàn)，大機(jī)組推薦使用ZDJP502-LH-180，小機(jī)組采用ZDJP502-LH-140。

3.4 上網(wǎng)形式及主變的選擇

按照電網(wǎng)對(duì)電站上網(wǎng)要求，原有上網(wǎng)關(guān)系、電壓等級(jí)、上網(wǎng)點(diǎn)均不變，主接線應(yīng)滿足運(yùn)行靈活可靠、操作簡(jiǎn)單。擴(kuò)容技改后1-3號(hào)機(jī)組采用單母線接線，4號(hào)機(jī)組與前3臺(tái)機(jī)組構(gòu)成6.3kV的擴(kuò)大單元接線，通過一臺(tái)S11-6300/35型號(hào)的主變升壓至35kV；然后采用變壓器-線路單元接線方式與35kV電網(wǎng)連接。

4 經(jīng)濟(jì)效益

增效擴(kuò)容后電站裝機(jī)容量4380kW，新增裝機(jī)1180kW，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)達(dá)到5919h，較技改之前年均發(fā)電量增加了660.14萬(wàn)kW·h(詳見表2)，提高了34%。

表2 川西某水電站技改后發(fā)電量統(tǒng)計(jì) 單位：萬(wàn)kW·h

以上網(wǎng)電均價(jià)為0.22元/kW·h進(jìn)行計(jì)算，年均增收電費(fèi)145.2萬(wàn)元，扣除電力產(chǎn)品增值稅17%、城市維護(hù)建設(shè)稅5%和教育費(fèi)附加3%，以及人工、維修、折舊等費(fèi)用，電站每年凈增收入約為92萬(wàn)元。

如以燃煤火電為替代電源，按火電每kW·h耗標(biāo)準(zhǔn)煤310g計(jì)算，并考慮5%的火電廠用電，項(xiàng)目地區(qū)每年可節(jié)約用煤214萬(wàn)t，減少一氧化碳、二氧化碳、煙塵、二氧化硫等污染氣體排放約3134t，對(duì)減輕環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有較大作用。

5 結(jié)論

(1)該電站為灌溉河渠梯級(jí)開發(fā)的第一級(jí)電站，灌溉河渠上游流量大，比降較陡，水能資源豐富，擴(kuò)容增效符合區(qū)域水能資源開發(fā)利用規(guī)劃要求，改造后水輪發(fā)電機(jī)組綜合能效提升到83%以上。

(2)擴(kuò)容增效改造后，電站將單機(jī)1000kW的機(jī)組增容為1250kW，小機(jī)組容量由200kW擴(kuò)容為630kW，總裝機(jī)容量為4380kW，增加裝機(jī)容量1180kW，年均發(fā)電量2592.51萬(wàn)kW·h，增加年發(fā)電量660.14萬(wàn)kW·h，年增加凈收入92萬(wàn)元，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

(3)擴(kuò)容改造后原上網(wǎng)方式不變，充分滿足了主接線運(yùn)行靈活可靠、操作簡(jiǎn)單、技術(shù)領(lǐng)先、經(jīng)濟(jì)合理等要求，其監(jiān)控方式采用“無(wú)人值守(少人值班)運(yùn)行方式”，進(jìn)一步提高了水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)水平。

綜上所述，該水電站資源條件好，對(duì)外交通方便，具有良好的增效擴(kuò)容條件，增效擴(kuò)容后將水力資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，緩解了水電站周邊范圍電力緊張的狀況，同時(shí)對(duì)改變當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境都起到了非常重要的作用。