農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造設(shè)計淺談

◎鄒明明

介紹當(dāng)前農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造的背景及小水電存在的系列問題，分析開展農(nóng)村水電增效擴(kuò)容的必要性，并舉例說明增效擴(kuò)容改造設(shè)計的內(nèi)容。

農(nóng)村水電不僅是重要的可再生、清潔能源，而且具有防洪灌溉、生態(tài)涵養(yǎng)、改善民生等多重功能，是農(nóng)村重要的基礎(chǔ)設(shè)施。農(nóng)村水電事業(yè)直接關(guān)系到我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、山區(qū)生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)。改革開放以來，我國農(nóng)村水電建設(shè)蓬勃發(fā)展，目前全國已建成農(nóng)村水電站45000多座，裝機(jī)容量6500多萬千瓦，超過3個三峽電站的裝機(jī)容量，年發(fā)電量近2200億千瓦時，約占全國水電的30%，在增加能源供應(yīng)、減排溫室氣體、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了積極作用，為農(nóng)村發(fā)展、農(nóng)民增收和民生改善作出了重要貢獻(xiàn)。但也要看到，由于受當(dāng)時技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件的制約，農(nóng)村水電站設(shè)備設(shè)施老化，能效逐年衰減，不僅大量浪費水能資源，影響河流生態(tài)環(huán)境，還帶來不少安全隱患。

一、改造設(shè)計內(nèi)容

1.改造設(shè)計原則。增效擴(kuò)容改造設(shè)計應(yīng)遵循《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項目初步設(shè)計指導(dǎo)意見》中的要求，以提高綜合能效和安全性能、促進(jìn)水資源綜合利用、維護(hù)河流健康為目標(biāo)。改造內(nèi)容應(yīng)以機(jī)電設(shè)備更新改造為重點，并對影響發(fā)電效益、工程安全、河道生態(tài)和運行環(huán)境的擋水、泄水、引水、廠房等建筑物、金屬結(jié)構(gòu)及送出工程等進(jìn)行必要的改造。增效擴(kuò)容改造項目不增加原有機(jī)組臺數(shù)，原則上不新增移民和永久占地。

從水電站水能利用過程和現(xiàn)今行業(yè)發(fā)展趨勢來看，水輪機(jī)組及其附屬設(shè)備、發(fā)電機(jī)組及其他電氣設(shè)備以及綜合自動化是農(nóng)村小水電改造的主要內(nèi)容，也是決定設(shè)計成果是否達(dá)到增效目的的關(guān)鍵因素，因此，改造任務(wù)應(yīng)主要抓住這三方面改造設(shè)計。

2.水輪機(jī)及其附屬設(shè)備改造。水輪機(jī)技術(shù)改造應(yīng)遵循先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性的原則，再根據(jù)河流具體水質(zhì)情況，通過更換新型轉(zhuǎn)輪或改進(jìn)通流部件型線與結(jié)構(gòu)，提高水輪機(jī)運行效率。最終達(dá)到增效的目的。

調(diào)速系統(tǒng)、進(jìn)水閥、起重設(shè)備等則根據(jù)機(jī)組設(shè)備技術(shù)改造要求和工程具體情況，對水力機(jī)械輔助設(shè)備系統(tǒng)作相應(yīng)的校核改進(jìn)或更新改造。

3.發(fā)電機(jī)及變配電設(shè)備改造。發(fā)電機(jī)的技術(shù)改造，首先應(yīng)考慮與水輪機(jī)在容量上互相配合。并根據(jù)設(shè)備實際情況與制造廠研究協(xié)商，采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝，并選定合理的改造方式和范圍達(dá)到改造目的?？赏ㄟ^改進(jìn)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)；更換定子繞組和轉(zhuǎn)子磁極線圈或同時提高絕緣等級；增加定子和轉(zhuǎn)子磁極的鐵芯長度或重新設(shè)計、制造符合增容要求的發(fā)電機(jī)等方式完成。

變配電設(shè)備主要包括主變壓器及其他電氣設(shè)備。這部分設(shè)備主要以更新?lián)Q代為主：老式變壓器應(yīng)更換為新型節(jié)能型變壓器；其他電氣設(shè)備（如斷路器、隔離開關(guān)、高壓開關(guān)柜、電纜、母線、互感器及高壓出線等）均應(yīng)在滿足各種可能運行方式下回路持續(xù)工作電流和動、熱穩(wěn)定性要求外，優(yōu)先考慮安全可靠性高、節(jié)能環(huán)保型設(shè)備。

4.綜合自動化改造。大部分農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項目由于受當(dāng)時技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件的制約，電站根本無法實現(xiàn)自動化或者自動化程度很低，遠(yuǎn)不能實現(xiàn)現(xiàn)代化運行的需要。因此綜合自動化改造升級也是農(nóng)村小水電改造的核心。

綜合自動化改造應(yīng)統(tǒng)籌兼顧國家和部頒標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電站裝機(jī)規(guī)模，從經(jīng)濟(jì)實用的原則分別對監(jiān)控系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、同期系統(tǒng)、調(diào)速器、繼電保護(hù)裝置和直流系統(tǒng)進(jìn)行改造和增設(shè)。電站改造升級后，要求當(dāng)保護(hù)裝置動作時，在沒有運行人員干預(yù)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)自動停機(jī)；有條件的水電站還可進(jìn)一步改造為無人值班遙控水電站。

二、改造案例

1.工程概況。漁洞子水電站于1994年建成并網(wǎng)發(fā)電。電站位于陜西省寧陜縣龍王鎮(zhèn)境內(nèi)，為徑流引水式電站，由取水樞紐、引水建筑物和電站廠區(qū)建筑物組成，工程主要任務(wù)為發(fā)電。電站改造前設(shè)計水頭73.5m，設(shè)計流量4.45m3/s，裝機(jī)容量3×800kW，多年平均發(fā)電量1260萬kW·h，年利用小時數(shù)5000h。目前漁洞子水電站上游已建成一級不完全調(diào)節(jié)的水庫式電站——寧陜縣太山水電站，其水庫總庫容835萬m3，調(diào)節(jié)庫容524萬m3，上游建庫后調(diào)節(jié)流量大幅增加，為漁洞子水電站擴(kuò)容創(chuàng)造了極為有利的水源條件。

2.工程現(xiàn)狀分析。漁洞子水電站建設(shè)年代較早，受當(dāng)時設(shè)計施工條件的限制，設(shè)計裝機(jī)容量選擇偏小，電站每年產(chǎn)生大量棄水，水能資源未能得到充分利用；電站已運行近二十年，機(jī)電設(shè)備已嚴(yán)重老化，效率極低，嚴(yán)重影響了電站的正常發(fā)電和效益。電站目前主要存在以下問題：（1）水輪機(jī)磨損和銹蝕嚴(yán)重，機(jī)組出力嚴(yán)重不足，最大出力只能達(dá)到1800kW；推力瓦溫度過高，運行不穩(wěn)定；（2）電氣設(shè)備陳舊落后，可靠性低，安全隱患多，且大多為國家明令淘汰產(chǎn)品；（3）電站自動化程度極低，不能滿足現(xiàn)今行業(yè)運行管理要求；（4）該電站上游已建成的太山水電站為不完全調(diào)節(jié)水庫式電站，為本站創(chuàng)造了極為有利的水源條件。

3.改造方案。根據(jù)漁洞子水電站運行現(xiàn)狀及水能計算結(jié)果，電站增效擴(kuò)容改造方案如下：（1）將原有三臺800kW機(jī)組更換為兩臺1500kW機(jī)組和一臺3600kW機(jī)組；（2）更換原有 6kV開關(guān)設(shè)備為KYN28-12（Z）型手車式鎧裝金屬封閉高壓開關(guān)柜；更新改造35kV變配電設(shè)備，選用S11-8500/35型低損耗節(jié)能主變壓器；更新改造電站全部監(jiān)控、保護(hù)和直流電源設(shè)備。（3）考慮到電站升壓站位置及架構(gòu)基礎(chǔ)已定，電站主接線方案確定為三臺發(fā)電機(jī)出口6.3kV側(cè)采用單母線接線，經(jīng)一臺8500kVA主變壓器（S11-8500/35）升壓至35kV接入系統(tǒng)，升高電壓側(cè)采用線—變組接線；接入系統(tǒng)方式維持原有不變，且接入線路經(jīng)初步核算滿足要求。

4.改造前后對比論證。（1）發(fā)電效益（取電站廠用電率5%，上網(wǎng)電價0.31元/kW·h）。①改造前。由于改造前電站水量充足，發(fā)電量按超發(fā)5%計算，多年平均發(fā)電量為：2400×（1+5%）×5000h=1260萬 kW·h；年銷售電量：1260×（1-5%）=1197萬kW·h；年售電收入：1197×0.31=371.07萬元。②改造后。多年平均發(fā)電量：6600×3010=1986.6萬 kW·h；年銷售電量：1986.6×（1-5%）=1887.27萬kW·h；年售電收入：1887.27×0.31=585.05萬元。（2）運行管理。①改造前。原機(jī)組設(shè)備老化、效率低，且機(jī)型已經(jīng)停產(chǎn)，大修時配件難于購買；電站電氣設(shè)備老化、故障多，自動化程度很低，運行管理安全可靠性差，基本不能實現(xiàn)現(xiàn)代化運行的需要。②改造后。按照最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對水輪發(fā)電機(jī)組、變配電設(shè)備、監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)等進(jìn)行重點改造，提高了水電站自動化、信息化和現(xiàn)代化水平，消除了各類安全隱患，保障了公共安全和生產(chǎn)安全。

三、小結(jié)

當(dāng)前許多農(nóng)村小水電由于受當(dāng)時技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件的制約，普遍存在設(shè)備設(shè)施老化，能效逐年衰減，不僅大量浪費水能資源，影響河流生態(tài)環(huán)境，還帶來不少安全隱患。全面推進(jìn)農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造，不僅能提高水能資源利用效率，消除公共安全隱患，更有利于促進(jìn)節(jié)能減排，保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境。是一項投資少、見效快、一舉多得、利國惠民的德政工程和民生工程。