黃若德

（崇左市水利局電力站 廣西省崇左市 532200）

小型水電站增效擴(kuò)容改造相關(guān)技術(shù)的分析

黃若德

（崇左市水利局電力站 廣西省崇左市 532200）

由于起步較早，我國許多小型水電站普遍存在自動化程度低，能源浪費(fèi)，運(yùn)行效益低，設(shè)備老舊等問題。通過實(shí)施增效擴(kuò)容改造，可以提高水電站的綜合效益和改善生態(tài)狀況。本文通過分析老化小型水電站所存在的問題，討論小型水電站增效擴(kuò)容改造相關(guān)技術(shù)的實(shí)施關(guān)鍵并提出科學(xué)的改造方法，以期對水電站的改造和發(fā)展提出指導(dǎo)。

小型水電站；增效擴(kuò)容；改造技術(shù)；生態(tài)修復(fù)

1 前言

我國的水利事業(yè)發(fā)展起步比較早，但是早期興建的小水電站由于水文資料不足，機(jī)組性能落后，技術(shù)陳舊而導(dǎo)致規(guī)劃設(shè)計(jì)不夠合理。相當(dāng)一部分水電站存在調(diào)節(jié)性能差、機(jī)電設(shè)備選型不當(dāng)、利用小時(shí)數(shù)少、閑置容量多、棄水多等問題。隨著在我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，小型水電站發(fā)展迅猛，已經(jīng)成為地方經(jīng)濟(jì)特別是山區(qū)經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。我們現(xiàn)就目前小水電站現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)通過技術(shù)改造擴(kuò)建增容，可以充分挖掘出小型水電站的潛力，提高其經(jīng)濟(jì)效益。

2 老化小型水電站技改存在的問題

2.1 機(jī)組性能落后，技術(shù)陳舊

有些小型水電站的水輪機(jī)早在50、60年代就已經(jīng)生產(chǎn)，有些水輪發(fā)電機(jī)由于已經(jīng)運(yùn)行了很長的年代，轉(zhuǎn)子、定子的絕緣部分已老化嚴(yán)重，非常容易引發(fā)接地故障導(dǎo)致機(jī)組安全運(yùn)行受到威脅；有些水輪機(jī)由于建造早，缺陷多、加工質(zhì)量欠佳，再加上維修不及時(shí)，長時(shí)間帶病運(yùn)轉(zhuǎn)，安全可靠性差，出力明顯不足，水輪機(jī)處在低效率運(yùn)行；有的水輪機(jī)由于安裝和制造質(zhì)量不夠好，推力軸承可靠性比較低，同時(shí)水輪發(fā)電機(jī)絕緣發(fā)生老化，經(jīng)常會導(dǎo)致燒瓦事故發(fā)生；有的由于工作于泥沙河流，使水輪機(jī)嚴(yán)重磨蝕破壞，水輪機(jī)進(jìn)水閥與導(dǎo)水葉漏水嚴(yán)重，轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重?cái)嗔鸦蛄鸭y。維修間隔不到一年，不能保證安全運(yùn)行，甚至不能正常啟動，停機(jī)；有的水電站形成小馬拉大車，即發(fā)電機(jī)容量超過了水輪機(jī)出力，在增大了運(yùn)行損耗的同時(shí)，嚴(yán)重浪費(fèi)了設(shè)備容量；也有的電氣設(shè)備與水輪機(jī)不配套，出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，即水輪機(jī)的輸出功率超過了主變壓器的額定容量或發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致水電站的出力設(shè)計(jì)不能正常發(fā)揮，不正常的棄水現(xiàn)象在發(fā)電時(shí)時(shí)有發(fā)生。

2.2 建造資料不全，數(shù)據(jù)不符

有些小型水電站建成后，由于年代久遠(yuǎn)，其缺少必要的水文資料，或者，原設(shè)計(jì)資料與發(fā)電水頭和實(shí)際的來水量等水文數(shù)據(jù)不符，以致電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與選用的水輪機(jī)性能參數(shù)不適應(yīng)，從而導(dǎo)致水輪機(jī)沒有處于最優(yōu)工況區(qū)運(yùn)行，造成水輪機(jī)使用壽命縮短、發(fā)電損失多、機(jī)組運(yùn)行效率低、耗水量多、振動及噪聲大等問題；小型水電站在由于20多年的運(yùn)行，許多圖紙?jiān)O(shè)計(jì)（設(shè)備及機(jī)組運(yùn)行檢修記錄、工程設(shè)計(jì)、水文等資料）、機(jī)組上的銘牌等，由于人員的變動等多方面的原因，都已不完整，還有些水輪機(jī)主要性能參數(shù)與電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)不匹配現(xiàn)象；有些地方對電站重視不夠，選擇不當(dāng)電站的額定轉(zhuǎn)速輪直徑或水輪機(jī)轉(zhuǎn)額定水頭、造成電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)不符和機(jī)組性能參數(shù)；有的水可供各水頭段選用的轉(zhuǎn)輪型號在輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪型譜中少，套用相近轉(zhuǎn)輪后會導(dǎo)致機(jī)組偏離電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)。

3 小型水電站增效擴(kuò)容改造的分析

3.1 小型水電站增效擴(kuò)容改造的目的

對水電站進(jìn)行改造，需要考慮替換機(jī)組后是否可以提高機(jī)組的工作效率，以及對機(jī)組進(jìn)行替換是否可行，其最終目的是為了提高電站的效益。當(dāng)前，有很多改造方式都是通過替換機(jī)組、工作效率更高的不銹鋼轉(zhuǎn)輪等措施來達(dá)到增效擴(kuò)容改造。于此同時(shí)在替換時(shí)還需要考慮其他的改造目標(biāo)。①從經(jīng)濟(jì)上，要鞏固現(xiàn)有發(fā)電能力的基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)容、增效的方式提高發(fā)電收入；②在技術(shù)上，水工建筑與金屬結(jié)構(gòu)必須達(dá)到可以正常運(yùn)行的基本要求。提高水電站的現(xiàn)代化水平，解決水電站長期存在的各類問題，降低電站以及廠用電設(shè)備的能耗、對設(shè)備配置進(jìn)行優(yōu)化、降低水電站運(yùn)行對人的依賴程度、消除設(shè)備存在的隱患，降低水電站的運(yùn)行成本以及維護(hù)成本；③對于環(huán)境，降低排放的二氧化碳量、提高空氣的質(zhì)量、保護(hù)河流中的生物、對河流的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)等，是對小型水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造提出的環(huán)境目標(biāo)；④對于社會，要將水電的供水、防洪、抗旱、灌溉的能力發(fā)揮出來。

3.2 增效擴(kuò)容改造技術(shù)

3.2.1 選擇自動控制系統(tǒng)

選擇合理的自動控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)小型水電站無人值守也正常運(yùn)行的管理效果。提高水電站運(yùn)行的安全性以及控制的可靠性，要保證發(fā)電機(jī)依然可以在部分二次設(shè)備元件損壞后正常運(yùn)行，常選擇具有冗余設(shè)計(jì)的設(shè)備。沒有設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信接口的設(shè)備要利用信息管理機(jī)把RS485接口轉(zhuǎn)變成以太網(wǎng)接口，常使用單星形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)水電站的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，不僅節(jié)約了投資并且保證了網(wǎng)絡(luò)通信速率。自動控制系統(tǒng)中的主要設(shè)備有：①勵磁裝置的選擇。使用具有雙微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的自并勵系統(tǒng)選擇勵磁裝置。這類系統(tǒng)可以適應(yīng)水電站不同的工作狀態(tài)，具有良好的可靠性和調(diào)節(jié)性。②微機(jī)調(diào)速器。一般選擇16MPa高油壓產(chǎn)品可編程調(diào)速器，作為水電站的一個核心設(shè)備，調(diào)節(jié)精確度相當(dāng)高，非常省油并且不會對油的質(zhì)量有過多要求。使用高壓氮?dú)夤迌δ?，它降低了資金投入，且可以連續(xù)使用8～10A，保證了水電站的安全性和穩(wěn)定性。③可編程控制器和微機(jī)保護(hù)裝置。選擇PLC可編程控制器時(shí)，建議選擇施耐德的Quantum、Premeium、GE的RX3i系列產(chǎn)品，質(zhì)量可靠性比較高。選擇雙CPU的數(shù)字信號處理器作為選擇微機(jī)保護(hù)裝置并且要在裝置上配備以太網(wǎng)接口。

3.2.2 選擇高低壓開關(guān)柜

主要根據(jù)斷路器來選擇高低壓開關(guān)柜。禁止使用已經(jīng)被淘汰少油斷路器。對6.3kV、35kV、10kV的電壓等級，要使用真空斷路器。對于110kV、35kV的電壓等級，要使用六氟化硫斷路器。對于400V的電壓等級，使用MNS、GCK、GCS抽出式低壓開關(guān)柜。對于10kV、6.3kV電壓等級，使用XGN2-12或KYN28A-12系列開關(guān)柜，35kV電壓等級，可以使用JYN1-40.5或KYN61-40.5高壓開關(guān)柜。

3.2.3 發(fā)電機(jī)的改造

改造發(fā)電機(jī)常換用直徑較大的銅線繞制，需要重新重新嵌線定子繞組、繞子繞組。使用聚芳酰胺纖維紙配合聚酯薄膜、聚酰亞胺薄膜，這些新型的絕緣材料增加了發(fā)電機(jī)的容量和額定電流，可以將電機(jī)槽絕緣耐熱性提升至F級、H級，絕緣效果非常好。老式發(fā)電機(jī)，多使用B級耐熱等級的青殼紙、黃蠟布等作為電機(jī)的絕緣材料，耐熱效果差、厚度大。改造，對于一些容量過小的發(fā)電機(jī)不能達(dá)到改造目標(biāo)時(shí)要更換這類發(fā)電機(jī)進(jìn)行。勵磁系統(tǒng)的微機(jī)調(diào)速器的調(diào)速能力、勵磁功率也要隨著發(fā)電機(jī)的容量變化而變化。

3.2.4 水輪機(jī)的改造

水輪機(jī)的效能對水電站的生產(chǎn)效率有比較大的影響。在改造過程中，水輪機(jī)作為水電站的一個主要組成部分，需要根據(jù)具體的情況實(shí)施改造?，F(xiàn)在生產(chǎn)的葉輪不管是在抗腐蝕、質(zhì)量、材料等方面都有了顯著的提高。老化嚴(yán)重的水輪機(jī)，要進(jìn)行直接更換，更換后一般可以提高20%以上的工作效率。

4 水電增效擴(kuò)容改造河流的生態(tài)修復(fù)

4.1 修復(fù)目標(biāo)

2016年出臺《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造河流生態(tài)修復(fù)指導(dǎo)意見》通知，指出河流生態(tài)修復(fù)應(yīng)遵循“尊重自然，保護(hù)優(yōu)先”和“以自然修復(fù)為主，人工修復(fù)為輔”的原則。

通過開展減脫水河段生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查，分析農(nóng)村水電開發(fā)引起的生態(tài)環(huán)境問題及成因，重點(diǎn)關(guān)注農(nóng)村水電站攔河設(shè)施下游河段因減脫水而導(dǎo)致的水環(huán)境惡化、生態(tài)退化等問題。環(huán)境現(xiàn)狀評價(jià)應(yīng)根據(jù)河流環(huán)境特點(diǎn)、功能、保護(hù)對象及目標(biāo)，選取適宜的評價(jià)指標(biāo)，對減脫水河段水資源量、水文情勢、水環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)質(zhì)量等進(jìn)行分析評價(jià)，并依據(jù)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析減脫水河段內(nèi)生態(tài)用水的現(xiàn)狀滿足程度。然后根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查和評價(jià)結(jié)果，篩選并識別減脫水河段主要環(huán)境影響因子，確定減脫水河段生態(tài)修復(fù)目標(biāo)。

對于不能滿足生態(tài)流量下泄要求的農(nóng)村水電站，應(yīng)采取有效措施保障生態(tài)流量泄放。具體措施為設(shè)置“生態(tài)小機(jī)組”并長期運(yùn)行，承擔(dān)生態(tài)流量泄放任務(wù)；農(nóng)村水電站承擔(dān)基荷發(fā)電任務(wù)，通過發(fā)電下泄?jié)M足生態(tài)流量；以保障生態(tài)流量為目標(biāo)，拓展農(nóng)村水電站引水、泄水、沖沙、放空等設(shè)施功能，新建、改建泄放設(shè)施。

在水生態(tài)與水環(huán)境保護(hù)方面，在滿足生態(tài)流量的前提下，應(yīng)盡最大可能保持河道和植被原生態(tài)。壩下河段存在灌溉取水或?qū)λ疁刈兓舾械闹匾鷳B(tài)保護(hù)目標(biāo)時(shí)，可采取分層取水或其他減緩措施恢復(fù)水溫。存在重要濕地或河谷林、珍稀瀕危保護(hù)魚類棲息地等生態(tài)敏感區(qū)的河流，應(yīng)結(jié)合河道具備的生境條件，滿足珍稀動、植物生態(tài)敏感期和敏感生態(tài)需水過程要求。此外，應(yīng)選擇凈化能力強(qiáng)的水生、陸生植物對農(nóng)村水電站管理范圍內(nèi)河灘地進(jìn)行綠化，構(gòu)建植被緩沖帶，以消除和緩解面源污染，保護(hù)河流水質(zhì)。

4.2 修復(fù)意見

①河道斷面：河道斷面型式的選擇，應(yīng)與河道沿線風(fēng)貌特色相結(jié)合，注重保護(hù)歷史文化和體現(xiàn)不同的地方特點(diǎn)，并與城鎮(zhèn)沿岸景觀相融合。不同的地段可采用不同的斷面形式，避免河道斷面的規(guī)則化和型式的均一化；河道斷面應(yīng)在紅線范圍內(nèi)，在確保最小過水?dāng)嗝娴幕A(chǔ)上，結(jié)合平面線形的彎曲多變，做到斷面寬窄不一，大小多變；河道底高程在滿足防洪排澇的前提下，應(yīng)結(jié)合其原有形態(tài)，形成深潭、淺灘等格局，為水生生物營造休憩空間；對豐、枯季節(jié)流量變幅較大以及常水位與兩岸地面高差較大的河道，應(yīng)采用復(fù)式斷面；在用地條件許可的情況下，盡可能放緩邊坡，坡度一般宜緩于1：2.5～1：3.0，以利于生態(tài)景觀建設(shè)；河道斷面設(shè)計(jì)參數(shù)選取及計(jì)算參考河道設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。②人工階梯-淺灘、深潭在不影響斷面過流前提下，建設(shè)深淺交替的淺灘和深潭，產(chǎn)生急流、緩流等多種水流條件，形成多樣化的生境；深潭與淺灘宜成對設(shè)計(jì)，每個河灣段宜配有一對深潭與淺灘，河道直線段宜成對配置深潭與淺灘；每對深潭、淺灘可按河寬的3～10倍距離來交替布置。河灣段深潭宜設(shè)在彎曲段外側(cè)，淺灘宜設(shè)在彎曲段內(nèi)側(cè)；淺灘及深潭布置可結(jié)合小型結(jié)構(gòu)物、河床拋石、人工魚巢等進(jìn)行設(shè)計(jì)。小型結(jié)構(gòu)物：小型結(jié)構(gòu)物包括導(dǎo)流裝置、生態(tài)潛壩等，可在河道內(nèi)部形成多樣性流況，以改變流向。河床拋石：河床拋石區(qū)面積不超過河底面積的1～3%，河床拋石區(qū)根據(jù)河道形態(tài)呈斑塊狀分散，不宜過分集中；石塊直徑不小于0.3m，每處拋石區(qū)石塊間距至少2～3倍石塊直徑。人工魚巢：人工魚巢主要是為產(chǎn)黏性魚卵的魚提供繁殖的場所，使魚卵受精后可以黏附其上，便于孵化。魚巢可采用植物根莖、木材、石材、多孔性混凝土及其他人工材料等制成。魚巢設(shè)計(jì)宜優(yōu)先考慮與親水平臺結(jié)合。人工魚巢宜根據(jù)河道魚類調(diào)查資料進(jìn)行布設(shè)；河道微地形改造優(yōu)先選用塊石、石籠、木頭等天然材料。

5 小結(jié)

我國小型水電站資源豐富，但由于我國的水利事業(yè)發(fā)展起步比較早，早期小水電站機(jī)組性能落后，技術(shù)陳舊、電站運(yùn)行效率低、存在嚴(yán)重能源浪費(fèi)。需要對小型水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容以保證小型水電站的運(yùn)行效率，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，我國小水電資源豐富，增效擴(kuò)容潛力巨大，節(jié)能減排目標(biāo)可觀。國家將在“十二五”期間通過保證小水電優(yōu)先上網(wǎng)、支持老舊農(nóng)村水電站實(shí)施增效擴(kuò)容改造、加大農(nóng)村小水電代燃料工程建設(shè)、啟動小水電再制造工程、提高小水電上網(wǎng)電價(jià)等措施，大力支持小水電的有序健康發(fā)展。我們應(yīng)該支持小水電再制造項(xiàng)目，促進(jìn)小水電資源的開發(fā)和利用，促進(jìn)地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)服務(wù)，使我國水利事業(yè)更上一層樓。

[1]覃憶油.小型水電站增效擴(kuò)容改造技術(shù)[J].科技傳播，2014，19：214～215.

[2]徐素云，金慧芬.小型水電站增效擴(kuò)容改造技術(shù)要點(diǎn)分析[J].珠江水運(yùn)，2015，08：90～91.

[3]甘家強(qiáng).農(nóng)村水電站降壓擴(kuò)容增效機(jī)組改造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013，24：232+240.

[4]穆建軍.小型水電站增效擴(kuò)容電氣設(shè)計(jì)問題探討[J].中國水能及電氣化，2012，09：7～11.

[5]周麗娜，徐錦才，關(guān)鍵，李婷婷.農(nóng)村小水電安全運(yùn)行中存在的問題分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2011，01：150～151+155.

[6]陳文麗.水電站增效擴(kuò)容改造過程中常見問題分析[J].科技與企業(yè)，2015，23：212.

TV742

A

1004-7344（2016）18-0071-02

2016-6-1

黃若德（1987-），男，本科，主要從事農(nóng)村小水電行業(yè)管理工作。