彰武水庫電站增效擴容改造探討

李忻

（安陽市彰武南海水庫工程管理局，河南 安陽 455000）

1 工程概況

安陽市彰武水庫總設計庫容8 734萬m3，主要承擔著流域防洪、供水、水力發電等多項職能，常年由上游南海泉進行水量補充。水庫工程等級為Ⅲ等，主要建筑物為3 級，壩型為均質土壩。水庫工程主要由大壩（含主壩、副壩）、溢洪道、輸水道、水電站、五八渠首等五部分組成。水電站位于輸水洞和溢洪道之間，為壩后式廠房，設計引水流量8 m3/s，壓力管0+000（即輸水道0+116處）～0+069.80為鋼筋混凝土管，0+069.80至廠房為鋼管。廠房內設兩臺臥式水輪發電機組，總裝機容量1 600 kW，設計年發電量757萬kW·h，年平均出力864萬kW。

2 水電站增效擴容改造的原因

彰武水庫水電站始建于1958年，此后經過數次重建和改擴建，由于建設規模小，受當時技術水平和建設條件的制約，在水力資源開發利用、金屬結構安全、機電設備狀態及自動化程度等方面均存在一定問題。①水力資源開發利用方面，因該電站大壩壩高低、壩長短，水庫庫容有限，電站引水流量小，引水率低，大部分水流從溢流壩直接下泄河道，導致大部分水力資源浪費；②機電設備狀態方面，該電站原2臺發電機組于1981年建成后開始發電，1983年年初與農網6.30 kV線路并列運行，1995年9月水電站到水冶開閉所10 kV并網專線改造架設工程完成后投入運行。在長期運行過程中，先后表現出轉輪氣蝕、轉輪偏離最優工況，使其轉輪效率不斷下降，引起較大的轉輪機葉片變形。

3 增效擴容改造措施

3.1 確定裝機容量

彰武水庫庫區兩岸階地低洼，周圍主要是居民生活區和耕地良田，若提升庫水位，則會大大增加淹沒補償費及擋水建筑物投資，為此，其水電站增效擴容過程中原正常水位和額定水頭等均保持不變。應結合水庫所在流域水文資料，重新核定水電站裝機容量，以保證流域水能資源的充分利用，有利改善庫區自然環境和社會環境。為此，在設計階段主要提出以下三種裝機容量方案，從技改措施、發電引用流量、年均發電量、年利用小時數、保證出力、設計引水率、投資額等方面進行方案的比較，具體見表1。

表1 彰武水庫電站裝機容量方案對比表

在改造方案中，方案一和方案三分別使用3 臺單機容量800 kW 機組，并分別增設1 臺和2 臺單機容量均為1 250 kW的機組；而方案二則通過新轉輪、發電機定轉子繞圈更換，將原單機容量800 kW的機組擴容為1 000 kW，并增設單機容量分別為1 000 kW和1 250 kW的機組。就改造難度而言，三個方案改造難度相差不大，均充分利用原廠房橋機架構，通過更換單梁橋式起重機實現機組安裝及維修方面的起重任務。

通過對三個方案的比較可以看出，方案三裝機容量、年發電量均最大，設計引水率和水能利用率最高，但是其與方案二相比總投資增加較多。方案一與方案二相比，年發電量少144.20 kW，總投資少48 萬元，且水能利用率較低。綜合考慮上述各方面，彰武水庫水電站改進裝機容量最終選用方案二，即3×1 000+1 250=4 250 kW的方案。

3.2 老化機組改造

為進行該電站老化機組改造，擬定以下措施：①結合該電站所在流域水文情勢并借鑒國內外典型水輪機型譜、轉輪資料，通過比較與該水電站水頭、出力范圍相適用的水輪機特征參數，以確定轉輪型號。比較結果表明，低水頭、大流量軸流定槳式水輪機組中一般使用區寬效率高、抗氣蝕性能優越的ZDJP-502 型轉輪；與此同時，為降低原機組預埋件的不利影響，更換后的轉輪直徑、水輪機結構形式必須和原機組保持一致。而ZDJP-502-LH-180轉輪的直徑及預埋件結構就與原水輪機完全一致，符合水電站機組順利運行的要求。故在水電站原水輪機組改造的過程中，將原水輪機更換為直徑180 cm 的明槽式ZDJP-502-LH-180型轉輪，更換后測試結果顯示，水輪機額定水頭12.50 m，額定流量10.50 m3/s，額定出力955 kW，額定轉速328.60 rpm，額定效率90%。②根據檢測結果，發電機鐵芯磨損后仍能滿足水電站機組運行要求，故該水電站僅進行了定子、轉子線圈的更換，并借助新型絕緣材料將發電機絕緣等級提升至F級，發電機出力也相應增大至1 000 kW。

3.3 新機組參數確定

根據方案二，該水電站裝機容量擴容時必須新增單機容量1 000 kW 和1 250 kW 的機組各1 臺，必須在原廠房2#機組以南擴建廠房，用于兩臺新機組安裝及各機組安裝間設置之用，以便將原兩臺機組、新增的兩臺機組安裝成一行。

結合該水電站設計水頭，并考慮原廠房土建技改的可行性及經濟合理性，綜合考量設計水頭范圍內各種轉輪型號性能，最終選用額定水頭10.50 m、額定流量9.40 m3/s、額定出力954 kW、額定轉速200 rpm、額定效率88%、直徑120 cm 的明槽式ZDJP-502-LH-120 型轉輪。為與水輪機相匹配，水電站發電機使用額定出力1 250 kW、額定電壓6.30 kV、額定效率92%、絕緣等級F級的SF1250-24/2600型發電機，并通過密閉循環空氣方式冷卻。

3.4 改造引水渠道及輔助設備

彰武水庫水電站增效擴容改造后，其總裝機容量從原來的1 600 kW增大至4 250 kW，發電引水流量也增大至50.50 m3/s。復核結果也顯示，原引水渠道過流能力已無法滿足裝機容量擴容后發電流量方面的需求，必須擴建引水渠道。按照裝機容量擴大后所對應發電引水流量過流能力，電站進水渠道長度應增大為75.00 m，渠寬和渠高分別增大至8.00 m和4.00 m，渠道過水能力才能滿足發電機組增效擴容后的運行需要。

為配合該電站機組增效擴容改造，保證電站綜合自動化水平的提升，同時還對電站電氣開關、監控系統及機組輔助設備進行了改進：全電站均更換為自動化元件，并將四臺機組均更換為微機勵磁裝置及高油壓微機調速器，通過微機監控系統對全電站實施自動化控制；更換成橋式起重機后將具體的起重量增大至10 t，原機組進水、尾水閘門和啟閉裝置也進行了更換；空壓機更換為運行穩定、噪聲低的箱式雙螺桿空壓機；并將原油式斷路器全部更新為真空斷路器。

4 增效擴容改造效果

2012年8月河南省水利廳同意彰武水電站進行增效擴容技術改造，技術改造實施后，水電站水輪發電機組及附屬設備、電氣一次二次設備均得到全面更新。機組更新后，出力明顯增加，且機電設備運行的穩定性和安全性有效提高。2018年3月河南省農村水電及電氣化發展中心組織有關專家對水電站安全生產標準化達標情況進行評審，評審結果顯示，該水電站機組增效擴容改造后，雨季期間全部機組均處于滿負荷運行，豐水期電站棄水量明顯減少；與此同時，該水電站綜合自動化系統也處于穩定運行狀態，機組開停機、調整負荷等操作均通過主控室計算機完成，基本實現了無人值守或少人值守的全自動化運行；電站裝機容量增大后年發電量明顯增多，增效擴容所帶來的經濟效益和社會效益十分顯著。

5 結論

綜上所述，彰武水庫水電站增效擴容改造后機組裝機容量增大，電站運行隱患得以消除，電站水能綜合利用率及機組運行效率顯著提升，裝機容量和電站年發電量均較改造前同比增加一倍之多，綜合自動化水平提升。該水電站增效擴容改造成功經驗可為類似水電站改造提供借鑒參考。