基于水能復核的水庫式水電站技術改造裝機方案研究

摘 要：裝機方案是否合理直接決定技術改造的成敗。基于此，本文以河南省信陽市南灣水庫水電站為實例，探討水能復核計算在裝機方案確定中的應用，歸納和梳理了水庫式水電站裝機方案論證的基本思路和步驟，希望可以為同類電站的技術改造提供一定的參考。

關鍵詞：水庫式水電站;技術改造;水能復核;裝機方案

中圖分類號：TV72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0079-03

目前，全國已建成小水電站4萬余座，總裝機容量約5.1億MW，小水電在農村社會經濟發展、節能減排等方面發揮了重要作用。水庫式水電站作為小水電的重要組成部分，通過水庫的調節作用對天然徑流進行調配，具有較好的調節性能。由于部分水電站建成年代較早，在運行過程中出現了許多問題，需要進行技術改造。而裝機方案是否合理直接決定技術改造的成敗。因此，有必要對水庫式水電站裝機方案論證的基本思路和步驟進行歸納和梳理，為水電站改造設計提供參考依據。

1 工程概況

南灣水庫位于淮河支流浉河上游，是以防洪為主，結合灌溉、發電等綜合利用的大型水利樞紐工程。南灣水庫水電站位于大壩東端下游坡角處，屬壩后式電站。電站始建于1958年，現有4臺1 600kW機組，總裝機容量6 400kW。目前，電站廠房、管道等水工建筑物運行良好，局部存在破損;機電設備老化嚴重，水輪機氣蝕系數高，銹蝕嚴重;電氣設備絕緣性較差;一些輔助設備已屬淘汰產品，危及電站運行安全[1]。因此，為了提高電站水能利用效率和綜合自動化管理水平，急需對電站進行技術改造。

2 水文資料的選取

水能復核選用1952—2010年實測月來水資料為長系列入庫徑流，繪制年徑流量過程線及趨勢線如圖1所示。實測多年平均徑流13.37m3/s，年均入庫徑流量約為4.21億m3，與水庫多年平均徑流量設計值4.49億m3接近，所選用的水文系列資料具有可靠性和合理性。由圖1可知，水庫入庫徑流量略有減小的趨勢，但總體趨于平穩。

根據實測資料繪制月平均徑流過程，如圖2所示。從圖2可知，入庫徑流主要集中于6—8月，3個月總水量占全年總水量的51.16%;枯水期主要為1月和12月，其他月份入庫徑流差異不大，豐枯明顯，來水相對較為充裕。

3 水能復核計算

南灣水庫為多年調節水庫，故采用長系列調節計算進行水能復核。水能復核計算以電站發電量最大為目標函數，采用動態規劃進行求解[2]。經不同裝機容量計算，繪制電站裝機容量與年均發電量關系曲線，如圖3所示。

從圖3可知，電站具有一定的增容潛力，當裝機容量為6 400～7 000kW時，年均發電量增幅比較大，當總裝機容量超過7 000kW時，年均發電量增幅趨于平緩，雖然略有增加，但可利用的水能空間較小，主要是系列中個別年份來水較豐的棄水發電量。因此，從水能利用角度分析，電站的總裝機容量應約為7 000kW。

4 裝機方案論證

4.1 初選電站裝機方案

從水能復核計算結果可知，現有的水能資源豐富，存在增容的可能性。此次改造考慮到電站原裝機容量和現有土建部分的限制，初選以下裝機方案：

方案一：保持現有裝機容量（4×1 600）kW不變，總裝機容量為6 400kW;

方案二：將4臺機組增容至（4×1 700）kW，總裝機容量為6 800kW;

方案三：將4臺機組增容至（4×1 800）kW，總裝機容量為7 200kW。

4.2 水能計算與效益投資對比

通過分析水電站入庫徑流和下游用水，以南灣水庫電站發電量最大為目標函數，應用動態規劃進行求解，對上述三種方案進行水能計算和效益投資比計算，計算結果如表1所示。

從表1可知，隨著總裝機容量的增加，多年平均發電量增大，多年平均棄水量減少，即裝機容量最大的方案三仍存在棄水，充分說明了電站具有擴容的余地。

4.3 裝機方案對比

從水能計算和效益投資綜合分析，方案一具有較高的效益投資比，但考慮到充分利用水能資源，尤其是汛期棄水，電站應進行增容。結合電站的實際情況論證如下。

4.3.1 發電效益分析。從利用水能角度考慮，方案二、三比方案一具有優越性。從動態規劃調度可知，當裝機容量超過7 000kW時，隨著裝機容量的增加，發電量增幅有限，方案二、三的年均發電效益增加較少，但其機組造價有明顯增長，導致投資明顯增加;方案一投資較小，但其經濟效益較差，由電站的運行實際可知，其與水庫水情不相匹配，導致水能資源的浪費。因此，綜合水能資源的高效利用與電站的經濟效益，方案二具有明顯優勢性。

4.3.2 機組基礎分析。電站建成時的單機容量為1 360kW，經過多次改造后單機容量已增至1 600kW，增幅達17.65%，混凝土機墩基礎等已經運行多年，結構存在老化，不宜大幅增容。方案三的經濟效益較高，但其單臺裝機容量較設計時增幅為32.35%，現有的混凝土基礎難以滿足增容要求;方案二增幅有限，結構受力變化較小，通過結構論證分析，現有基礎可以滿足改造要求。

4.3.3 建筑物、設備適應性分析。由于電站建筑物等建成年代較早，其早期規劃方案均按單臺機組1 360kW進行設計，方案二與現有裝機接近，在機組安裝、運行及與控制系統、電力輸送系統的適應性相對較好;方案三增容幅度較大，電站現有設備難以滿足安裝、運行的需要，與現有建筑物的匹配性能差，需要對現有建筑物和設備進行較大幅度的更新改造，工程量大，投資額度較高，且存在一定的技術難度。

綜上所述，選取方案二對電站進行技術改造，即將4臺機組分別增容至1 700kW，總裝機容量由6 400kW增容至6 800kW。

5 結論

南灣水電站通過技術改造可更充分地利用現有水能資源，機組效率大幅提升，運行安全得到有效保證，能顯著增加電站的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]舒靜，林旭新，方華，等.小型水電站更新改造適用技術探討[J].小水電，2011（5）：58-59.

[2]馬躍先，馬清志，李軍.昭平臺二級水電站的增容改造[J].小水電，2001（3）：28-29.