農(nóng)村小型水電站增效擴(kuò)容改造方案研究

鄒 韜，李志瑤，左恒奕，張本權(quán)

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市巴林右旗水利局,內(nèi)蒙古 赤峰 025150; 3.貴州省水投水務(wù)集團(tuán)有限公司，貴陽 550002; 4.福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000)

0 引 言

20世紀(jì)70年代以來，為解決我國廣大農(nóng)村地區(qū)面臨無電缺電難題，政府修建了眾多農(nóng)村中小型水電站，用來推動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，保障農(nóng)村應(yīng)急供電問題，同時保護(hù)生態(tài)環(huán)境。截至目前，我國已建成的農(nóng)村中小型水電站約有45 000座，裝機總?cè)萘亢湍臧l(fā)電量占全國總量的33%[1]，為我國電力系統(tǒng)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。但由于受到當(dāng)時經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件制約，早期完建的農(nóng)村中小型水電站存在設(shè)備設(shè)施陳舊、技術(shù)條件欠缺、效率逐年遞減及安全隱患日益突出等問題[2]。為此，我國“十三五”規(guī)劃針對農(nóng)村中小型水電站存在問題提出增效擴(kuò)容改建水電站的各項政策，將改造范圍擴(kuò)大至包括2000年及以前投產(chǎn)水電站，其目的就是通過增效擴(kuò)容改造，提高可再生能源供給水平，保障河道生態(tài)流量，消除電站安全隱患，提升水庫防洪、灌溉、供水能力。

1 水電站工程概述

河南省濟(jì)源市內(nèi)的某一農(nóng)村小型水電站位于該市的沁河下游，為一座無壩引水式水電站。水庫所控制的實際流域面積約9 000 km2，其主要任務(wù)是滿足周圍鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田灌溉需求，同時兼有供電、防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益。該水利樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)及電站所組成。水電站總裝機容量為6×200 kW,引水發(fā)電系統(tǒng)中引水明渠420 m，引水隧洞長430 m。

2 增效擴(kuò)容改造的必要性分析

該水電站自投入生產(chǎn)運行以來，目前6臺機組中只有兩臺尚能工作，機組已經(jīng)無法實現(xiàn)滿負(fù)荷的工作狀態(tài)，并且發(fā)電效率及能效均日益下降；電氣設(shè)備也存在老化、故障頻發(fā)，已經(jīng)影響到電站的安全運轉(zhuǎn)和發(fā)電效益；電站調(diào)速器由于年代原因，與上網(wǎng)頻率不相符，電站上網(wǎng)頻率要靠手動實現(xiàn)調(diào)頻，安全風(fēng)險極高。以上這些問題在我國眾多早期完建農(nóng)村小型水電站中普遍存在。因此，在國家“十三五”規(guī)劃中也特意指出以增效擴(kuò)容改造為手段，提升安全生產(chǎn)水平，促進(jìn)農(nóng)村水電行業(yè)管理水平。

3 增效擴(kuò)容改造方案研究

3.1 水能計算

設(shè)計選取1956-2000年共45年監(jiān)測的入庫徑流水文資料進(jìn)行水電站的水能復(fù)核。通過計算得到該水庫多年平均徑流量為8.34×108m3，年徑流過程線見圖1。

圖1 水庫長系列年徑流過程線及趨勢線

采用長系列法對該水電站進(jìn)行保證出力計算。根據(jù)《小水電水能設(shè)計規(guī)程》(SL76-1994)中有關(guān)內(nèi)容，電站蓄水期、供水期的調(diào)節(jié)流量計算公式如下[3]：

式中：Q蓄、Q供分別在蓄水期和供水期的水庫調(diào)節(jié)流量，m3/s；V利為興利庫容，m3/s·月；∑Q2Δt、∑Q1Δt分別為蓄水期和供水期的天然來水量，m3/s·月；n2、n1為蓄水期和供水期的月數(shù)。

電站設(shè)計保證率依據(jù)水電站水文資料和設(shè)計要求取值為P=85%，供水期內(nèi)水電站保證出力計算公式如下：

經(jīng)計算，設(shè)計保證出力為620.8 kW。

3.2 裝機容量選擇

裝機容量一般根據(jù)保證出力乘于倍比系數(shù)求得。在工程中，倍比系數(shù)取值范圍一般為2～3，由此可以得到該水電站的裝機容量范圍為：

N裝機=(2.0～3.0)×N保證

=1 241.6～1 862.4 kW

利用水能復(fù)核公式，繪制該水電站多年平均發(fā)電量和裝機容量關(guān)系，見圖2。

圖2 水電站多年平均發(fā)電量與裝機容量關(guān)系圖

根據(jù)已知水電站裝機容量范圍及其廠房的現(xiàn)有條件，結(jié)合水電站多年平均發(fā)電量與裝機容量關(guān)系圖，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝機容量在1 510 kW以上時發(fā)電量增幅明顯有限。據(jù)此對該電站的增效擴(kuò)容改造項目擬定以下3種方案：

方案Ⅰ：保持原有裝機容量1 200 kW(6×200 kW)不變

方案Ⅱ：水電站裝機容量擴(kuò)容至1 350 kW(3×200 kW+3×250 kW)

方案Ⅲ：水電站裝機容量擴(kuò)容至1 500 kW(6×250 kW)

對上述3種裝機方案進(jìn)行綜合效益分析，成果見表1。

表1 農(nóng)村小型水電站裝機方案效益比較

根據(jù)表1的裝機容量綜合效益分析結(jié)果，分析3個方案差額內(nèi)部收益率項。從方案Ⅰ的裝機容量擴(kuò)容至方案Ⅱ情形時時，其差額內(nèi)部收益率低于8%；而方案Ⅱ至方案Ⅲ時，其差額內(nèi)部收益率大于8%。因此，設(shè)計擬定選擇方案Ⅲ。

3.3 水輪機選擇

根據(jù)對該水庫的現(xiàn)場勘查及電站設(shè)計參數(shù)情況，考慮原機型及其布置形式，通過比較多個模型轉(zhuǎn)輪的性能，該電站水輪機型號選擇初步擬定ZDJP502-LM-80和ZDT03-LM-80進(jìn)行比選。

首先依據(jù)水輪機的綜合特性可知，水輪機在額定水頭下的功率為600 r/min；然后根據(jù)水輪機的綜合特性曲線，繪制出不同工況條件下的水輪機模型綜合特性曲線，以此對這兩類水輪機進(jìn)行綜合評價比選。

結(jié)果表明：①ZDJP502-LM-80型水輪機在性能上優(yōu)于ZDT03-LM-80；②在相同水頭且滿足額定出力情況下，ZDJP502-LM-80型水輪機效率更高，工作范圍更廣，更能滿足設(shè)計要求；③在抗氣蝕方面，ZDJP502-LM-80型水輪機也更好。

額定水頭下ZDJP502-LM-80型水輪機性能參數(shù)見表2。

表2 額定水頭下ZDJP502-LM-80型水輪機性能參數(shù)

3.4 電氣設(shè)備改造

該水電站的裝機臺數(shù)為6臺，出線回路數(shù)為10 kV架空一回接入電網(wǎng)， 布設(shè)升壓變壓器2臺。初步設(shè)計對該水電站電氣設(shè)備改造內(nèi)容包括：①保留原有主變壓器(630 kVA)，并增設(shè)一臺1 200 kVA的節(jié)能型變壓器；②增設(shè)一臺S11-10/100的廠用變壓器；③檢查電站內(nèi)的電力電纜根據(jù)相關(guān)規(guī)程進(jìn)行更換。

4 綜合評價

農(nóng)村中小型水電站的增效擴(kuò)容改造項目，對于在增加可再生能源供應(yīng)、保障河流流量和生態(tài)穩(wěn)定、消除安全隱患、提高防洪灌溉供水能力以及推動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面起著重要作用。而電站增效擴(kuò)容改造綜合評價是提高項目資金使用效益、確保工程建設(shè)質(zhì)量、保障上述目標(biāo)實現(xiàn)的重要手段。

對農(nóng)村小水電增效擴(kuò)容改造項目進(jìn)行綜合評價時，所涵蓋的主要內(nèi)容包括水電站項目改造效果評價、項目資金管理評價、可持續(xù)發(fā)展能力評價。針對這3方面評估，對該電站增效擴(kuò)容項目進(jìn)行綜合評價如下：

1) 依據(jù)水能復(fù)核計算結(jié)果對該水電站擴(kuò)容，裝機容量提升至1 500 kW，容量提高25%；年發(fā)電量增加622.63×104kW·h；水能利用率由45.66%提高至57.21%。對該水電站的增效擴(kuò)容改造工程將實現(xiàn)發(fā)電效益的最大化。

2) 本項目的經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為62.30%，大于8%的社會折現(xiàn)率。通過財務(wù)計算得到，所得稅前財務(wù)內(nèi)部收益率47.21%，所得稅前的投資回收期2.12年；所得稅后財務(wù)內(nèi)部收益率38.15%，所得稅后的投資回收期2.73年。因此，本項目在國民經(jīng)濟(jì)及財務(wù)方面均是合理可行的[4]。

3) 在社會環(huán)境效益方面，農(nóng)村小型水電的改造減少了不可再生能源的消耗，充分挖掘了農(nóng)村水電站發(fā)電潛能和水資源的綜合利用率，促進(jìn)了綠色生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。

5 結(jié) 語

在對農(nóng)村中小型水電站增效擴(kuò)容改造過程中，存在著各種環(huán)境條件的制約因素。本文根據(jù)所改造工程的運行現(xiàn)狀，對河南省濟(jì)源市境內(nèi)的一座小型水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造設(shè)計，著重介紹該水電站擴(kuò)容容量選取、水輪機型號選擇以及電氣設(shè)備的改造和綜合評價，最后得出切實可行且適合該水電站的改造方案。