關(guān)于對西安市引湑濟黑水電站發(fā)電機組更新擴容的研究分析

高 哲

（西安市引湑濟黑調(diào)水工程管理中心，陜西 西安 710018）

1 水電站簡介及發(fā)電擴容思想

西安市引湑濟黑水電站（以下簡稱水電站）是西安市引湑濟黑調(diào)水工程的組成部分，屬于西安黑河區(qū)域保留整改提升的水電站。水電站工程設(shè)施設(shè)備屬于國有資產(chǎn)，地處黑河源頭，于2011年建成投產(chǎn)運行，具體位于西安周至縣厚畛子鎮(zhèn)釣魚臺村黑河上游五里河，水電站為徑流式電站，發(fā)電水流源于無壓調(diào)水隧洞，經(jīng)隧洞出水口壓力鋼管引入水輪機，后流入黑河上游河道。水電站水頭40 m，裝機容量2×320 kW，單臺水輪發(fā)電機組額定發(fā)電需水量1.02 m3/s，設(shè)計發(fā)電年利用小時數(shù)為5115 h，年設(shè)計發(fā)電量167萬kW·h。發(fā)電上網(wǎng)匹配電壓等級10 kV，變配電于33 km處的周至縣沙梁子變電所管理。

按照西安市引湑濟黑調(diào)水工程的初步設(shè)計報告[1]，引湑濟黑調(diào)水工程是一個跨流域調(diào)水工程，調(diào)水水源隸屬長江流域漢江水系的湑水河，是將秦嶺南麓長江流域的湑水河水調(diào)入黃河流域的渭河支流黑河，經(jīng)黑河水庫調(diào)節(jié)后補充西安市城區(qū)生活、工業(yè)用水。該項目于2007年開工，2010年8月已基本完成了電站、引水樞紐和管理設(shè)施等附屬工程，工程輸水隧道實現(xiàn)全線貫通。水電站水輪發(fā)電機組設(shè)備折舊年限為10年，目前已運行10年，設(shè)備運行即將屆滿經(jīng)濟年限?；?014年～2019年6年的實調(diào)水量、發(fā)電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在水電站現(xiàn)有壓力鋼管不變的條件下，按照《小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》[2]，對水輪發(fā)電機組更新擴容，最大化利用豐水期調(diào)水水能資源，提升發(fā)電經(jīng)濟效益，實現(xiàn)國有資產(chǎn)增值。

2 水電站壓力鋼管的最大過流條件約束

2.1 水電站壓力鋼管現(xiàn)狀

水電站現(xiàn)有壓力鋼管直徑900 mm、厚度14 mm，長70 m，水頭40 m。按照《西安市引湑濟黑調(diào)水工程初步設(shè)計報告》中水電站壓力鋼管設(shè)計數(shù)據(jù)，此壓力鋼管的流量可為3 m3/s～5 m3/s。水電站壓力前池通過引水隧洞（引水隧洞設(shè)計最大流量10 m3/s）貫通上游的引水樞紐，引水樞紐控制流域面積為125 km2，區(qū)域年降雨量為860 mm，降雨集中在每年5月～10月的豐水期。

水電站現(xiàn)有2臺320 kW的臥式混流式發(fā)電機組，發(fā)電功率最大為640 kW，推算壓力鋼管對應(yīng)的水流量為2.04 m3/s。

2.2 壓力鋼管最大過水流量

按照《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》[3]中壓力鋼管明管水力計算、結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合一般經(jīng)驗，明管內(nèi)壓30 m～70 m，流速約3 m/s～6 m/s。

若將壓力管道內(nèi)部流速按照V=5.0 m/s計算時，此時壓力鋼管的流量，滿足設(shè)計報告中壓力鋼管設(shè)計流量3 m3/s～5 m3/s的要求，則水電站的出力可達W=

2.3 現(xiàn)有壓力鋼管的理論擴容量

由2.1與2.2可知，現(xiàn)有的壓力鋼管可滿足954 kW的發(fā)電需要的過水流量，但目前水電站2臺發(fā)電機組滿負荷發(fā)電只能達到640 kW，可擴容314 kW。在現(xiàn)有壓力鋼管安全運行條件下，具備擴容能力。

3 發(fā)電機組更新擴容的方案選用

要在實際中對水電站進行擴容，是要具備一定前提條件的。對水電站發(fā)電機組更新擴容，是在現(xiàn)有發(fā)電機組設(shè)備折舊期滿、經(jīng)濟使用壽命完成條件下，根據(jù)2014年～2019年6年實際真實的調(diào)水量、發(fā)電量數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有壓力鋼管等工程設(shè)施安全運行條件、最小化代價下，研究分析論證方案。

1）方案一：水電站發(fā)電擴容，更換壓力鋼管?，F(xiàn)有壓力鋼管與調(diào)水工程出水口壓力前池接口部位有閘門設(shè)施，退水陡坡，屬于調(diào)水工程出水口核心部位。在原工程設(shè)計基礎(chǔ)上進行變更，需原設(shè)計單位重新設(shè)計論證，方案經(jīng)上級主管部門批復(fù)同意后實施。施工過程中需要更換壓力鋼管、發(fā)電機組，安裝相應(yīng)配套的電力電屏操作柜、電力開關(guān)設(shè)施、電力線路等，工程改建程序多，土建與水電工序交接多，施工工程量大，資金投入較多。

2）方案二：水電站發(fā)電擴容，不更換壓力鋼管，僅更換水輪發(fā)電機組，實現(xiàn)發(fā)電擴容。需安裝匹配相應(yīng)水流的發(fā)電機組設(shè)備，安裝相應(yīng)的配電屏、開關(guān)、線路、變壓器等電力配套設(shè)施，整個變更過程的工程量較小，資金投入相對小。

3）通過對比，推薦選用方案二：不更換壓力鋼管，僅更換水輪發(fā)電機組，實現(xiàn)發(fā)電擴容。擴容后的最大發(fā)電水流量為壓力鋼管的最大限流3.18 m3/s，最大發(fā)電功率954 kW。

4 水電站擴容后發(fā)電量計算

2014年～2019年，連續(xù)6年，其中含平水年，調(diào)水水流數(shù)據(jù)也更具有一般代表性，西安市引湑濟黑調(diào)水工程2014年～2019年每月日均調(diào)水量統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 西安市引湑濟黑調(diào)水工程月均調(diào)水量統(tǒng)計（2014年～2019年） 單位：m3/s

其中，超過發(fā)電機組額定功率2臺320 kW所需額定水流2.04 m3/s的部分，按照終端水輪機組用水流量，以2.04 m3/s計算，見表2。由表2最后一行可知發(fā)電機實際用水流量。

表2 西安市引湑濟黑水電站發(fā)電水流量統(tǒng)計（2014年～2019年） 單位：m3/s

由表2可知，在2014年～2019年6年調(diào)水期間，發(fā)電機組發(fā)電所需額定水流量，均小于壓力鋼管最大過水流量5 m3/s。并且，在一年中有7個月（4月～10月），發(fā)電機組滿負荷發(fā)電時額定水流量均小于調(diào)水流量，調(diào)水流量未能全部參與發(fā)電，水能資源未充分用于發(fā)電，出現(xiàn)流失浪費。直接判定，更換現(xiàn)有的發(fā)電機組進行發(fā)電擴容，是可行的，也是能產(chǎn)生最大化發(fā)電收益的。

用壓力鋼管的最大過水量3.18 m3/s，來選型水輪發(fā)電機組，發(fā)電容量則可以擴至954 kW，考慮發(fā)電功率因數(shù)0.8。

現(xiàn)有2臺相同水輪機型號均為HLD46-WJ-55，每臺額定水頭1.02m3/s，出力344kW。2臺發(fā)電機型號均為SFWE-K320-8/850，輸出電壓400 V，勵磁裝置SFZL-320/8，調(diào)速器SDT-300，閥門型號Z945T-0.6DG600，控制屏BKF-3/320，采用直聯(lián)方式連接。

通過閱讀《水輪發(fā)電機原理及運行》中第8篇水輪發(fā)電機增容改造[4]，按照《中小型水電站電氣設(shè)計手冊》[5]，選用相近的混流式水輪發(fā)電機組技術(shù)參數(shù)，找到2臺水輪機型號均為HL180-WJ-60，出力547 kW，每臺對應(yīng)水頭39 m，額定水流1.634 m3/s。配套2臺發(fā)電機型號均為SFW 500-8/990，輸出電壓400 V，勵磁裝置SCR，調(diào)速器YT300，閥門型號Z941H-1.0，直徑Ф600，采用直聯(lián)方式連接。

按照以上參數(shù)對2臺水輪發(fā)電機組進行擴容更新，更新匹配相應(yīng)的勵磁、調(diào)速器、水流閥門、配電屏、電力開關(guān)、低壓線路，升壓變壓器等，可擴容360 kW，即可將目前640 kW的水電站發(fā)電功率擴容至1000 kW的目標任務(wù)。

表3 西安市引湑濟黑水電站水輪機組更新擴容后發(fā)電量預(yù)計 單位：m3/s

5 擴容后結(jié)果與實際對比分析

選擇好新的匹配參數(shù)的水輪機組，2臺功率均為500 kW，擴容至1000 kW。按照現(xiàn)有壓力鋼管計算發(fā)電量時，以壓力鋼管最大過流量3.18 m3/s計算，見表3。對水電站水輪機組更新擴容后的發(fā)電量進行預(yù)計，在2014年～2019年6年的實際調(diào)水數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，逐月進行仿真計算，得到年度發(fā)電量。

由表4可知，水電站擴容后的發(fā)電量預(yù)計為496.32萬kW·h，是擴容前年均發(fā)電量205.57萬kW·h的141.44%。

擴容前后的發(fā)電效益計算結(jié)果見表4。由表4可知：擴容后，發(fā)電經(jīng)濟效益也相應(yīng)擴大。

表4 西安市引湑濟黑水電站擴容前后的發(fā)電效益對比

按照目前市場價格，1套水輪機、發(fā)電機、配套電力設(shè)備按照100萬元投資成本計算，2套約合200萬元固定資產(chǎn)成本。而更新發(fā)電機組擴容運行后，1年的經(jīng)濟收益可達158萬元，投資200萬元的固定資產(chǎn)只需要1.5年左右周期就能收回成本，經(jīng)濟效益非?？捎^，是值得投資的。故水電站的發(fā)電量擴容，不僅能滿足技術(shù)上的條件許可，而且也能獲得更好的經(jīng)濟效益。借助水電站固定資產(chǎn)設(shè)備10年折舊期滿之機，可進行更新發(fā)電機組設(shè)施設(shè)備，發(fā)電擴容對水電站的運營管理、國有資產(chǎn)的保值增值具有明顯積極的現(xiàn)實意義。

6 結(jié)論

（1）通過對引湑濟黑調(diào)水工程調(diào)水流量的實際統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在豐水期，現(xiàn)有水輪機組滿負荷發(fā)電時，部分水能資源溢出水電站壓力前池，未能充分參與發(fā)電，水能資源流失。

（2）現(xiàn)有發(fā)電機組的經(jīng)濟使用壽命屆滿之際，在水電站現(xiàn)有壓力鋼管不變的條件下，可對水輪發(fā)電機組更新擴容，采用同類別不同容量的臥式混流式水輪發(fā)電機組，發(fā)電容量由現(xiàn)有2臺320 kW擴容至2臺500 kW。

（3）分析判定，水電站的發(fā)電量擴容，不僅能滿足技術(shù)上的條件許可，而且也能獲得更好的經(jīng)濟效益。更新現(xiàn)有的發(fā)電機組進行發(fā)電擴容，對水電站的運營管理、國有資產(chǎn)的保值增值具有明顯積極的現(xiàn)實意義。

（4）擴容后預(yù)計，水電站每年發(fā)電收益增加了141.44%，擴容的投資費用將在1.5年左右收回成本，經(jīng)濟效益可觀，可實現(xiàn)國有資產(chǎn)增值。