小型水電站增效擴容改造相關技術的分析

黃若德

（崇左市水利局電力站 廣西省崇左市 532200）

小型水電站增效擴容改造相關技術的分析

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，運行效益低，設備老舊等問題。通過實施增效擴容改造，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容改造相關技術的實施關鍵并提出科學的改造方法，以期對水電站的改造和發(fā)展提出指導。

小型水電站；增效擴容；改造技術；生態(tài)修復

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，機組性能落后，技術陳舊而導致規(guī)劃設計不夠合理。相當一部分水電站存在調節(jié)性能差、機電設備選型不當、利用小時數(shù)少、閑置容量多、棄水多等問題。隨著在我國經濟的快速發(fā)展，小型水電站發(fā)展迅猛，已經成為地方經濟特別是山區(qū)經濟的支柱產業(yè)。我們現(xiàn)就目前小水電站現(xiàn)狀進行了分析，發(fā)現(xiàn)通過技術改造擴建增容，可以充分挖掘出小型水電站的潛力，提高其經濟效益。

2 老化小型水電站技改存在的問題

2.1 機組性能落后，技術陳舊

有些小型水電站的水輪機早在50、60年代就已經生產，有些水輪發(fā)電機由于已經運行了很長的年代，轉子、定子的絕緣部分已老化嚴重，非常容易引發(fā)接地故障導致機組安全運行受到威脅；有些水輪機由于建造早，缺陷多、加工質量欠佳，再加上維修不及時，長時間帶病運轉，安全可靠性差，出力明顯不足，水輪機處在低效率運行；有的水輪機由于安裝和制造質量不夠好，推力軸承可靠性比較低，同時水輪發(fā)電機絕緣發(fā)生老化，經常會導致燒瓦事故發(fā)生；有的由于工作于泥沙河流，使水輪機嚴重磨蝕破壞，水輪機進水閥與導水葉漏水嚴重，轉輪葉片發(fā)生嚴重斷裂或裂紋。維修間隔不到一年，不能保證安全運行，甚至不能正常啟動，停機；有的水電站形成小馬拉大車，即發(fā)電機容量超過了水輪機出力，在增大了運行損耗的同時，嚴重浪費了設備容量；也有的電氣設備與水輪機不配套，出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，即水輪機的輸出功率超過了主變壓器的額定容量或發(fā)電機，導致水電站的出力設計不能正常發(fā)揮，不正常的棄水現(xiàn)象在發(fā)電時時有發(fā)生。

2.2 建造資料不全，數(shù)據不符

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

3 小型水電站增效擴容改造的分析

3.1 小型水電站增效擴容改造的目的

對水電站進行改造，需要考慮替換機組后是否可以提高機組的工作效率，以及對機組進行替換是否可行，其最終目的是為了提高電站的效益。當前，有很多改造方式都是通過替換機組、工作效率更高的不銹鋼轉輪等措施來達到增效擴容改造。于此同時在替換時還需要考慮其他的改造目標。①從經濟上，要鞏固現(xiàn)有發(fā)電能力的基礎上，利用擴容、增效的方式提高發(fā)電收入；②在技術上，水工建筑與金屬結構必須達到可以正常運行的基本要求。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備的能耗、對設備配置進行優(yōu)化、降低水電站運行對人的依賴程度、消除設備存在的隱患，降低水電站的運行成本以及維護成本；③對于環(huán)境，降低排放的二氧化碳量、提高空氣的質量、保護河流中的生物、對河流的生態(tài)環(huán)境進行修復等，是對小型水電站進行增效擴容改造提出的環(huán)境目標；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 增效擴容改造技術

3.2.1 選擇自動控制系統(tǒng)

選擇合理的自動控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)小型水電站無人值守也正常運行的管理效果。提高水電站運行的安全性以及控制的可靠性，要保證發(fā)電機依然可以在部分二次設備元件損壞后正常運行，常選擇具有冗余設計的設備。沒有設計以太網通信接口的設備要利用信息管理機把RS485接口轉變成以太網接口，常使用單星形以太網結構來設計水電站的計算機網絡，不僅節(jié)約了投資并且保證了網絡通信速率。自動控制系統(tǒng)中的主要設備有：①勵磁裝置的選擇。使用具有雙微機勵磁調節(jié)器的自并勵系統(tǒng)選擇勵磁裝置。這類系統(tǒng)可以適應水電站不同的工作狀態(tài)，具有良好的可靠性和調節(jié)性。②微機調速器。一般選擇16MPa高油壓產品可編程調速器，作為水電站的一個核心設備，調節(jié)精確度相當高，非常省油并且不會對油的質量有過多要求。使用高壓氮氣罐儲能，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保護裝置。選擇PLC可編程控制器時，建議選擇施耐德的Quantum、Premeium、GE的RX3i系列產品，質量可靠性比較高。選擇雙CPU的數(shù)字信號處理器作為選擇微機保護裝置并且要在裝置上配備以太網接口。

3.2.2 選擇高低壓開關柜

主要根據斷路器來選擇高低壓開關柜。禁止使用已經被淘汰少油斷路器。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抽出式低壓開關柜。對于10kV、6.3kV電壓等級，使用XGN2-12或KYN28A-12系列開關柜，35kV電壓等級，可以使用JYN1-40.5或KYN61-40.5高壓開關柜。

3.2.3 發(fā)電機的改造

改造發(fā)電機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)電機的容量和額定電流，可以將電機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，多使用B級耐熱等級的青殼紙、黃蠟布等作為電機的絕緣材料，耐熱效果差、厚度大。改造，對于一些容量過小的發(fā)電機不能達到改造目標時要更換這類發(fā)電機進行。勵磁系統(tǒng)的微機調速器的調速能力、勵磁功率也要隨著發(fā)電機的容量變化而變化。

3.2.4 水輪機的改造

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

4 水電增效擴容改造河流的生態(tài)修復

4.1 修復目標

2016年出臺《農村水電增效擴容改造河流生態(tài)修復指導意見》通知，指出河流生態(tài)修復應遵循“尊重自然，保護優(yōu)先”和“以自然修復為主，人工修復為輔”的原則。

通過開展減脫水河段生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調查，分析農村水電開發(fā)引起的生態(tài)環(huán)境問題及成因，重點關注農村水電站攔河設施下游河段因減脫水而導致的水環(huán)境惡化、生態(tài)退化等問題。環(huán)境現(xiàn)狀評價應根據河流環(huán)境特點、功能、保護對象及目標，選取適宜的評價指標，對減脫水河段水資源量、水文情勢、水環(huán)境質量、生態(tài)質量等進行分析評價，并依據有關技術標準分析減脫水河段內生態(tài)用水的現(xiàn)狀滿足程度。然后根據現(xiàn)狀調查和評價結果，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)修復目標。

對于不能滿足生態(tài)流量下泄要求的農村水電站，應采取有效措施保障生態(tài)流量泄放。具體措施為設置“生態(tài)小機組”并長期運行，承擔生態(tài)流量泄放任務；農村水電站承擔基荷發(fā)電任務，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，拓展農村水電站引水、泄水、沖沙、放空等設施功能，新建、改建泄放設施。

在水生態(tài)與水環(huán)境保護方面，在滿足生態(tài)流量的前提下，應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對水溫變化敏感的重要生態(tài)保護目標時，可采取分層取水或其他減緩措施恢復水溫。存在重要濕地或河谷林、珍稀瀕危保護魚類棲息地等生態(tài)敏感區(qū)的河流，應結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，應選擇凈化能力強的水生、陸生植物對農村水電站管理范圍內河灘地進行綠化，構建植被緩沖帶，以消除和緩解面源污染，保護河流水質。

4.2 修復意見

①河道斷面：河道斷面型式的選擇，應與河道沿線風貌特色相結合，注重保護歷史文化和體現(xiàn)不同的地方特點，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；河道斷面應在紅線范圍內，在確保最小過水斷面的基礎上，結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，應結合其原有形態(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，應采用復式斷面；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；河道斷面設計參數(shù)選取及計算參考河道設計相關技術標準。②人工階梯-淺灘、深潭在不影響斷面過流前提下，建設深淺交替的淺灘和深潭，產生急流、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計，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。河灣段深潭宜設在彎曲段外側，淺灘宜設在彎曲段內側；淺灘及深潭布置可結合小型結構物、河床拋石、人工魚巢等進行設計。小型結構物：小型結構物包括導流裝置、生態(tài)潛壩等，可在河道內部形成多樣性流況，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。魚巢設計宜優(yōu)先考慮與親水平臺結合。人工魚巢宜根據河道魚類調查資料進行布設；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

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，早期小水電站機組性能落后，技術陳舊、電站運行效率低、存在嚴重能源浪費。需要對小型水電站進行增效擴容以保證小型水電站的運行效率，從而提高經濟效益。同時，我國小水電資源豐富，增效擴容潛力巨大，節(jié)能減排目標可觀。國家將在“十二五”期間通過保證小水電優(yōu)先上網、支持老舊農村水電站實施增效擴容改造、加大農村小水電代燃料工程建設、啟動小水電再制造工程、提高小水電上網電價等措施，大力支持小水電的有序健康發(fā)展。我們應該支持小水電再制造項目，促進小水電資源的開發(fā)和利用，促進地區(qū)的生態(tài)文明建設服務，使我國水利事業(yè)更上一層樓。

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TV742

A

1004-7344（2016）18-0071-02

2016-6-1

黃若德（1987-），男，本科，主要從事農村小水電行業(yè)管理工作。