楊鐵樹，回建文

(1.河北省水利水電勘測設計研究院，天津市 300250；2.西北農(nóng)林科技大學，陜西 楊凌 712100)

?

河北省農(nóng)村水電站更新改造設計要點

楊鐵樹1，回建文2

(1.河北省水利水電勘測設計研究院，天津市 300250；2.西北農(nóng)林科技大學，陜西 楊凌 712100)

摘要：河北省小農(nóng)村水電站多建于20世紀七八十年代，由于設備老化，機組實際效率顯著下降。通過技術改造，發(fā)電效率可顯著提高，與新建電站相比，具有投資少、見效快、經(jīng)濟效益好等特點。對其更新改造設計的要點進行了詳細闡述。表2個。

關鍵詞：農(nóng)村水電站；更新改造；水能利用率；最小獨立運行結(jié)構(gòu)單元；統(tǒng)籌設計

1建設概況

河北省農(nóng)村水能資源蘊藏量為190.19萬 kW，可開發(fā)量為120.60萬 kW。截至2014年底，全省共建有農(nóng)村水電站246座，總裝機容量38.87萬 kW。“十二五”期間，農(nóng)村水電站發(fā)電量達到23.5億 kW·h，相當于減少標準煤消耗82萬t，減少薪柴消耗191萬t，減少CO2排放205萬t，減少SO2排放27 237萬t，保護森林植被面積2 191萬畝。農(nóng)村水電站促進了農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，成為重要的可再生綠色能源。

2更新改造的必要性

河北省農(nóng)村水電站大多數(shù)建于20世紀七八十年代，經(jīng)過幾十年運行，許多電站機電設備陳舊老化、性能下降，水工建筑物部分存在安全隱患；機組主要性能參數(shù)與電站實際運行參數(shù)不匹配；自動化水平及管理水平低，故障報警和事故處理不及時，造成帶病運行或事故擴大，存在嚴重安全隱患。在水電站性能降低到加速惡化前，可利用更新改造將其恢復到原設計水平，或通過擴容增效，以全面提升水電站的發(fā)電能力和經(jīng)濟效益(見表1)。

3更新改造設計要點

3.1提高水資源水能利用率，優(yōu)化水電站裝機容量

(1)徑流式水電站根據(jù)上游來水量水能計算，優(yōu)化水電站裝機容量

平山縣康莊水電站根據(jù)徑流區(qū)間水文計算，并與上游梯級開發(fā)水電站的流量配合，確定其引水流量由原4.0 m3/s增至17 m3/s，則裝機容量由原2×500 kW增至2×2 000+1×1 000 kW，水能利用率提高425%，發(fā)電容量增加500%。對于來水量(或水頭)比原設計增大的徑流式水電站，應根據(jù)來水量(或水頭)增大的計算值，重新選定水輪發(fā)電機組或設計改型新轉(zhuǎn)輪，使其運行在高效率區(qū)，既加大單機容量，又提高水輪發(fā)電機組運行效率，可大幅度提高年發(fā)電量。

(2)壩后式水電站根據(jù)下游放水量統(tǒng)計計算，優(yōu)化水電站裝機容量

興隆縣老虎溝水電站為壩后式水電站，遵循“發(fā)電服從于灌溉”的調(diào)度原則， 通過及時了解水庫向下游放水情況，做好放水量統(tǒng)計和發(fā)電預案，減少棄水；并充分利用水庫泄洪發(fā)電，增加峰電，全面提高了年發(fā)電量。

隆化縣改河水電站是利用老陡山水電站的剩余水量發(fā)電，為壩后式水電站的1個發(fā)電車間。通過近年來實際發(fā)電情況并延長水文系列，將年發(fā)電量由120萬kW·h修改為76萬kW·h。對于來水量(或水頭)比原設計減小了的水電站，根據(jù)實際來水量(或運行水頭)，選用合適的新型轉(zhuǎn)輪或設計改型新轉(zhuǎn)輪，將水輪發(fā)電機組調(diào)整到較優(yōu)工況區(qū)運行，可提高水能利用率。

表1　河北省“十二五”期間實施更新改造的農(nóng)村水電站典型現(xiàn)狀問題分類

(3)引水式水電站通過維修加固攔河壩等調(diào)蓄工程，提高水電站發(fā)電量

承德縣柳河水電站為設有攔河壩的引水式水電站，在滿足生態(tài)流量的前提下，通過維修加固攔河壩工程，增加了水電站的日調(diào)節(jié)能力，滿足了最小發(fā)電流量和發(fā)電水頭，提高了年利用小時數(shù)和水電站的發(fā)電量。

(4)水電站裝機容量調(diào)整后，需進行過流能力及出口水位的復核計算

涉縣西達水電站為徑流引水式，利用河道裁彎取直獲得落差發(fā)電，通過實測徑流資料進行年徑流分析，并以頻率法進行比較驗證，對水流條件較好的2號水輪發(fā)電機組由500 kW增容至630 kW，保證其運行于運轉(zhuǎn)特性曲線的高效區(qū)間。在保證機組參數(shù)完全適應水能參數(shù)外，還對引水系統(tǒng)的引用流量、水頭損失、結(jié)構(gòu)強度等進行校核計算，維修加固了引水渠道、輸水隧洞，改造了壓力前池和尾水渠，滿足了發(fā)電機組增容后的過流能力及水頭損失等要求。

3.2以水電站獨立運行結(jié)構(gòu)單元為改造對象，提高更新改造工程投資利用率

(1)水電站更新改造工程中最小獨立運行結(jié)構(gòu)單元的劃分

確定水電站最小獨立運行結(jié)構(gòu)單元，是合理確定水電站更新改造工程范圍的前題，若更新改造范圍過大，勢必造成工程量的增加和工程投資的增大，從而降低了更新改造工程投資的利用率；若更新改造范圍過小，將影響到更新改造工程的整體質(zhì)量和效果，造成更新改造后的水電站仍帶病運行。通過對水電站結(jié)構(gòu)體系和運行體系的解剖分析，找出其最小結(jié)構(gòu)單元和獨立運行單元，在確定更新改造工程最小項目單元時，應使其同時具備最小結(jié)構(gòu)單元和獨立運行單元的雙重條件，以同時兼顧設備制造安裝的個體因素和系統(tǒng)運行發(fā)電的整體因素。若更新改造工程最小項目單元僅滿足最小結(jié)構(gòu)單元條件，將影響到更新改造項目的運行質(zhì)量；若最小項目單元僅滿足最小獨立運行單元，將影響到更新改造工程的結(jié)構(gòu)質(zhì)量(見表2)。

表2　水電站最小獨立運行結(jié)構(gòu)單元劃分

(2)水電站更新改造項目安排順序

水電站更新改造項目在結(jié)合其運行現(xiàn)狀及存在問題的基礎上，按最小獨立運行結(jié)構(gòu)單元劃分表確定其更新改造工程所包含的單元項目及數(shù)量，并遵循以下原則安排其更新改造順序：

①先“運行安全”項目，后“功能完善”項目。在表1中的赤城縣隔河寨二級水電站，更新改造項目優(yōu)先安排“機電設備老化嚴重，擋水建筑物塌方，廠房滲漏等存在安全隱患”的項目，包括更新2臺水輪發(fā)電機組及微機調(diào)速器、高低壓開關柜；翻修溢流壩面、整修主副廠房屋頂?shù)?；而后才考慮安排“功能完善，提高性能”的項目，增設了微機監(jiān)控保護系統(tǒng)。

②先“擴容增效”項目，后“功能修復”項目。在表1中的涉縣西達水電站，更新改造項目優(yōu)先安排“2號水輪發(fā)電機組增容至630 kW”的項目，包括2號水輪發(fā)電機組增容改造及相關機電設備更新改造；而后才考慮安排“功能修復，輔助增容”的項目，維護整修了引水渠、輸水洞及尾水渠。

③先“主機發(fā)電”項目，后“輔助運行”項目。在表1中的興隆縣老虎溝水電站，更新改造項目優(yōu)先安排“更換2臺大機組轉(zhuǎn)輪、調(diào)速器、主閥”，而后才考慮安排“更新高低壓開關柜和增設微機監(jiān)控保護系統(tǒng)”。根據(jù)小水電站更新改造項目的“重、輕、急、緩”，在投入有限資金的前題下，通過合理安排更新改造項目，不僅可有效控制更新改造建設規(guī)模和改造費用，還可進一步優(yōu)化更新改造項目，大大提高資金利用率。

3.3進行水電站整體發(fā)電效益和安全性統(tǒng)籌設計

(1)進行水電站整體發(fā)電效益提高的統(tǒng)疇性設計

水電站整體發(fā)電效益=水能利用率×水輪發(fā)電機組發(fā)電效率×升壓變電設備效率。只有每個環(huán)節(jié)的效率達到最優(yōu)，才能實現(xiàn)水電站整體發(fā)電效益最高。前述的提高水能利用率是提高水電站整體發(fā)電效益的前提，而水輪發(fā)電機組發(fā)電效率和升壓變電設備效率又是提高水電站整體發(fā)電效益的保障，水輪發(fā)電機組和升壓變電設備的更新改造，特別是水電站增容改造，水輪發(fā)電機組的選型及升壓變電設備的容量匹配，任何一個環(huán)節(jié)都不能存在效率短板點，否則將影響到水電站整體發(fā)電效益的提高。

提高水輪發(fā)電機組發(fā)電效率應從水力、機械及電磁三方面綜合考慮：一是提高水力效率，首先應提高轉(zhuǎn)輪效率，適當增加轉(zhuǎn)輪單位流量，或減小轉(zhuǎn)輪漏水量，另外降低尾水水位提高發(fā)電水頭也可提高水力效率。二是減小水輪發(fā)電機組的機械損失，改造推力軸承，減小機械損失；改造發(fā)電機通風系統(tǒng)，減小機組通風損耗。三是減小電磁損失，改造定子鐵芯，減小鐵芯損失；取消直流勵磁機，采用可控硅勵磁。

提高升壓變電設備效率可結(jié)合機組增容改造需更換主變壓器，應選用節(jié)能型變壓器。如原有變壓器容量足夠，結(jié)合技術改造，也可將舊變壓器改造為低耗能變壓器；屬淘汰序列的變壓器一定要更換掉。低壓機組水電站變壓器有選用降壓型的，應更換為升壓型。

(2)進行水電站整體安全性提高的必要性設計

提高效益的保障是安全，安全的結(jié)果是效益。水電站整體安全涉及操作安全、保護安全及管理安全三個方面。操作安全是管理安全的前提，高自動化水平并非操作追求的目標，“簡單實用”才是最安全可靠的，應在充分了解原有水電站的操作方式、控制水平的基礎上提出切實可靠的、有針對性的操作運行及安全性設計。特別注意，水電站原有高壓開關柜很多并不具備“五防”功能，低壓開關柜也沒有達到3C認證要求，應該在改造的同時進行更換。保護安全是操作安全的技術保障，當發(fā)生誤操作或出現(xiàn)各類故障/事故時，繼電保護系統(tǒng)應及時報警并切除故障，將事故限制在最小范圍內(nèi)。管理安全是提高水電站安全性的必要手段，在制定每個受控設備操作運行規(guī)程的基礎上，還應結(jié)合原有水電站的運行經(jīng)驗制定反事故措施及相關事故處理預案，在建立建全運行組織管理制度的基礎上，還應加強職工培訓，提高整體素質(zhì)。

3.4實現(xiàn)更新改造項目與原水電站現(xiàn)狀的有機結(jié)合

(1)采用現(xiàn)代先進技術并兼顧原水電站基本現(xiàn)狀

水電站的技術改造應積極采用成熟實用新技術成果，加大科技含量，大力推廣低成本自動化技術，以最少的資金投入，獲得最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。最大限度地提高設備的安全可靠性和使用壽命，努力提高設備和水電站的自動化水平。但水電站的更新改造也不能脫離原有現(xiàn)狀，應在對原水電站的設備狀況(包括檢修及事故停機時間)、技術水平(機組的先進性和運行管理現(xiàn)代化程度)、能量轉(zhuǎn)換效率和安全隱患等進行全面調(diào)查和評估的基礎上，提出切實可行的水電站更新改造方案。水電站技術改造前對設施和設備進行安全檢測是非常必要的。根據(jù)檢測結(jié)果，從安全角度對水電站的設施和設備作出改造與否的評價，并作為水電站技術改造的必要性、改造規(guī)模與時機以及技術改造成效的依據(jù)。

(2)實現(xiàn)更新改造設備與原有系統(tǒng)設備的有機結(jié)合

水電站更新改造是在吸納原有設備技術優(yōu)勢并克服原有設備不足和弊端基礎上的功能完善和質(zhì)量提升。雖然機電設備實現(xiàn)了更新改造，但是原有的運行管理人員沒有變動，操作運行習慣沒有改變，這就要求新設備在增加新配置和新功能的同時，還應兼顧原有管理人員的操作習慣和操作規(guī)程，有效避免老人員對新設備的操作慣性而導致的誤操作，特別是當事故發(fā)生時緊急操作和事故處理更是如此。應實現(xiàn)老規(guī)程與新設備、老模式與新功能的完整統(tǒng)一，原有操作規(guī)程及管理模式與更新設備的操作流程及功能配置的有機結(jié)合(包括主接線、設備布置、操作開關及按鈕的布置、信號燈顏色等)。

在重新設計新發(fā)電機時，亦應充分利用原設備的基礎及埋件，其他部件如大軸、上機架、下機架，凡經(jīng)加工仍可使用者均應利用，以節(jié)省改造費用。拆除機組的設備及零件經(jīng)檢驗并復核計算后，仍可利用者可作為其他未改造機組的替換零件或備件，提高拆除原有機電設備及零件的再利用率，節(jié)省改造費用。

4結(jié)語

河北省農(nóng)村水電站更新改造設計要點，完全符合于《小型水電站技術改造規(guī)范》(GB/T 50700—2011)中所提出的“正確貫徹先進性、合理性、經(jīng)濟性和特殊性的四性原則”。先進性就是進一步優(yōu)化水電站裝機容量，選用高效節(jié)能型機電設備，提高水資源利用率；合理性就是緊密結(jié)合和妥善處理本電站的不可變更或不宜變更的制約條件，以其獨立運行結(jié)構(gòu)單元為改造對象，提高工程投資利用率；經(jīng)濟性就是通過更新改造工程增加水電站的年發(fā)電量，提高其經(jīng)濟效益；特殊性就是針對河北省各水電站工程現(xiàn)狀，實現(xiàn)更新改造項目與原水電站現(xiàn)狀的有機結(jié)合。河北省農(nóng)村水電站的更新改造工作體現(xiàn)了先進性、合理性、經(jīng)濟性和實用性的完整統(tǒng)一，有效促進了小水電事業(yè)的健康繁榮發(fā)展。

參考文獻：

[1]河北省水利水電第二勘測設計研究院.河北省赤城縣鞏固退耕還林農(nóng)村能源小水電項目隔河寨二級水電站技術改造工程初步設計報告[R].石家莊：河北省水利水電第二勘測設計研究院，2013.

[2]河北省水利水電第二勘測設計研究院.河北省承德縣鞏固退耕還林成果柳河水電站技術改造工程初步設計報告[R].石家莊：河北省水利水電第二勘測設計研究院，2013.

[3]邯鄲市水利水電勘測設計研究院.河北省涉縣漳河小水電代燃料項目西達水電站更新改造工程初步設計報告[R].邯鄲：邯鄲市水利水電勘測設計研究院，2014.

[4]邯鄲市水利水電勘測設計研究院.2014年度承德市小水電省級補助資金項目改河水電站技術改造工程實施方案[R].邯鄲：邯鄲市水利水電勘測設計研究院，2015.

[5]平山縣冀興水利水電勘察設計有限公司.河北省平山縣康莊水電站建設工程修正初步設計報告[R].平山：平山縣冀興水利水電勘察設計有限公司，2013.

[6]河北省水利水電第二勘測設計研究院.2014年興隆縣省級補助資金項目老虎溝水電站技術改造工程實施方案[R].石家莊：河北省水利水電第二勘測設計研究院，2015.

[7]GB/T 50700—2011，小型水電站技術改造規(guī)范[S].

[8]GB 50071—2002，小型水力發(fā)電站設計規(guī)范[S].

■

責任編輯吳昊

作者簡介：楊鐵樹(1963-)，男，教授級高級工程師，主要從事水利水電工程設計及研究工作。

收稿日期：2016-01-05