譚劍波 王正中 甘雪峰 何自立

摘要：為準確掌握農(nóng)村小水電增效擴容潛力，優(yōu)化改造后機組運行組合，采用有徑流資料的水力發(fā)電要素關聯(lián)性函數(shù)，聯(lián)合發(fā)電量反算引用流量，對峽口水電站水能進行詳細復核，并確定與工程相匹配的裝機容量和機型。設計應用表明，通過山岔河鸚鴿站徑流資料及電站多年運行發(fā)電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的核算與反算，可獲得能真實反映電站水能指標的準確數(shù)據(jù)，確保增效擴容改造設計方案具有較高技術可行性和經(jīng)濟優(yōu)越性、通過合理改造，峽口水電站水能利用率及轉換效率得到全面提高，棄水量減小，運行能耗降低，在增效擴容的同時實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。

關鍵詞：小水電；水能復核；發(fā)電量；裝機容量；機組選型

中圖分類號：TV747；TV76

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.029

小水電是幫助農(nóng)村新興經(jīng)濟體應對快速增長能源需求、減少CO2排放量的優(yōu)質(zhì)可再生清潔能源，對其合理開發(fā)利用是加強農(nóng)村清潔能源基礎建設，構建和諧新農(nóng)村的重要保障。小水電在新農(nóng)村社會經(jīng)濟發(fā)展、精準扶貧、節(jié)能降耗和抗旱應急救災等方面均發(fā)揮著非常重要的作用。截至2016年年底全國已建成農(nóng)村中小型水電站47000余座，總裝機約7791萬kWc。其中，在1995年以前建成且現(xiàn)處于低效運行條件或達到報廢條件的農(nóng)村中小型水電站有5700余座，裝機容量約800萬kW。這些水電站技術落后、機組效率低、安全自動化水平低和綜合利用功能衰退，導致大量寶貴水能資源浪費，且運行存在較大安全隱患。因此，為提高水能資源利用效率，促進能源結構調(diào)整，改善河流生態(tài)，加速農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展和新農(nóng)村建設，中央財政從可再生能源專項資金中安排資金對全國農(nóng)村小水電進行增效擴容改造，以促進農(nóng)村小水電行業(yè)的轉型升級，充分發(fā)揮其綜合效益。

農(nóng)村小水電站增效擴容改造工程要求在水能復核基礎上合理進行機型優(yōu)選并配置先進的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，對落后陳舊、老化失修的電站設備進行全面更新改造，確保電站社會、經(jīng)濟綜合效益高效穩(wěn)定發(fā)揮。相比新建電站，在增效擴容改造過程中，受輸水系統(tǒng)、過流流道、電站廠房結構等因素制約，改造增效設計方案更加復雜5。鑒于此，針對不同水電站具體工程特性，對增效擴容潛力、電站裝機容量和機型進行合理分析研究，是農(nóng)村小水電增效擴容改造亟待解決的問題。

1 水力發(fā)電要素關聯(lián)性函數(shù)

在中小河流水資源合理開發(fā)利用中，徑流計算在水力綜合利用和水工建筑物布置與結構優(yōu)化方面占有決定性地位。對于增效擴容小水電而言，可按照《小型水電站水文計算規(guī)范》（SL77-2013）推薦的頻率分析法、水文比擬法或區(qū)域綜合分析進行徑流計算，也可根據(jù)電站多年發(fā)電量反推引用流量。小水電水能復核計算中，其關聯(lián)性函數(shù)指標主要涉及電站出力、總裝機和多年平均發(fā)電量。

電站出力為在某一運行工況下發(fā)出的電能功率，即式中：η為水輪發(fā)電機組總效率，由水輪機效率η機、發(fā)電機效率η電中、傳動效率η傳組成；A為電站綜合出力系數(shù)，為總效率η與9.81的乘積；Q為電站發(fā)電引水流量；H為水輪機工作水頭。

電站年發(fā)電量為出力與發(fā)電時間的乘積，即式中：∑N為全年月均出力之和；工為月均小時數(shù)，為730h。

設計多年平均發(fā)電量計算公式為式中：E豐、E平和E枯分別為豐、平和枯設計代表年的電站年發(fā)電量；E15%、E50%、E85%分別為保證率為15%、50%、85%時電站年發(fā)電量。

農(nóng)村小水電所在中小河流通常只有參證站實測徑流資料，為提高計算精度，確保水能計算成果與電站工程特性具有良好匹配性能，設計推薦采用電站同期發(fā)電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用式（1）、式（2），根據(jù)發(fā)電量數(shù)據(jù)反算獲得發(fā)電引用流量：式中：Ei為電站第i月發(fā)電量。

若反算獲得的發(fā)電引用流量均小于河流實測徑流數(shù)據(jù)，則說明電站發(fā)電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)全面準確，獲得的引用流量數(shù)據(jù)合理可靠。結合電站前池與尾水波動特性、機組綜合出力系數(shù)和引用流量3個指標，即可獲得包含電站總裝機容量與多年平均發(fā)電量、電站總裝機容量與年利用小時數(shù)等特性關系的水能特性曲線。

2 農(nóng)村小水電站增效擴容實例分析

2.1 工程概況

峽口水電站位于太白縣鸚鴿鎮(zhèn)六家村石頭河一級支流山岔河上，屬山岔峽流域梯級開發(fā)第一級。引水口位于山岔峽峽口以上約2.3km的峽谷內(nèi)，采用低壩引水，壩址控制流域面積l12km2，經(jīng)1853m無壓隧洞引水至壓力前池。原設計引水流量2.22m3/S，設計水頭74.20m，裝機容量1320kW（2x500kW+lx320kW）。工程以引水發(fā)電為主，并擔負下游山岔峽水電站引水調(diào)節(jié)任務。

2.2 機組存在的主要問題

峽口水電站已投運近20a，目前引水隧洞、進水前池、輸水管道、過流流道和電站廠房等水工建筑物運行性能良好，僅局部存在破損、性能降低問題。而機電設備受當時建造水平低、設計標準偏低、管理理念滯后等因素制約，在電站投運以來問題不斷且呈惡化發(fā)展趨勢。機組長期帶病運行，發(fā)電效率和自動化水平低、設計參數(shù)與實際不匹配、豐水期棄水嚴重、高能耗等，嚴重制約電站社會經(jīng)濟效益的穩(wěn)定發(fā)揮，同時還存在絕緣性能降低、防洪標準不達標等諸多安全隱患。

（1）電站裝機容量偏小，豐水期大量棄水。峽口水電站屬低壩引水的徑流式電站，無調(diào)節(jié)能力，裝機容量偏小，當豐水期上游來水量超過電站所有機組引水流量上限時，多余流量就會從溢洪道直接下泄到下游。電站豐水期長期處于棄水狀態(tài)，造成大量水能資源浪費。

（2）設計參數(shù)與實際不匹配，機組效率低。峽口水電站原設計水頭低于實際水頭，發(fā)電水頭、過流能力等設計參數(shù)與實際運行工況間存在較大偏差，水輪機長期遠離最優(yōu)工況區(qū)運行，出力受阻。另外，機組參數(shù)偏差、空蝕、磨損及變形等導致水輪機葉片過流曲面出現(xiàn)開閉阻滯，以非平順狀態(tài)繞流，水力調(diào)節(jié)穩(wěn)定性差，已無法達到額定出力，效率逐年降低，年發(fā)電效益遞減。

（3）冷卻系統(tǒng)損壞嚴重，機組運行能耗高。發(fā)電機冷卻系統(tǒng)損壞嚴重，一些電子元器件已屬于淘汰產(chǎn)品，無法找到合適替換元件。自機組投運以來，發(fā)電機冷卻性能一直較差，機組未達到額定出力溫度就已超高，只能處于非滿負荷狀態(tài)運行，導致水能資源浪費。發(fā)電機定子、轉子絕緣等級偏低，為A/B級，存在耐電暈性能差、功率不穩(wěn)定、漏電等不正常狀態(tài)，對整個水輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行和運行維護人員人身安全埋下較大安全隱患。

2.3 水文分析及水能復核

鸚鴿水文站設立于1974年，在石頭河水庫壩址以上13km處，控制流域面積507km2。測驗項目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)，測驗的水文要素均被整編刊布，徑流資料連續(xù)完整，質(zhì)量較好，可信度高。流域的氣候條件相似，下墊面條件穩(wěn)定，無較大引水工程，對流域年徑流影響較小，年徑流資料一致性較好。

峽口水電站選用鸚鴿站1974-2014年共41a年徑流資料進行水能復核，年徑流量過程線與趨勢線見圖1。

由圖1可以看出，在41a徑流資料系列中，豐水年年份有1980年、1981年、2003年，平水年年份有1988年、1999年等，枯水年年份有1997年、2006年。徑流系列在1974-1978年變化較為平緩，在1979-1985年呈上升趨勢，在1986-2014年呈下降趨勢，可見所選年徑流量系列中包含了豐、平、枯各種量級的流量，年徑流系列具有一定的代表性。鸚鴿站所選資料多年平均流量為9.70m3/S，多年平均徑流總量為306×l06m3。采用水文比擬法并考慮面積修正計算峽口水電站不同頻率年徑流量，結果見表1。

由表1可知，峽口水電站多年平均流量為2.14m3/S、多年平均徑流量為67.60x106m3，與電站原設計發(fā)電引水流量2.22m3/S、發(fā)電引水總量56xl06mi相差不大，說明鸚鴿站實測水文系列資料的可靠性、一致性和代表性均較好。

為進一步掌握電站水能特性，根據(jù)太白縣山岔峽水電開發(fā)有限公司提供的2005-2014年逐月發(fā)電量統(tǒng)計值E和機組運行工況記錄，按照式（4）進行引用流量反算。結果表明：①發(fā)電運行水頭H為73.15～73.85m，低于74.20m設計水頭，機組長期運行在非高效工況區(qū)，效率較低：②機組綜合出力系數(shù)為7.05～7.80，雖然滿足原設計出力系數(shù)（7.70）要求，但在現(xiàn)代制造水平基礎上，水輪發(fā)電機組整體效率可以達到88%，綜合出力系數(shù)可以達到8.70甚至更高，機組綜合出力較低，更新增效效益可觀：③2005-2014年電站年均發(fā)電量為449.7萬kW.h，年利用小時數(shù)高達5200h，年利用小時數(shù)大，電站裝機容量明顯不夠，長期處于超發(fā)狀態(tài)，不僅水能利用效率低，而且對電站設備安全運行不利，存在較大擴容潛力：④經(jīng)引用流量反算，求得同期發(fā)電引水流量均小于電站上游來水流量.說明發(fā)電量反算數(shù)據(jù)準確可靠，電站在豐水期棄水流量高達1.2m3/S，擴容空間較大。

2.4 裝機容量選取

根據(jù)相關參數(shù)分析，結合電站工程特性，計算來水逐月動能，獲得電站裝機容量一多年平均發(fā)電量和電站裝機容量一年利用小時數(shù)間的關系曲線，見圖2。

由圖2可知，反算獲得的電站裝機容量一多年平均發(fā)電量關系曲線，能真實反映發(fā)電量隨裝機容量增大而增大且其增幅逐漸減小的特性。為獲得最佳裝機方案，必須尋找裝機容量與發(fā)電量間的最優(yōu)匹配組合。采用二階導數(shù)求曲線反曲點（由正比關系變反比關系的拐點），在裝機容量為1650kW時裝機與發(fā)電量關系曲線出現(xiàn)拐點，即單從裝機容量和發(fā)電量來看，1650kW是峽口水電站最優(yōu)裝機。但綜合考慮機槽特征、機組功率序列和綜合投資，最終確定峽口電站總裝機為1580kW（2x630kW+lx320kW），年發(fā)電量502萬kW.h。此時，年利用小時數(shù)為3180h，滿足小水電站增效擴容改造要求大于3000h的技術指標要求。

擴容改造后，峽口水電站設計引用流量由2.22m3/S增大到2.66m3/S。為確保電站調(diào)度運行具有較高經(jīng)濟性，需根據(jù)前池來水量合理優(yōu)化工作機組組合。由徑流分析知，峽口水電站前池多年平均來水流量為2.14m3/S，超過2.66m3/S的發(fā)生頻率為57.8%，也就是豐水期尚有部分棄水，改造后3臺機組相互間影響很小?？菟?1月至次年3月，前池平均來水流量為1.27m3/S，占最大引用流量的48%，雖不滿足3臺機組全部正常運行，但可優(yōu)化采取2臺機組或320kW小機單機組運行組合，充分利用水能資源。

根據(jù)水能特性曲線及設計指標，最終確定裝機容量為1580kW，比原來裝機擴容260kW，容量增大比例為19.7%。改造后年發(fā)電量由改造前的449.7萬kW.h增大到502.0萬kW.h，年利用小時數(shù)由5200h降低到3180h，增效明顯。

2.5 機組選型

根據(jù)水利部下發(fā)的“農(nóng)村水電增效擴容改造”相關文件，增效擴容改造機型選擇基本原則為：臺數(shù)應保持與原臺數(shù)不變，機型及布置要匹配原廠房結構及機坑建筑物。峽口水電站水頭波動范圍為73.1～75.3m，設計水頭確定為74.2m。電站1#和2#水輪機容量由500kW增大到630kW，3#水輪機容量320kW保持不變。

峽口水電站工作水頭為74.2m，屬混流式水輪機適用水頭范圍（30～700m），宜優(yōu)選混流式機組。根據(jù)額定水頭和單機容量，查水輪機型譜，初選水輪機型式為630kW機組（推薦HLA550-WJ，備選HLA542-WJ）、320kW機組（推薦HLA542-WJ，備選HLD54-WJ）。通過計算水輪機出力、單位流量和工作驗算范圍等特性參數(shù)來合理確定轉輪優(yōu)選方案。

根據(jù)模型轉輪單位流量及工作水頭，確定推薦及備選轉輪均為標準同步轉速n=1000r/min。根據(jù)水輪機綜合運轉特性曲線計算得到不同流量及水頭工況條件下的運轉特性數(shù)據(jù)，對比分析結果如下。

（1）630kW機組。①HLA550-WJ水輪機工作范圍在高效區(qū)，其最高模型效率可達93%，與備選機型HLA542-WJ相比，差異甚小，但HLA542-WJ額定工況點超越了95%出力限制線，明顯不符合條件：②在同樣水頭且額定出力工況下，HLA550-WJ機型工作效率高，且工作范圍及運轉特性范圍均更接近于高效區(qū)：③抗空蝕性方面，兩種機型幾乎相當。

（2）320kW機組。HLA542-WJ水輪機工作范圍在高效區(qū)，其最高模型效率可達93%，性能優(yōu)于HLD54-WJ；②在同樣水頭且額定出力工況下，HLA542-WJ機型效率高且工作范圍好，更能適應不同運轉工況：③抗空蝕性方面，HLA542-WJ更好，空蝕系數(shù)較小。

峽口水電站增效擴容改造優(yōu)選性能較好的HLA550-WJ-60和HLA542-WJ-50水輪機及其配套的SFW-630-6/990和SFW-320-6/740發(fā)電機。同時，經(jīng)吸出高程、過流能力、調(diào)節(jié)保證和結構應力適應性等復核計算，結果表明所選水輪機機型及配套發(fā)電機均能滿足相關設計規(guī)范要求。

3 結論

農(nóng)村小水電站增效擴容改造是水能資源合理開發(fā)、減少水損、提高機組綜合能效、增加效益、降低運行能耗、節(jié)能減排的再創(chuàng)造過程。水能復核及機組選型是增效擴容計算分析的關鍵內(nèi)容，也是工程改造后能否取得預期效益的設計關鍵點。結合工程特性和運行現(xiàn)狀，根據(jù)實測徑流資料水能復核及發(fā)電量反算關系，對峽口電站增效擴容潛力進行了詳細計算分析，并經(jīng)曲線二階求導獲得裝機容量與發(fā)電量間的最優(yōu)匹配參數(shù)。改造工程實施后，電站棄水量大、機組效率低等問題得到成功解決，發(fā)電效益得到明顯提高。峽口電站改造方案具有較高科學性、合理性和可行性，可為有實測徑流資料的無調(diào)節(jié)低壩引水式水電站的增效擴容改造方案設計提供一定參考。