陜西省石頭河水庫湯峪電站增效擴容改造方案分析

王 雪

（陜西省石頭河水庫灌溉管理局，陜西 咸陽 712000）

0 引言

水電能源作為優質的可再生清潔能源，通過電站的增效擴容不僅提升了能源產出效率，發掘相關電站的效益，同時也提高了電站運行的可靠性。建設資源節約型的能源供給體系，是支持國家和社會的可持續發展。開展水電增效擴容改造，是發展可再生能源，促進節能減排的迫切需要；是消除電站安全隱患，保障公共安全的迫切需要；是壯大農村集體經濟，促進農民增收的迫切需要；是改善河流生態環境，促進人水和諧的迫切需要[1]。改造石頭河水電站的高能耗、高污染以及故障高的設備符合國家相關產業政策的期待，本文結合石頭河水庫湯峪電站擴容改造實例，針對電站已有問題及現狀提出相應的計算和改造思路。

1 水電站概況

1.1 水電站概況

湯峪水電站位于陜西省眉縣湯峪鎮，利用東干渠向西安、咸陽和楊凌供水而修建的渠道式電站。電站裝機四臺，為臥軸混流式水輪發電機組，設計水頭68 m。設計裝機容量4250 kW，實際最大出力3300 kW，設計年發電量2525萬kW·h，實際年發電量1440萬 kW·h。1994年投產了1#、2#、3#機組（同一廠房內），單機容量1000 kW，年利用小時6330 h，設計流量1.8 m3/s；2009年投產了4#機組，容量1250 kW，設計流量2.2 m3/s，設計年發電量625萬kW·h，年利用小時5000 h。電站廠房為地面廠房，廠房內布置4臺臥式水輪發電機組，1#、2#、3#機組在一個廠房內，4#機組單獨在一個廠房內。1#、2#、3#機組廠房，主廠房長36.74 m，寬19.57 m，高10.21 m。

其中1#、2#、3#水輪發電機基本參數見表1。

表1 湯峪水電站1#、2#、3#水輪發電機基本參數

1.2 湯峪電站現狀問題分析

1.2.1 水輪發電機組

（1）1#、2#、3#機電設備制造年代久遠，質量及生產工藝差，設備性能不能滿足技術標準要求；

（2）1#、2#、3#原有機組達不到設計出力要求，效率偏低。

（3）額定工況下機組綜合效率52%，低于75%。

2.2.2 附屬設備

1#、2#、3#主閥漏水，調壓閥漏油，造成調速器油品劣化，設備經常出現卡阻現象。

1.2.3 輔助設備

電站自動化水平低，元器件均為電磁式繼電器，穩定性差、靈敏度低，同時維護不便，已不能滿足安全運行和自動化要求。

2 湯峪水電站改造的必要性

湯峪電站投產運行以來，安全隱患明顯增多，已對電站安全運行造成嚴重威脅。

2.1 機電設備性能不能滿足技術標準要求

原有機組達不到設計出力要求，單機最大出力僅為700 kW，僅占設計出力的70%，發電量與電站設計相差甚遠，機電設備多偏離最優運行工況區域。

2.2 自動化程度低

由于相關電器設備生產年限久遠，造成穩定性差，靈敏度較低，無法滿足自動化運行的要求。同時，水輪機組的主機，勵磁和監控等元件普遍出現老化現象，部分設備已超期服役。作為高耗能、高故障率的產品，其維護量和維護成本逐年增大，已嚴重影響到電站的安全高效運行。

2.3 國家產業政策的客觀要求

按照國家提出建設資源節約性和環境友好型社會的總體要求，對全國水電站進行必要的技術改造以滿足“無人值班，少人值守”要求，必須提高湯浴湯峪水電站設備的自動化水平和安全冗余度。

綜上所述，對石頭河水電站老化以及低能效設備進行改造符合國家有關產業政策的客觀要求，也是非常必要的。

3 增效擴容改造方案

已建電站的擴容改造受到諸多條件約束，如原有廠房的尺寸，預埋構建的定位，水輪機的安裝高程以及轉輪直徑等[2]。在滿足改造目標要求和相關規范的前提下，主要考慮按照新的設計工況更換水輪機組，以期滿足在水力高效區運行。

3.1 水輪機選型

3.1.1 根據已有參數確定目標函數

式中：K為水電站綜合出力系數；Q（t）為水電站在第t時段的發電流量；H（t）為水電站在第t時段的發電凈水頭；T為調度其內的總時段數。

3.1.2 約束條件

約束條件主要考慮水量平衡約束、水庫蓄水位約束、泄流量約束、電站出力約束及所有變量非負約束。

3.1.3 水輪機比選

考慮到已建工程廠房和土建等條件約束，經過動能闡述復核決定，選用高效且與發電水頭匹配性良好的水輪機組對1#、2#、3#水輪機進行改造。4#機組于2009年建成發電，本次不改造。

經過對動能參數的復核，湯峪電站最大水頭70.38 m，最小水頭65.94 m，加權平均水頭66.94 m，1#、2#、3#機組單機容量1100 kW。加上4#機組，裝機容量為4550 kW。由于HL160轉輪型號陳舊，效率低下，屬淘汰產品，改造方案首選更換空蝕性能更好、效率更高的新型轉輪。

本著盡量減少改造土建工程量，保持原有流道不變的宗旨，確定額定水頭66 m。根據我國《中小型軸流式、混流式水輪機轉輪系列型譜》及該電站的具體情況，并結合我國現行制造經驗，選擇近年來技術成熟、性能良好的HLTF180、HLA855等轉輪進行技術分析。

如表2所示，轉輪HLA855和HLTF180的性能均能滿足設計要求，模型的最高效率達到93%。同時，相較于原轉輪，水輪機額定工況的汽蝕系數變小，經復核后兩個型號水輪機都能滿足原有廠房的土建要求。而HLA855水輪機效率更高，性能更優。

由于轉輪HLA855與HL160模型尺寸很相近，流道尺寸基本相同，因此導葉、導葉分布圓直徑、進水閥門均與原尺寸匹配。綜合比較，更換新型轉輪，推薦HLA855轉輪。轉輪直徑與原轉輪直徑相同，為0.6 m。

表2 湯峪電站水輪機主要參數比較列表

3.2 電站裝機容量

湯峪電站水能復核計算在滿足下游生態基流用水為約束條件下，以電站的投資收益率最大為目標函數，進行長系列計算確定了增效擴容后的三種方案，考慮機組設備價格差對三種方案進行動能經濟指標對比，如表3所示。

表3 湯峪電站增效擴容不同方案經濟指標對比

從表3可以看出，方案二比方案一可增加發電量28.15萬kW·h，差額投資內部收益率達到了39.76%，方案三比方案二可增加發電量19.04萬kW·h，差額投資內部收益率僅為7.24%，因此，增效擴容后，湯峪電站裝機容量采用方案二，湯峪電站裝機容量為3×1100 kW+1250 kW=4550 kW。湯峪電站目前實際發電量為1440萬kW·h，通過增效擴容后改造后，湯峪電站發電量達到2572.04萬kW·h。

4 結論

通過石頭河水庫湯峪電站增效擴容技術改造方案確定，在電站改造必要性、可行性論述的基礎上，說明了在電站技術改造設計中水電站擴容幅度確定、水輪機選型及適應性分析和經濟評價的設計思路，為類似水電站改造工程設計提供了參考依據[3]。

1）通過對湯峪電站增效擴容的改造，合理調度，保持高水頭運行，提高水電站的經濟性。

2）通過電站增效擴容，機組裝置效率顯著提高，不僅增加了經濟效益，節約了能源，同時實現了水電站的自動化控制。

3）工程更新改造完成后，減少了維護修理費用，提高了設備完好率，延長了電站設備使用年限。