農村小型水電站增效擴容改造方案研究

鄒 韜，李志瑤，左恒奕，張本權

(1.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002； 2.內蒙古自治區赤峰市巴林右旗水利局,內蒙古 赤峰 025150; 3.貴州省水投水務集團有限公司，貴陽 550002; 4.福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000)

0 引 言

20世紀70年代以來，為解決我國廣大農村地區面臨無電缺電難題，政府修建了眾多農村中小型水電站，用來推動農村經濟社會發展，保障農村應急供電問題，同時保護生態環境。截至目前，我國已建成的農村中小型水電站約有45 000座，裝機總容量和年發電量占全國總量的33%[1]，為我國電力系統建設和經濟社會發展做出重大貢獻。但由于受到當時經濟、技術條件制約，早期完建的農村中小型水電站存在設備設施陳舊、技術條件欠缺、效率逐年遞減及安全隱患日益突出等問題[2]。為此，我國“十三五”規劃針對農村中小型水電站存在問題提出增效擴容改建水電站的各項政策，將改造范圍擴大至包括2000年及以前投產水電站，其目的就是通過增效擴容改造，提高可再生能源供給水平，保障河道生態流量，消除電站安全隱患，提升水庫防洪、灌溉、供水能力。

1 水電站工程概述

河南省濟源市內的某一農村小型水電站位于該市的沁河下游，為一座無壩引水式水電站。水庫所控制的實際流域面積約9 000 km2，其主要任務是滿足周圍鄉鎮農田灌溉需求，同時兼有供電、防洪、水產養殖等綜合效益。該水利樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪洞、引水發電系統及電站所組成。水電站總裝機容量為6×200 kW,引水發電系統中引水明渠420 m，引水隧洞長430 m。

2 增效擴容改造的必要性分析

該水電站自投入生產運行以來，目前6臺機組中只有兩臺尚能工作，機組已經無法實現滿負荷的工作狀態，并且發電效率及能效均日益下降；電氣設備也存在老化、故障頻發，已經影響到電站的安全運轉和發電效益；電站調速器由于年代原因，與上網頻率不相符，電站上網頻率要靠手動實現調頻，安全風險極高。以上這些問題在我國眾多早期完建農村小型水電站中普遍存在。因此，在國家“十三五”規劃中也特意指出以增效擴容改造為手段，提升安全生產水平，促進農村水電行業管理水平。

3 增效擴容改造方案研究

3.1 水能計算

設計選取1956-2000年共45年監測的入庫徑流水文資料進行水電站的水能復核。通過計算得到該水庫多年平均徑流量為8.34×108m3，年徑流過程線見圖1。

圖1 水庫長系列年徑流過程線及趨勢線

采用長系列法對該水電站進行保證出力計算。根據《小水電水能設計規程》(SL76-1994)中有關內容，電站蓄水期、供水期的調節流量計算公式如下[3]：

式中：Q蓄、Q供分別在蓄水期和供水期的水庫調節流量，m3/s；V利為興利庫容，m3/s·月；∑Q2Δt、∑Q1Δt分別為蓄水期和供水期的天然來水量，m3/s·月；n2、n1為蓄水期和供水期的月數。

電站設計保證率依據水電站水文資料和設計要求取值為P=85%，供水期內水電站保證出力計算公式如下：

經計算，設計保證出力為620.8 kW。

3.2 裝機容量選擇

裝機容量一般根據保證出力乘于倍比系數求得。在工程中，倍比系數取值范圍一般為2～3，由此可以得到該水電站的裝機容量范圍為：

N裝機=(2.0～3.0)×N保證

=1 241.6～1 862.4 kW

利用水能復核公式，繪制該水電站多年平均發電量和裝機容量關系，見圖2。

圖2 水電站多年平均發電量與裝機容量關系圖

根據已知水電站裝機容量范圍及其廠房的現有條件，結合水電站多年平均發電量與裝機容量關系圖，可以發現當裝機容量在1 510 kW以上時發電量增幅明顯有限。據此對該電站的增效擴容改造項目擬定以下3種方案：

方案Ⅰ：保持原有裝機容量1 200 kW(6×200 kW)不變

方案Ⅱ：水電站裝機容量擴容至1 350 kW(3×200 kW+3×250 kW)

方案Ⅲ：水電站裝機容量擴容至1 500 kW(6×250 kW)

對上述3種裝機方案進行綜合效益分析，成果見表1。

表1 農村小型水電站裝機方案效益比較

根據表1的裝機容量綜合效益分析結果，分析3個方案差額內部收益率項。從方案Ⅰ的裝機容量擴容至方案Ⅱ情形時時，其差額內部收益率低于8%；而方案Ⅱ至方案Ⅲ時，其差額內部收益率大于8%。因此，設計擬定選擇方案Ⅲ。

3.3 水輪機選擇

根據對該水庫的現場勘查及電站設計參數情況，考慮原機型及其布置形式，通過比較多個模型轉輪的性能，該電站水輪機型號選擇初步擬定ZDJP502-LM-80和ZDT03-LM-80進行比選。

首先依據水輪機的綜合特性可知，水輪機在額定水頭下的功率為600 r/min；然后根據水輪機的綜合特性曲線，繪制出不同工況條件下的水輪機模型綜合特性曲線，以此對這兩類水輪機進行綜合評價比選。

結果表明：①ZDJP502-LM-80型水輪機在性能上優于ZDT03-LM-80；②在相同水頭且滿足額定出力情況下，ZDJP502-LM-80型水輪機效率更高，工作范圍更廣，更能滿足設計要求；③在抗氣蝕方面，ZDJP502-LM-80型水輪機也更好。

額定水頭下ZDJP502-LM-80型水輪機性能參數見表2。

表2 額定水頭下ZDJP502-LM-80型水輪機性能參數

3.4 電氣設備改造

該水電站的裝機臺數為6臺，出線回路數為10 kV架空一回接入電網， 布設升壓變壓器2臺。初步設計對該水電站電氣設備改造內容包括：①保留原有主變壓器(630 kVA)，并增設一臺1 200 kVA的節能型變壓器；②增設一臺S11-10/100的廠用變壓器；③檢查電站內的電力電纜根據相關規程進行更換。

4 綜合評價

農村中小型水電站的增效擴容改造項目，對于在增加可再生能源供應、保障河流流量和生態穩定、消除安全隱患、提高防洪灌溉供水能力以及推動農村經濟發展方面起著重要作用。而電站增效擴容改造綜合評價是提高項目資金使用效益、確保工程建設質量、保障上述目標實現的重要手段。

對農村小水電增效擴容改造項目進行綜合評價時，所涵蓋的主要內容包括水電站項目改造效果評價、項目資金管理評價、可持續發展能力評價。針對這3方面評估，對該電站增效擴容項目進行綜合評價如下：

1) 依據水能復核計算結果對該水電站擴容，裝機容量提升至1 500 kW，容量提高25%；年發電量增加622.63×104kW·h；水能利用率由45.66%提高至57.21%。對該水電站的增效擴容改造工程將實現發電效益的最大化。

2) 本項目的經濟內部收益率為62.30%，大于8%的社會折現率。通過財務計算得到，所得稅前財務內部收益率47.21%，所得稅前的投資回收期2.12年；所得稅后財務內部收益率38.15%，所得稅后的投資回收期2.73年。因此，本項目在國民經濟及財務方面均是合理可行的[4]。

3) 在社會環境效益方面，農村小型水電的改造減少了不可再生能源的消耗，充分挖掘了農村水電站發電潛能和水資源的綜合利用率，促進了綠色生態環境的建設。

5 結 語

在對農村中小型水電站增效擴容改造過程中，存在著各種環境條件的制約因素。本文根據所改造工程的運行現狀，對河南省濟源市境內的一座小型水電站進行增效擴容改造設計，著重介紹該水電站擴容容量選取、水輪機型號選擇以及電氣設備的改造和綜合評價，最后得出切實可行且適合該水電站的改造方案。