農(nóng)村水電站增效擴(kuò)容改造方案及評(píng)價(jià)分析

張樹峰

（新華水力發(fā)電有限公司，河南 洛寧 471700）

農(nóng)村水電站增效擴(kuò)容改造方案及評(píng)價(jià)分析

張樹峰

（新華水力發(fā)電有限公司，河南 洛寧 471700）

針對農(nóng)村小水電增效擴(kuò)容改造方案中，水能復(fù)核計(jì)算、裝機(jī)容量確定、機(jī)組選型、機(jī)電設(shè)備改造和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)問題，以河南省某水電站為例，結(jié)合農(nóng)村小水電增效擴(kuò)容改造的具體要求，重點(diǎn)分析說明改造方案的具體內(nèi)容，為該類工程設(shè)計(jì)提供參考。

農(nóng)村水電站；增效擴(kuò)容改造；水能復(fù)核計(jì)算；裝機(jī)容量；經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

河南省某水電站位于濟(jì)源市境內(nèi)黃河一級(jí)支流沁河下游，為無壩引水式水電站。電站上游水庫控制流域面積9 223km2，占沁河流域面積的68.2%，占黃河小花間無工程控制面積的34%。水庫為Ⅱ等大（2）型，工程由混凝土面板堆石壩、泄洪洞、溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。水電站裝機(jī)容量為6×200kW，引水隧洞長430m，引水渠道420m。

1 機(jī)電設(shè)備存在問題

水電站自投入運(yùn)行至今，電站廠房、渠道等建筑物結(jié)構(gòu)部分運(yùn)行良好，但廠房局部破損。而電站機(jī)電設(shè)備及水輪機(jī)組存在的主要問題如下：①6臺(tái)機(jī)組已有4臺(tái)報(bào)廢，只有2臺(tái)可以工作，且無法達(dá)到滿負(fù)荷，水輪機(jī)葉片汽蝕磨損嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)使用多年，嚴(yán)重老化，故障頻繁，且構(gòu)件難以購買，維修困難；②電站調(diào)速器由于年代久遠(yuǎn)，無法與上網(wǎng)頻率相符合，各機(jī)構(gòu)配合不靈敏，電站運(yùn)行多年一直手動(dòng)調(diào)頻，存在安全隱患；③主變壓器為20世紀(jì)產(chǎn)品，屬于國家明令淘汰的高能耗變壓器，現(xiàn)已嚴(yán)重老化，且備件難買，維修困難，嚴(yán)重影響電站的安全運(yùn)行；④電站主、副廠房及附屬建筑年代較久，滲漏嚴(yán)重，門窗封閉不嚴(yán)，地面、墻體老化剝落，亟需整修；⑤引水渠道長期漫流，大量浪費(fèi)水資源；⑥隧洞壁面不夠光滑，有多處凸起部位，影響水流通行。

2 水能復(fù)核計(jì)算

河流生態(tài)用水是保證河流健康與生態(tài)平衡的重要措施，此次水電站增效擴(kuò)容改造立足于河流的生態(tài)主體地位，在不影響河道生態(tài)平衡的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行合理的水能復(fù)核計(jì)算。對于一般北方河流的生態(tài)設(shè)計(jì)水量計(jì)算，應(yīng)采用近十年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量。本次增效擴(kuò)容改造計(jì)算生態(tài)用水，采用近十年最枯月平均流量進(jìn)行估算，得到近十年最枯月流量為1.03m3/s，此流量為此次計(jì)算生態(tài)用水流量。

水電站引用發(fā)電流量應(yīng)先滿足生態(tài)流量，當(dāng)沁河來水小于生態(tài)流量時(shí)，電站不引水發(fā)電，所有來水作為生態(tài)流量排放；當(dāng)沁河來水大于生態(tài)流量時(shí)，排放生態(tài)流量后的來水可用作電站的發(fā)電引用流量。結(jié)合水電站的實(shí)際情況，遵循上述用水條件，充分考慮沁河生態(tài)用水需求，對其徑流做如下處理：①對于沁河來水小于等于生態(tài)流量，所有來水作為生態(tài)流量下泄，發(fā)電可用徑流值取0；②對于沁河來水大于生態(tài)流量，扣除生態(tài)流量后的富裕水量作為電站的可用發(fā)電徑流。

通過對徑流及電站引水流量分析處理后，利用皮爾遜Ⅲ型曲線表示徑流量頻率關(guān)系，如圖1所示。

圖1 流量頻率皮爾遜Ⅲ型曲線

根據(jù)《小型水電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，同時(shí)考慮到電站的運(yùn)行要求，取電站設(shè)計(jì)保證率P=70%，由下列電站出力計(jì)算公式計(jì)算電站保證出力：

式（1）中，K為綜合出力系數(shù)；Q保為發(fā)電流量；H為發(fā)電凈水頭。

根據(jù)規(guī)范對中小型水電站綜合出力系數(shù)取值范圍的規(guī)定，水電站屬于引水式中小型水電站，結(jié)合其所在電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，本次計(jì)算綜合出力系數(shù)取7.5。H為發(fā)電凈水頭，取設(shè)計(jì)值9.3m。綜上所述可知，對出力N取保證率70%相當(dāng)于對流量Q取保證率70%，利用流量頻率曲線，計(jì)算得到對應(yīng)于電站設(shè)計(jì)保證率P=70%的流量Q保=8.93m3/s。因此，由式（1）得電站的保證出力：

按照裝機(jī)容量的保證出力倍比法可計(jì)算裝機(jī)容量范圍，根據(jù)武漢大學(xué)主編《水文水利計(jì)算》提供的倍比系數(shù)參考值，結(jié)合本地電網(wǎng)組成、負(fù)荷特點(diǎn)、水力資源條件等情況，倍比系數(shù)按2.0～3.0倍控制，則水電站裝機(jī)容量范圍為：N裝=（2.0～3.0）×N保=1 245.74～1 868.60kW （2）根據(jù)水能復(fù)核公式，可求出電站多年平均發(fā)電量與裝機(jī)容量關(guān)系，如圖2所示。

圖2 水電站多年平均發(fā)電量與裝機(jī)容量關(guān)系曲線

3 裝機(jī)容量確定

根據(jù)裝機(jī)容量的范圍和裝機(jī)容量與發(fā)電量關(guān)系曲線圖（見圖2）可知，電站裝機(jī)小于1 500kW時(shí)，隨著裝機(jī)容量的增加，其發(fā)電量有明顯增幅；當(dāng)裝機(jī)容量大于1 500kW時(shí)，隨著裝機(jī)容量的增加，其發(fā)電量增幅有限。在此基礎(chǔ)上，初步確定以下2種裝機(jī)方案：①保持原總裝機(jī)容量1 200kW不變，單臺(tái)機(jī)組裝機(jī)不變，共6×200kW；②將原有每臺(tái)裝機(jī)增加到250kW，總裝機(jī)容量為6×250kW。

對2種方案進(jìn)行分析對比：方案Ⅰ，原裝機(jī)方案不變，機(jī)組對電站現(xiàn)有設(shè)備的匹配性較好，土建部分改動(dòng)較小，工程量小，投資較??；但其接近電站裝機(jī)下限，水能利用效率較低；方案Ⅱ，增加原有裝機(jī)容量，在電站合理裝機(jī)范圍內(nèi)可提高水能的利用率，增加發(fā)電量，且機(jī)組增幅相對較小，電站現(xiàn)有建筑物可滿足增容需求，且投資效益比總體較高［1］。

通過對上述2種裝機(jī)方案進(jìn)行論證分析，此次水電站改造推薦采用方案Ⅱ，總裝機(jī)容量為6×250kW。

4 機(jī)組選型

本次改造在對水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合水能、水頭、管道布置及建筑物等參數(shù)情況，通過對多個(gè)模型轉(zhuǎn)輪性能比較篩選，初步確定250kW機(jī)組初選ZDT03-LM-80（φ=20°、φ=22.5°）和ZDJP502-LM-80（φ= 5°、φ=10°）2種型號(hào)的水輪機(jī)；通過性能參數(shù)計(jì)算和比較分析確定改造方案為250kW機(jī)組選擇ZDJP502-LM-80（φ=5°）。發(fā)電機(jī)采用與ZDJP502-LM-80（φ=5°）水輪機(jī)配套的SF250-12/850。額定水頭下250kW機(jī)組水輪機(jī)基本性能表見表1。

表1 額定水頭下250kW機(jī)組水輪機(jī)基本性能表

5 電氣及輔助設(shè)備技術(shù)改造

電站目前裝機(jī)6×200kW，以10kV架空出線一回接入地方電網(wǎng)，電站裝機(jī)6臺(tái)，出口電壓0.4kV，0.4kV發(fā)電機(jī)電壓側(cè)母線采用單母線接線，設(shè)置2臺(tái)升壓變壓器，廠用電源取自0.4kV母線。水電站電氣設(shè)備具體更新改造設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：①現(xiàn)原主變壓器有1臺(tái)630kVA變壓器，本次設(shè)計(jì)在原基礎(chǔ)上增設(shè)1臺(tái)容量為1 250kVA節(jié)能型變壓器；②新增1臺(tái)S11-10/100廠用變壓器；③更換部分電力電纜及控制電纜。

水電站自建成運(yùn)營至今，各類輔助設(shè)備均已嚴(yán)重老化，設(shè)備型號(hào)陳舊，絕大部分已被淘汰，此次增效擴(kuò)容改造，需對電站輔助設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的更換，以提高電站的綜合管理水平、自動(dòng)化水平和保障電站的安全運(yùn)行。改造內(nèi)容：①調(diào)速器維修；②勵(lì)磁系統(tǒng)升級(jí)改造；③更換自動(dòng)化元件。

6 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

6.1 財(cái)務(wù)及國民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)計(jì)算電價(jià)為0.32元/（kW·h），按該計(jì)算電價(jià)進(jìn)行財(cái)務(wù)分析計(jì)算的結(jié)果表明，所得稅前財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率46.73%，所得稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為37.39%，大于農(nóng)村水電行業(yè)基準(zhǔn)財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率10%，所得稅前投資回收期為2.14a，所得稅后投資回收期2.85a，盈利能力較強(qiáng)。因此，本項(xiàng)目在財(cái)務(wù)上是可行的。

本項(xiàng)目國民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)表明，經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率61.50%，大于國家規(guī)定的社會(huì)折現(xiàn)率8%；經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值1 478.91萬元，大于0。因此，本項(xiàng)目在國民經(jīng)濟(jì)方案經(jīng)濟(jì)上是合理的［2］。

6.2 社會(huì)及環(huán)境效益評(píng)價(jià)

水電站改造后，社會(huì)及環(huán)境效益主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①鞏固和增加水電發(fā)電能力，項(xiàng)目實(shí)施后總裝機(jī)容量為1 500kW，年增發(fā)電量623.74萬kW·h，相應(yīng)鞏固和增加了水電站的發(fā)電能力；②促進(jìn)節(jié)能減排，項(xiàng)目實(shí)施后以水電替代燃煤火力發(fā)電，從而有效減少用煤發(fā)電而產(chǎn)生的危害性粉塵和氣體，促進(jìn)節(jié)能減排方針的順利實(shí)現(xiàn)；③推進(jìn)河流梯級(jí)綜合調(diào)度與改善河流生態(tài)環(huán)境，以增效擴(kuò)容改造為契機(jī)，鼓勵(lì)同一河流、區(qū)域農(nóng)村水電開展聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，充分發(fā)揮已建農(nóng)村水電發(fā)電潛力和水資源綜合利用效益推進(jìn)河流梯級(jí)綜合調(diào)度，同時(shí)保證河流的生態(tài)流量排放，改善河流的生態(tài)環(huán)境［3］。

7 結(jié)論

本文通過對河南省某水電站增效擴(kuò)容改造水能復(fù)核及裝機(jī)容量分析的基礎(chǔ)上，探討了機(jī)組選型和電氣設(shè)備的改造內(nèi)容，最后分析得出經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為農(nóng)村小水電改造方案提供參考。

［1］楊新春.淺談增效擴(kuò)容改造小型水電站裝機(jī)容量的確定［J］.陜西水利，2015（5）：66-68.

［2］原文林，萬芳，馬躍先.農(nóng)村小型水電站增效擴(kuò)容改造關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2015（10）：190-193.

［3］滕飛.河南省農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造效益分析［J］.河南水利與南水北調(diào)，2014（10）：10.

Scheme and Evaluation Analysis of Efficiency and Capacity Expansion of Rural Hydropower Station

Zhang Shufeng
（Xinhua Hydropower Co.Ltd.，Luoning Henan 471700）

In view of the key technology such as water power review calculation,installation capacity determination, unit selection,mechanical and electrical equipment transformation and economic evaluation of the rural small hydro?power capacity expansion reconstruction project,taking a hydropower station in Henan Province as an example,com?bined with the specific requirements of the reform of rural small hydropower capacity expansion,this paper emphased on the specific content of reform plan to provide a reference for the engineering design.

rural hydropower station；efficiency and capacity expansion reconstruction；hydraulic power review calcu?lation；installed capacity；economic evaluation

TV742

A

1003-5168(2016)09-0141-03

2016-08-17

張樹峰（1974-），男，本科，工程師，研究方向：小水電運(yùn)行、檢修及生產(chǎn)管理。