楊祖煊

（古丈縣水電經(jīng)營(yíng)管理站 湘西自治州 416300）

古丈縣位于湖南省西北部，地處武陵山脈中段。境內(nèi)山高坡陡，溪河縱橫。全縣水能資源理論蘊(yùn)藏量72.37 MW，已開發(fā)8.685 MW。建有農(nóng)村小水電站17處，多數(shù)為徑流引水式，利用水頭在（5～300）m之間。這些小電站建成年代早，設(shè)計(jì)時(shí)不同程度地存在一些不合理因素。突出表現(xiàn)在裝機(jī)容量偏小、水輪發(fā)電機(jī)組選型不當(dāng)、勵(lì)磁系統(tǒng)不能適應(yīng)并網(wǎng)運(yùn)行等。水能資源利用率低，嚴(yán)重影響電站的經(jīng)濟(jì)效益。本文針對(duì)山區(qū)農(nóng)村小水電站的特點(diǎn)，結(jié)合多年從事農(nóng)村水電規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理工作經(jīng)驗(yàn)，從裝機(jī)容量確定、水輪發(fā)電機(jī)組選擇、電氣主接線擬定、勵(lì)磁系統(tǒng)匹配、電氣測(cè)量和同期裝置及保護(hù)裝置設(shè)計(jì)等方面對(duì)山區(qū)農(nóng)村小水電站設(shè)計(jì)作初步探討。

1 裝機(jī)容量確定

裝機(jī)容量是水電站的主要參數(shù)之一，它關(guān)系到水電站的規(guī)模、效益、投入資金的多少和水能資源的合理開發(fā)等問題。裝機(jī)容量確定過大，會(huì)造成投資增加、設(shè)備利用率低等問題；確定過小，水能資源不能得到充分利用。所以，確定經(jīng)濟(jì)合理的裝機(jī)容量是水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

裝機(jī)容量一般是結(jié)合水能計(jì)算成果經(jīng)動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算最后確定，這對(duì)于山區(qū)農(nóng)村小水電站來說顯得過于復(fù)雜，且常使電站裝機(jī)容量偏小。本文推薦采用裝機(jī)容量年利用小時(shí)法，即以一個(gè)預(yù)先確定的合適裝機(jī)容量年利用小時(shí)數(shù)來控制裝機(jī)容量確定的合理性。裝機(jī)容量年利用小時(shí)數(shù)（h年）是指水電站以裝機(jī)容量（N裝）滿載運(yùn)行發(fā)出多年平均年發(fā)電量（E年）的小時(shí)數(shù)，計(jì)算公式為h年=E年/N裝。山區(qū)農(nóng)村小水電站裝機(jī)容量確定步驟如下：

（1）進(jìn)行水能計(jì)算，求出保證出力Np和保證電能Ep。

（2）確定裝機(jī)容量年利用小時(shí)數(shù)目標(biāo)值。農(nóng)村小水電站的裝機(jī)容量年利用小時(shí)數(shù)一般在 （4 000～5 000）h范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)能力低的無調(diào)節(jié)或日調(diào)節(jié)水電站，h年可取偏大值；具有年調(diào)節(jié)的水電站，h年可取偏小值。

（3）確定保證出力倍比系數(shù)C。為減少試算工作量，使初定的裝機(jī)容量方案不偏離目標(biāo)值太遠(yuǎn)，通常采用倍比系數(shù)法初定裝機(jī)容量范圍，即N裝=C×Np。保證出力倍比系數(shù)C可根據(jù)電站具體情況，參考附表的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇。

（4）裝機(jī)容量范圍。根據(jù)確定的保證出力倍比系數(shù)C，由公式N裝=C×Np計(jì)算出電站的裝機(jī)容量范圍。

附表 保證出力倍比系數(shù)C參考表

（5）確定裝機(jī)容量方案。方案確定時(shí)要結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)容量及可能的機(jī)組臺(tái)數(shù)配置來進(jìn)行，即確定的數(shù)量一定是可以實(shí)際裝置的。在方案選擇時(shí)對(duì)于同一水電站一般盡量選擇同一機(jī)型，特殊情況下可以根據(jù)具體情況進(jìn)行大小機(jī)組搭配組合。方案數(shù)量一般不少于3個(gè)。小型水輪發(fā)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)容量等級(jí)有：125，160，200，250，320，400，500，630，800，1 000，1 250，1 600，2 000，2 500，3 200，4 000，5 000 kW。 農(nóng)村小水電站的機(jī)組臺(tái)數(shù)一般為1～4臺(tái)。

（6）計(jì)算各個(gè)裝機(jī)容量對(duì)應(yīng)的多年平均年發(fā)電量E年和裝機(jī)容量年利用小時(shí)數(shù)h年。根據(jù)各個(gè)方案的裝機(jī)容量數(shù)值，結(jié)合水能計(jì)算成果求出各個(gè)裝機(jī)容量對(duì)應(yīng)的多年平均年發(fā)電量E年，再由公式h年=E年/N裝求出各個(gè)裝機(jī)容量對(duì)應(yīng)的裝機(jī)容量年利用小時(shí)數(shù)h年。

（7）確定裝機(jī)容量N裝。根據(jù)上述計(jì)算成果，參照預(yù)先確定的h年目標(biāo)值，選取最接近目標(biāo)值的方案即可作為裝機(jī)容量選擇成果。同時(shí)確定對(duì)應(yīng)的多年平均年發(fā)電量E年和利用小時(shí)數(shù)h年。當(dāng)有幾個(gè)方案（一般2個(gè)）都比較接近目標(biāo)值h年時(shí)，須經(jīng)比較論證確定。

2 水輪發(fā)電機(jī)組選擇

水輪發(fā)電機(jī)組是水電站的主要機(jī)電設(shè)備。機(jī)組選型設(shè)計(jì)的正確與否，直接關(guān)系到電站的造價(jià)、出力以及投產(chǎn)后的運(yùn)行情況等。以往對(duì)農(nóng)村小水電站，設(shè)計(jì)者多是根據(jù)水能計(jì)算成果得出的電站設(shè)計(jì)水頭和單機(jī)引用流量?jī)身?xiàng)參數(shù)，在水輪機(jī)生產(chǎn)廠家所提供的產(chǎn)品目錄上選定水輪機(jī)的規(guī)格型號(hào)，然后按照產(chǎn)品目錄上提供的水輪機(jī)轉(zhuǎn)速、出力等配套發(fā)電機(jī)。這種方法雖簡(jiǎn)單，但投產(chǎn)后機(jī)組經(jīng)常會(huì)處于非高效區(qū)運(yùn)行，易出現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)工況、機(jī)組效率降低、氣蝕增大等不良后果。為此在山區(qū)農(nóng)村小水電站水輪發(fā)電機(jī)組選型中應(yīng)重點(diǎn)考慮水輪機(jī)型號(hào)的選擇。再根據(jù)所選定的水輪機(jī)出力、轉(zhuǎn)速和裝置形式、發(fā)電機(jī)效率等配套發(fā)電機(jī)。

（1）水輪機(jī)型號(hào)選擇。水輪機(jī)型號(hào)的選擇合理與否，直接影響到水輪機(jī)的運(yùn)行效率。水輪機(jī)根據(jù)水力作用的不同，分為反擊式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)兩大類。兩大類中，又可分為混流式、軸流式、貫流式、水斗式、斜擊式和雙擊式6種型式。不同的型式有不同的適應(yīng)水頭、流量和高效率區(qū)域。

水輪機(jī)選擇工作應(yīng)根據(jù)電站開發(fā)方式，動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算并參考制造商生產(chǎn)的機(jī)型、系列和規(guī)格選擇若干個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，從中選出綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)方案。實(shí)際設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)在某一水頭范圍內(nèi)遇到兩種以上適用的水輪機(jī)型號(hào)，應(yīng)該進(jìn)行綜合分析，評(píng)價(jià)不能單純的從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)考慮問題，才能選擇出比較理想機(jī)型。如臥式機(jī)組與立軸式機(jī)組相比較，前者雖然有制造方便、土建費(fèi)用少、價(jià)格較便宜、安裝檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，但在同等情況下與后者相比較，前者運(yùn)行條件很差，廠房?jī)?nèi)溫度、噪音皆遠(yuǎn)高于后者，嚴(yán)重影響運(yùn)行人員的身心健康和運(yùn)行時(shí)處理事故能力。因此在運(yùn)行參數(shù)基本相同的情況下應(yīng)盡量選擇立軸式機(jī)型為佳。又如混流式與軸流式機(jī)組相比較，當(dāng)水頭在（20～40）m范圍內(nèi)時(shí)，山區(qū)農(nóng)村小水電站應(yīng)選擇前者，當(dāng)水頭小于20 m時(shí)則采用后者為好。

（2）機(jī)組安裝高程的確定。水輪機(jī)的安裝高程不能超過水輪機(jī)允許的最大吸出高度，否則會(huì)引起水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的汽蝕、振動(dòng)等不良現(xiàn)象，縮短機(jī)組的運(yùn)行壽命。

● 臥式機(jī)組：▽安=Z下+hs-▽/900-D/2

● 立式機(jī)組：▽安=Z下+hs-▽/900式中Z下——尾水最低水位（m）；

hs——水輪機(jī)理論吸出高度（m），查水輪機(jī)應(yīng)用范圍圖及 hs=f（H）曲線；

D——水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑（m）；

▽——水電站廠房所在地的海拔高程（m）。

為了消除或減輕水輪機(jī)汽蝕，可將計(jì)算出的▽安降低（0.2～0.3）m 確定安裝高程。

3 電氣主接線

電氣主接線是電站運(yùn)行人員進(jìn)行各種操作和事故處理的重要依據(jù)之一。山區(qū)農(nóng)村小水電站總裝機(jī)大多在1 000 kW以下，裝機(jī)臺(tái)數(shù)一般不超過4臺(tái)；相應(yīng)的電壓等級(jí)和回路數(shù)以及主變的臺(tái)數(shù)也較少。加之山區(qū)農(nóng)村小水電站運(yùn)行人員技術(shù)一般較低。因此電氣主接線的擬定在滿足基本要求的前提下，應(yīng)力求采取簡(jiǎn)單、清晰且又符合實(shí)際需要的接線形式。

對(duì)于1臺(tái)機(jī)組，宜采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線；對(duì)于2～3臺(tái)機(jī)組，宜采用單母線不分段接線，共用1臺(tái)主變；對(duì)于4臺(tái)機(jī)組，宜采用2臺(tái)主變用隔離開關(guān)進(jìn)行單母線分段，以提高運(yùn)行的靈活性。

4 勵(lì)磁系統(tǒng)

山區(qū)農(nóng)村小水電站同步發(fā)電機(jī)多數(shù)采用半導(dǎo)體勵(lì)磁裝置。發(fā)電機(jī)容量500 kW以下的低壓機(jī)組普遍使用不可控硅二極管雙繞組電抗器分流式、相復(fù)勵(lì)半導(dǎo)體勵(lì)磁式和三次諧波半導(dǎo)體勵(lì)磁式三種勵(lì)磁型式。這類機(jī)組在單機(jī)運(yùn)行時(shí)，具有起勵(lì)迅速、裝置簡(jiǎn)單、自動(dòng)恒壓等優(yōu)越性。可是與電網(wǎng)并列運(yùn)行時(shí)，存在勵(lì)磁性能不適應(yīng)的缺陷：無功負(fù)載與有功負(fù)載分配不穩(wěn)定；當(dāng)電網(wǎng)的網(wǎng)電壓偏高時(shí)，機(jī)組容易發(fā)生振蕩，被迫減少有功功率輸出，無功又發(fā)不足，電站經(jīng)濟(jì)效益大受影響。本文推薦500 kW以上的發(fā)電機(jī)宜采用可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，500 kW以下的發(fā)電機(jī)優(yōu)先采用可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，也可采用電抗移相相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)。

5 同期、測(cè)量及保護(hù)裝置

現(xiàn)在山區(qū)農(nóng)村小水電站均需并網(wǎng)運(yùn)行。電站的并網(wǎng)操作，除了事關(guān)電站和電網(wǎng)的安全外，并網(wǎng)速度的快慢，還直接關(guān)系到機(jī)組空載水耗的多少。采用手動(dòng)并網(wǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，易造成水量的無謂浪費(fèi)，影響發(fā)電效益。加之徑流電站因來水量不穩(wěn)定（特別是枯水季節(jié)），開停機(jī)較頻繁，浪費(fèi)更加明顯。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要配置發(fā)電機(jī)控制同期裝置，作為小型發(fā)電機(jī)饋電、同期并網(wǎng)之用，一般采用ZTQ系列自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)裝置即可。

山區(qū)農(nóng)村小水電站保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足繼電保護(hù)基本要求的前提下，力求做到簡(jiǎn)單可行、維護(hù)檢修方便、運(yùn)行人員容易掌握等。主要有發(fā)電機(jī)過負(fù)荷、過流保護(hù)和欠電壓保護(hù)，水阻保護(hù)，變壓器過載、短路保護(hù)和防雷保護(hù)等。電氣測(cè)量應(yīng)包括：三相交流電流、三相交流電壓、有功功率、功率因數(shù)、頻率、有功電能、無功電能、勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓等的監(jiān)視和測(cè)量。

6 其 他

（1）因地制宜，選擇合適類型的壓力水管。除滿足承受水壓的需要外，還必須考慮建設(shè)地的自然條件，選擇合適的類型。對(duì)建在溫差較大地區(qū)的高水頭電站，宜采用鋼制壓力水管。

（2）盡量擴(kuò)大徑流引水式電站的前池容量，提高調(diào)節(jié)能力。為適應(yīng)現(xiàn)時(shí)小水電上網(wǎng)電價(jià)實(shí)行豐枯和峰谷電價(jià)，前池設(shè)計(jì)可一方面盡可能擴(kuò)大前池容量和擴(kuò)大前池入口段渠道斷面，建成具有日調(diào)節(jié)性能的前池；另一方面充分利用渠道兩側(cè)階地作蓄水槽，水位高時(shí)入槽蓄水，水位低時(shí)，出槽發(fā)電，從而盡量提高電站的調(diào)節(jié)能力。

（3）低水頭徑流式小水電站宜采用外置式攔污柵。將攔污柵布置在電站進(jìn)水渠口，離開廠房有一定距離，柵墩是獨(dú)立于廠房的混凝土結(jié)構(gòu)，柵葉立面布置一般設(shè)75°傾角，攔污柵底坎與攔砂坎結(jié)合設(shè)計(jì)，以降低土建投資。主要優(yōu)點(diǎn)是清污方便容易，保障電站的安全正常運(yùn)行，且可減少水頭損失。

7 結(jié)語

山區(qū)農(nóng)村小水電站雖小，但對(duì)發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等有重要意義，且其開發(fā)建設(shè)是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，因此設(shè)計(jì)工作不容忽視。作為農(nóng)村小水電工作的從業(yè)者，應(yīng)把握好電站設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，遵循科學(xué)、合理、簡(jiǎn)便的原則，重點(diǎn)做好裝機(jī)容量的確定和水輪發(fā)電機(jī)組的選擇，兼顧勵(lì)磁、同期和保護(hù)裝置優(yōu)化運(yùn)行的需要，適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)化程度越來越高的要求。

1王恩潤(rùn).小水電站[M].北京：水利電力出版社，1992.

2張洪楚.水電站[M].北京：水利電力出版社，1994.

3趙福祥.中小型電站電氣設(shè)備運(yùn)行[M].北京：水利電力出版社，2005.

4顏竹丘.水能利用[M].北京：水利電力出版社，1986.

5張潤(rùn).山區(qū)徑流引水式電站設(shè)計(jì)的幾占體會(huì)[J].小水電，2007，(3)：28-29.

6龍建明，李敏科，馬艷梅.小型水電站裝機(jī)容量的確定[J].小水電，2006，(4)：37-38. （收稿日期：2010-06-03）