山區農村小水電站設計分析

周 率

(遵義市赤水市水利局，貴州遵義564700)

0 引言

山區小水電站是農村的重要基礎設施和公共設施，是由地方組織實施的各種所有制經濟主體通過開發農村水能資源形成的中小水電站及其配套電網，服務區域主要是農村和縣域經濟社會的發展。我國的山區農村小水電是加快農村地區經濟發展、提高農民生活水平的重要途徑。隨著農村經濟的發展，人們的生活方式發生著日新月異的變化，電力需求也不斷增大。尤其在山區農村都把發展水電，加快電氣化建設，作為實現農業和農村現代化的主要途徑，因此，人們對山區農村小水電的發展也更加關注。

1 成因及分析

山區農村小水電站有的建成年代早，在設計時不同程度存在一些不合理因素。主要表現在以下4個方面:①多處小水電站的裝機容量偏小，沒有經過精確計算，影響了發電效率。②水輪發電機組選型不當，發電模式不合理。③勵磁系統不能適應并網運行。④水能資源利用率低，水電站的經濟效益低。

通過以上調查，分析出有以下4點原因:①在設計上沒有充分的掌握水文資料，對地勢和山形等地理概況了解不全面。②電站的設計方案沒有體現科學合理。③電站的主要設備選型也不夠合理。④自動化程度和環保節能沒有達到水利部《農村水利技術現代化指導意見》的要求。

2 解決方案

2.1 裝機容量的確定

確定裝機容量是農村小水電站設計的重要構成部分，因為裝機容量的大小影響著水電站的規模和效益與科學合理的開發。裝機容量擬定過大，會導致設備運行效率不高等問題，設備利用率的降低就會間接導致建設成本的增加。如果裝機容量擬定過小，則不能最大限度的利用水能資源。因此裝機容量的擬值既要保證設備的利用率又要合理的利用水能資源，確定裝機容量按如下6個步驟:

1)對山區農村的水能進行計算，求出保證出力Np以及保證電能Ep。

2)山區農村小水電站的裝機容量年利用小時數一般不超過5 000 h，因此，在接步驟1)之后就要確定年利用小時數的目標值。

3)完成以上2步驟之后，接下來關鍵就是要確定保證出力倍比系數C。可根據公式N(裝)=C×Np計算。計算保證出力倍比系數C要根據山區農村小水電站的具體情況進行計算，同時還可以參考經驗數據，從而計算出山區農村小水電站的裝機容量，詳見表1。

表1 保證出力倍比系數C參考表

4)根據實際情況、機組臺數以及標準容量的大小來確定裝機容量的方案，在通常情況下一個發電站會選擇相同型號的機組，山區農村小水電站一般會選擇一至四臺機組，在特殊情況下可以選用大小機組相搭配的方案。

5)可根據不同設計方案的裝機容量數值的多少，再結合已經算出的水能計算成果可求出多年的平均發電量E(年)，各個裝機容量對應的裝機容量年利用小時數h(年)可根據公式h(年)=E(年)/N(裝)求出。

6)裝機容量的選擇可根據以上數值的計算成果，并參照目標值，選取跟目標值差距最小的方案。

3.2 水輪發電機組的選擇

3.2.1 型號的選擇

水輪機根據水力作用的不同分為2大類:反擊式水輪機和沖擊式水輪機。在這兩大類中，又可細分為6種不同的型號樣式。因此，在選擇水輪發電機組的時候不僅要從經濟成本預算的方面考慮，更要綜合考慮不同水輪發電機組型式的流量、高效率區域以及適應水頭等方面，只有各方面考慮全面才能最大程度的保證選出理想的機型。如果在運行參數基本相同的情況下選擇立軸式機型比較好。比如，水頭范圍在20～40 m，采用混流式的水輪發電機組比較好;如果水頭范圍＜20 m，就不宜采用混流式發電機組而應選擇軸流式的發電機組。這樣才能最大限度的利用水能資源。

3.2.2 機組安裝高程的確定

水輪發電機的型號確定后，關鍵就是發電機機組安裝高程的確定，為了盡量避免水輪機轉輪被汽蝕以及防止水輪機的轉輪轉動不良的現象，就要求發電機機組的安裝高程要低于設備所允許的最大吸出高度，并以此為依據確定水輪發電機機組的安裝高程。

1)臥式機組計算公式為:

式中:Z(下)為水最低水位，m;hs為機理論吸出高度，m;D為輪機轉輪直徑，m;為電站廠房所在地的海拔高程，m。可以將計算出的數值降低0.2～0.3 m確定安裝高程以便消除或減輕水輪機汽蝕。

3.3 電氣主接線的選擇

山區農村小水電站的電站運行人員進行各種操作和事故處理的重要依據是電氣主接線。山區農村小水電站的裝機臺數一般不超過4臺，總裝機容量大多在1000kW以下，正因如此，主變的臺數、回路數以及相應的電壓等級也比較少。再加上山區農村小水電站的工作人員和技術操作人員的專業素質不是很高，只要滿足基本要求的電氣主接線擬定好，各項技術參數基本符合要求，再稍微使得接線的形式簡單清晰即可。比如在有2臺或3臺機組的情況時，可以共用1臺主變并采用單母線不分段接線的形式。而在只有1臺機組的情況下，接線方式可以采用變壓器與發電機的組合方式。如果有4臺機組，那么可以根據水電站的實際情況來組合接線的方式。

3.4 水電站的勵磁系統

半導體勵磁裝置是多數山區農村小水電站同步發電機所采用的裝置。這種類型的機組在單機運行時有裝置簡單，自動恒壓和迄今迅速的優點。但在與電網并列運行時，會發生勵磁性能不適應的情況:一旦當水電站的電網配電壓力過高，發電機組就會發生明顯的震動現象，此時便會自動減少功率的輸出，造成這些現象的原因是無功負載與有功負載分配不穩定所導致的，這不利于山區農村小水電站經濟效益的發展。所以應按照實際和科學的參數來配備勵磁系統，農村小水電站的建設若采用500 kW以上的發電機，那就需要配備可控硅勵磁系統。如果發電機＜500 kW，那就需要首先考慮可控硅勵磁系統，同時合理運用電抗移相相復勵系統。

3.5 保護裝置

山區農村小水電站的保護裝置，可以對發電機的過負荷進行保護，還可以做到水阻保護以及變壓器過載的短路保護等，全面的保護裝置還應包括對防雷保護和過流及欠電壓的保護。在設計保護裝置的部分要盡量使得裝置簡單可行，掌握起來容易，方便操作人員的檢修和維護，但關鍵是要滿足繼電保護的要求。這是設計保護裝置的前提。

4 小結

1)在考慮山區農村小水電站的設計時應因地制宜，綜合考慮自然條件，比如溫差的大小，高差的大小等因素。

2)山區農村小水電站的設計可采用外置式攔污柵，這樣不僅能使得清污更加方便容易，且保障電站的安全正常運行，可減少水頭損失。

3)可以盡量擴大徑流引水式電站的前池容量，提高調節能力。

5 結語

在設計山區農村小水電站時要把握好設計的每一個環節，每個環節都要遵循科學合理的原則。農村小水電站的建設對農村經濟的發展，保護生態環境，減輕農民負擔方面發揮了不可替代的作用，因此，在設計過程中做好裝機容量的確定和水輪發電機組選擇的同時也要兼顧勵磁和保護裝置的優化，從而使得山區農村小水電站的經濟和生態效益最大化、合理化。

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