倪建光

(福建省建甌市吉陽鎮(zhèn)水利電力工作站，福建 建甌 353106)

目前我國部分小型水電站在運(yùn)行使用中，存在設(shè)備老舊等原因，造成了機(jī)組效率低下，難于有效發(fā)揮經(jīng)濟(jì)利益，為解決這一問題，水電站相關(guān)管理人員可結(jié)合目前市場上水電站機(jī)組設(shè)備技術(shù)進(jìn)行老舊設(shè)備的更新改造，實(shí)現(xiàn)發(fā)揮小水電站最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效果的目的。

1 小水電站設(shè)備運(yùn)行存在問題

1.1 水電站設(shè)備調(diào)節(jié)性能差

研究水電站設(shè)備調(diào)節(jié)性能，例如選取二十世紀(jì)九十年代投入使用的一級水電站水輪發(fā)電機(jī)組，其主要設(shè)備參數(shù)為：水輪機(jī)型號為HLA244-LJ-120，設(shè)計(jì)定額水頭為27.5 m，最大水頭為32 m，額定流量為9.0 m3/s，額定功率為2 160 kW，額定轉(zhuǎn)速為375 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為748 r/min，額定效率為89%，最高效率為90.7%，吸出高度為-1.23 m，調(diào)速器型號為YDT-1800；其發(fā)電機(jī)型號為SF2000-16/2600，額定容量為2 000 kW，額定電壓為6 300 V，額定電流為286.3 A，頻率為50 Hz，功率因素為滯后0.8，相數(shù)為3，接線法為Y，額定轉(zhuǎn)速為375 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為778.3 r/min，效率達(dá)到93%，絕緣等級為B/B，勵磁方式為可控硅，額定勵磁電壓為80 V，額定勵磁電流為375 A。相比之下，下游二級水電站裝機(jī)容量數(shù)值為設(shè)計(jì)裝機(jī)容量160 kW，設(shè)計(jì)水頭:40 m，設(shè)計(jì)引用流量0.88 m3/s，二級水電站有3萬m3調(diào)節(jié)庫容。因此，從數(shù)據(jù)可以看出該小水電站設(shè)備上游一級水電站設(shè)備與下游安裝的二級水電站設(shè)備機(jī)裝量不協(xié)調(diào)，在工作中只有一級二級水電站設(shè)備同時運(yùn)行才能保障放水發(fā)電的正常運(yùn)行，不能只用一級水電設(shè)備利用地勢落差形成的壓力進(jìn)行水流發(fā)電，在豐水期會造成至少50%水源直接浪費(fèi)流失，枯水期不能滿足正常的發(fā)電需求，嚴(yán)重的影響了經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 設(shè)備發(fā)電出力不足

小水電站存在設(shè)備發(fā)電出力不足的問題，造成這一問題的主要原因是小水電站尾水渠設(shè)計(jì)或施工建設(shè)不合理。河道水流在經(jīng)過水輪機(jī)之后由于所攜帶的水能由轉(zhuǎn)輪進(jìn)行吸收利用轉(zhuǎn)化為電力，剩下的水流稱為尾水，尾水需要通過尾水渠流向下游的河道，在進(jìn)行尾水渠建設(shè)時，首先應(yīng)考慮到水電站設(shè)備機(jī)組的運(yùn)行效果及周邊的地形地勢形成的水能大小，如果不合理的尾水渠建設(shè)將導(dǎo)致下游發(fā)生排沙淤積。例如，流經(jīng)尾水渠的水源與擋水墻形成90°的直角，尾水的流經(jīng)受到阻礙，將直接影響到下游的設(shè)備二次吸收利用水能，嚴(yán)重的影響到的水能發(fā)電的出力情況。

1.3 設(shè)備裝機(jī)容量與水源不協(xié)調(diào)

小水電站發(fā)電設(shè)備的裝機(jī)容量與水源流量的匹配程度直接影響到水電站的發(fā)電情況。例如，小水電站壩以上集雨面積1.77 km2，原設(shè)計(jì)裝機(jī)容量160 KW，設(shè)計(jì)水頭150 m設(shè)計(jì)引用流量0.173 m3/s年平均利用小時4 473.3 h，年平均發(fā)電量為71.62萬 kWh；但現(xiàn)狀裝機(jī)容量250 KW，設(shè)計(jì)水頭170 m，設(shè)計(jì)引用流量0.22 m3/s，左引水渠道900 m，一直沒有辦法引水到前池，這樣發(fā)電引用流量0.09 m3/s，這種機(jī)裝量較大但水源不足的情況嚴(yán)重的影響了小水電站設(shè)備的發(fā)電效率，在一天的時間內(nèi)，在進(jìn)行設(shè)備發(fā)電幾個小時之后，由于設(shè)備裝機(jī)容量較大，其中存儲水資源利用耗盡之后，需要進(jìn)行關(guān)機(jī)避免損壞設(shè)備，當(dāng)完成蓄水后再進(jìn)行發(fā)電工作，這種發(fā)電工作模式嚴(yán)重的降低了發(fā)電的效率，一天發(fā)電時長不能發(fā)揮最優(yōu)效果。

1.4 發(fā)電設(shè)備選擇機(jī)型不合理

發(fā)電設(shè)備選擇機(jī)型不合理，會造成發(fā)電出力不足嚴(yán)重影響發(fā)電設(shè)備的發(fā)電效果。例如，電站壩址以上集雨面積為62 km2，河流長度為15 km河道平均坡降為28.5%，工程引用中和三級水電站，砌筑攔水經(jīng)350 m榆水渠，通過10 m壓力水管引至加枧上游約200 m處裝機(jī)發(fā)電，尾水進(jìn)入原河床。原設(shè)計(jì)裝機(jī)容量2×125 KW，毛水頭6.5 m，設(shè)計(jì)水頭6 m，設(shè)計(jì)引用流量5.6 m3/s現(xiàn)狀裝機(jī)容量2×160 KW，設(shè)計(jì)引用流量7.2 m3/s，壓力管長10 m，管內(nèi)徑1.5 m，渠道內(nèi)空寬×高=3.8 m×1.8 m，水深0.8 m，選用水輪機(jī)ZD760-LH-80，配發(fā)電機(jī)SF160-12/850。施工預(yù)期實(shí)測實(shí)際情況是設(shè)計(jì)水頭才4 m，經(jīng)過計(jì)算得到渠道實(shí)際流流量才2.7 m3/s，機(jī)組最大發(fā)電才80 KW，而且選擇的機(jī)組水頭是6 m實(shí)際情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)與設(shè)計(jì)不符，造成水電站效益低。

2 小水電站設(shè)備改造提升措施

2.1 建設(shè)日調(diào)節(jié)池

水電站日調(diào)節(jié)池可進(jìn)行通過調(diào)節(jié)容積，與水電站日負(fù)荷變化相適應(yīng)，具有調(diào)節(jié)能力的水池，在水電站建設(shè)中位于無壓引水道的某一位置，如果未建立日調(diào)節(jié)池的小水電站在運(yùn)行工作時將對水源水流的變化情況反應(yīng)能力遲鈍，與之相應(yīng)的，通過按照水電站最大引用流量，科學(xué)設(shè)計(jì)建造日調(diào)節(jié)池能有效的連接壓力前池間的引水道，設(shè)計(jì)上游的引水道時可按照接近水電站的水源平均流量進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示，建立日調(diào)節(jié)池需要結(jié)合一體化池與生化系統(tǒng)進(jìn)行泥沙過濾，這種設(shè)計(jì)適用于多數(shù)小型水電站，尤其是水電站裝機(jī)容量較小，電站水頭不高，引用流量不大的水電站[1]。例如，原裝機(jī)容量55 KW，引用流量僅0.3 m3/s，12 960 m3庫容即能調(diào)節(jié)12 h發(fā)電。建設(shè)日調(diào)節(jié)池能有效的調(diào)節(jié)水電站日負(fù)荷變化，并且建立日調(diào)節(jié)池需要投資也少，優(yōu)化水電站性能以實(shí)現(xiàn)增加小水電站增加經(jīng)濟(jì)效益的目的。

圖1 日調(diào)節(jié)池

2.2 調(diào)整壓力鋼管管徑

通過科學(xué)合理的進(jìn)行調(diào)整壓力鋼管管徑，能有效的減少水頭損失，將水源水能充分利用，實(shí)現(xiàn)增加小水電站發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益的目的，如果壓力管徑偏小不能滿足超負(fù)荷發(fā)電增加發(fā)電效益的需求[2]。例如，水電站因?yàn)閴毫軓狡?，?shù)據(jù)按估算的管徑0.46 m，但實(shí)際發(fā)電的時候，由于壓力鋼管長達(dá)851 m，小水電站設(shè)備一進(jìn)行開機(jī)后，水頭就從45.5 m降到37 m，但是實(shí)際損失水頭高于理論損失水頭，損失水頭達(dá)到8.5 m水頭，理論計(jì)算水頭只有損失7.1 m，因?yàn)閴毫軓狡?，水頭損失大，引水管效率只有81.3%。改造時按精確理論計(jì)算出沿程和局部損失以及實(shí)測換算相結(jié)合得出管徑0.791 m，后管徑選取0.8 m，如圖2所示，這樣水頭損失只有0.55 m很小，將可以實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷發(fā)電并超負(fù)荷發(fā)電增加發(fā)電效益。

圖2 改造后壓力鋼管

2.3 擴(kuò)寬渠道增加水流流量

通過擴(kuò)寬渠道增加水流流量，能有效的降低尾水流量并起到增加水頭的作用。這樣就可以有效的提升水電站設(shè)備機(jī)組的發(fā)電出力效果，并提升發(fā)電效益。在進(jìn)行小水電站擴(kuò)寬渠道的施工方案數(shù)據(jù)時，相關(guān)人員進(jìn)行渠道流量測量可使用流速面積法、平均流速公式法、水位流量曲線法和量水堰槽法等，通過科學(xué)合理的方式測量出施工地點(diǎn)的水流流量之后，在進(jìn)行擴(kuò)寬渠道的施工。例如，中和云橋電站擴(kuò)寬渠道項(xiàng)目中，將渠道由內(nèi)空寬×高=3.8 m×1.8 m改造成寬×高=7.0 m×1.8 m，水深0.9 m，經(jīng)過(A-斷面面積，R-濕周半徑，i-水渠坡度，n-水渠糙度)計(jì)算得到流量達(dá)到7.97 m3/s，由于上游有電站，前池加高0.5 m，經(jīng)過施工改造后，能有效的提升設(shè)備水頭并降低了流經(jīng)水輪機(jī)的水尾，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況更新改造了水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，選擇型號為水輪機(jī)ZD760-LH-80，發(fā)電機(jī)SF160-12/850。根據(jù)實(shí)測實(shí)際情況時設(shè)計(jì)水頭制定為4 m，引水渠道引用流量為7.97 m3/s，機(jī)組發(fā)電選擇266 kW，如更換水輪機(jī)機(jī)組為水頭是4.5 m的機(jī)型，通過適當(dāng)?shù)脑黾铀^高度，而不改變其他設(shè)備參數(shù)，達(dá)到小水電站的最優(yōu)設(shè)備發(fā)電出力，可以有效地增加該水電站的經(jīng)濟(jì)收益。

2.4 增加水輪機(jī)容量

在二十世紀(jì)我國進(jìn)行的小型水電站建立，由于受當(dāng)時的資金和技術(shù)的限制，不能使小型水電站建設(shè)有足夠的數(shù)據(jù)和理論進(jìn)行支撐，由于種種原因的阻礙，小水電站在建設(shè)時設(shè)計(jì)圖紙可能存在一定的偏差，在后期施工建設(shè)時，造成了建設(shè)規(guī)劃不科學(xué)合理的問題，例如發(fā)電利用小時和滿發(fā)電保證率要求高，造成部分電站裝機(jī)容量選擇較小，在工作運(yùn)行時不能充分利用水力資源，經(jīng)常出現(xiàn)大壩溢流且時間長，面對這一問題，在水電站設(shè)備改造升級時可適當(dāng)增加水輪機(jī)容量，將水資源充分利用，以促進(jìn)提升經(jīng)濟(jì)效益。在改造中為得出正確的數(shù)據(jù)模型，應(yīng)對小水電站機(jī)組設(shè)備進(jìn)行調(diào)研和水文資料進(jìn)行核實(shí)，通過調(diào)研工作找出最合適的水輪機(jī)容量數(shù)據(jù)[3]。下一步應(yīng)在小水電站機(jī)組設(shè)備工作運(yùn)行中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，確定其改造目標(biāo)，經(jīng)過專業(yè)人員的探討并結(jié)合實(shí)際情況制定出小水電站設(shè)備更新改造的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行施工建設(shè)。

3 結(jié)語

綜上所述，在過去建設(shè)小水電站時存在技術(shù)落后、缺乏專業(yè)人員和測量工具等問題，導(dǎo)致在發(fā)展中小水電站的設(shè)備已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的市場需求，對小水電站進(jìn)行設(shè)備更新改造是發(fā)展中必不可少的環(huán)節(jié)，通過先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和優(yōu)質(zhì)的材料，能有效的將小水電站資源利用效率提高，實(shí)現(xiàn)發(fā)展經(jīng)濟(jì)效益最大化。