南秦水庫水電站增容改造方案探析

蘇 文

（商洛市水電勘測設計院，陜西 商洛 726000）

南秦水庫水電站建成以來，因水能沒有充分利用，加之部分設備老化，使得水電資源浪費嚴重。為了提升水電站效益，需對南秦水庫水電站進行增容改造。

1 概況

南秦水庫位于丹江一級支流南秦河上，是一座以防洪為主兼顧灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的小（1）型Ⅳ等水利樞紐工程[1]，由大壩、溢洪道、沖砂洞、泄洪洞、灌溉涵洞和發(fā)電引水隧洞等組成。南秦水庫水電站站址位于水庫溢洪道出口左側，前臨河，后靠坡，1994 年建成并正式投產(chǎn)發(fā)電，設計裝機容量2×250 kW，設計水頭23～33 m，引水流量3.0 m3/s，屬南秦水庫壩后式電站，調(diào)節(jié)性能為年調(diào)節(jié)[2]；設計年發(fā)電量為294萬kW·h，目前多年平均發(fā)電量為38萬kW·h。電站廠區(qū)建筑包括廠房、變電站、尾水渠等。

2 存在問題

因當時建設條件及其他諸多原因，南秦水庫水電站建成后所實現(xiàn)的經(jīng)濟指標與設計值相比差距很大，多年平均發(fā)電量僅占設計值的13%，其問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）水工建筑物中，廠房年久失修，漏水嚴重，且無避雷設施。

（2）引水洞口無控制設備，需新修放水塔、人行橋。

（3）進場交通橋及附近河堤遭水毀，需重新修建交通橋。

（4）進水口未設閘門，尾水渠末端未設防洪閘門。

（5）機電設備老化。電站經(jīng)過近20 a的運行，水輪機蝸殼銹蝕；蝴蝶閥磨損、腐蝕嚴重；主變壓器、電纜陳舊，耗能大，效率低；輸出電路損壞嚴重，電氣自動化設備已癱瘓。

綜上，南秦水庫水電站急需進行增容改造，以提高水資源利用效益。

3 增容改造方案

3.1 進水口設計

南秦水電站原進水口為隧洞直接進水，洞徑1.5 m，攔污柵用角鋼和扁鐵加工而成。因進水口未設閘門，檢修機組時只有關閉蝴蝶閥才可進行。在實際使用過程中，由于蝴蝶閥關閉不嚴，給檢修工作帶來很大困難。經(jīng)過勘察和調(diào)查，結合工程實際地形條件，需要增設方便運行管理的進水口設施。進水口設計形式選擇塔式進水口。新修放水塔1 座，進水口處設檢修及工作閘門各1道；更換原攔污柵，攔污柵重1.2 t，尺寸2 m×2 m，安裝角度90°，柵格外鍍鋅防銹。

3.2 廠區(qū)設計

電站廠區(qū)設計包括廠房、變電站、尾水工程、防洪河堤及廠區(qū)交通。

3.2.1 廠房

南秦水庫水電站增容改造工程利用原有廠房。廠址位于溢洪道出口左側，背坡面河。廠房為磚混結構，共4 間，跨度9 m，柱距4.2 m，凈空高4.7 m，建筑面積151.2 m2。

將原2 臺250 kW 水輪機機組擴容改造為2 臺320 kW 機組，機組與廠房軸線平行布置，安裝高程93.4 m。廠房進水形式為1#機組正向布置，2#機組與廠房縱向軸線交角為30°布置。

根據(jù)地質(zhì)資料，電站廠房后部斜坡（引水隧洞出口）曾出現(xiàn)過滑塌，近幾年雨季有掉塊現(xiàn)象，為防止再次出現(xiàn)滑塌，影響人身和財產(chǎn)安全，在下部修建1道長30 m、高1.5 m 的梯形漿砌石擋墻。擋墻基礎寬1.35 m，頂寬0.50 m，內(nèi)側為直墻，外側坡比1∶0.5，均采用M7.5漿砌石砌筑；擋墻每間隔10 m設1 道伸縮縫，伸縮縫采用厚20 mm 的聚氯乙烯伸縮縫板。擋墻軸線與電站進水管交叉，該部位留一門洞，為城門洞型，為電站管道檢修留有一定空間。

3.2.2 變電站

變電站位于廠房左后側，將原安裝SJL1-630/10型號變壓器更換為S11-M-800/10 型號，以10 kV 出線和系統(tǒng)連接。

3.2.3 尾水工程

尾水室采用C20 鋼筋混凝土襯砌，1#、2#機組尾水匯入尾水池，尾水池接尾水渠，尾水排至廠區(qū)下游河道。尾水渠采用漿砌石暗涵，渠道寬1.35 m，設計比降1/250，設計水深1.2 m。在原電站尾水排放系統(tǒng)基礎上，在尾水渠末端設防洪閘門1 套，選用PGZ-1.5 m×1.5 m 平面鑄鐵閘門，配套LQ-10 t 手電兩用螺桿啟閉機1臺。

3.2.4 防洪河堤

廠區(qū)防洪河堤防洪標準為20 a 一遇，設計洪峰流量606 m3/s。河堤總長度260 m，堤頂寬度4.0 m，堤身高5.0 m，臨水坡面采用40～80 cm 厚M7.5 漿砌石砌護，坡比1∶1.5，背水側坡比1∶2。河堤頂部用M10 砂漿抹面，底部與防沖齒墻連接，齒墻頂寬1.0 m、底寬1.5 m、埋深2.5 m。

3.2.5 廠區(qū)交通

進廠路為一架長39 m、寬1.8 m 五跨鋼結構人行橋，橋兩側加1.2 m高防護欄桿。廠區(qū)內(nèi)公路按臨時道路設計，路面為泥結碎石。變電站至引水隧洞進口，沿溢洪道左側邊坡布置1 條長321 m、寬1 m的人行步道。樁號Y0+000—Y0+157 段，路面寬0.62 m，厚0.10 m；路外為寬0.38 m、高0.30 m 的路緣石。路面和路緣石均采用C15混凝土澆筑。路緣石上安裝欄桿，欄桿立柱和橫拉桿均采用C25 混凝土預制。路面和路緣石每間隔11.55 m 設1 道伸縮縫，伸縮縫采用厚20 mm 的聚氯乙烯伸縮縫板；路緣石每間隔10 m 設1 道排水管，排水管采用DN80 硬塑料管。

3.3 機電設備改造

3.3.1 水力機械現(xiàn)狀

南秦水庫原電站總裝機容量2×250 kW，設計年發(fā)電量294 萬kW·h，年利用小時5880 h，實際多年平均發(fā)電量38萬kW·h[3]。原電站基本數(shù)據(jù)為：最大水頭26.6 m，最小水頭17.5 m，設計水頭23.3 m；設計流量3.0 m3/s；機組安裝高程93.4 m。原機組參數(shù)為：水輪機型號為HL260-WJ-50，額定出力274 kW，額定水頭23.3 m，額定流量1.49 m3/s，額定轉速750 r/min；發(fā)電機型號為SFW250-8/850，額定功率250 kW，額定電壓0.4 kV，額定電流451 A，額定轉速750 r/min；功率因數(shù)0.8，調(diào)速器YT-300，蝶閥Φ=800 mm。

3.3.2 水輪機確定

（1）電站基本資料。擴容后，最大水頭26.6 m，最小水頭17.79 m，設計水頭22.55 m，設計流量3.6 m3/s，裝機容量2×320 kW。

（2）單機容量及機組臺數(shù)確定。依據(jù)水能計算公式計算得出總裝機容量為650.3 kW，考慮原電站進水、退水水工結構及廠房結構的限制，裝機方案擬定為在原電站機座的基礎上裝設單機容量為320 kW 的2臺機組，即2×320 kW。此裝機方案比原電站擴容140 kW。

（3）水輪機機型確定。根據(jù)《小型水電站機電設計手冊》（水力機械）中各型水輪機的應用范圍，適合本電站的機型為混流式水輪機（20～700 m）[4]，經(jīng)查水輪機型譜，選用水輪機型號為HLD74-WJ-55，額定水頭22.55 m，額定流量1.8 m3/s，額定出力344 kW，額定轉速750 r/min，額定效率90%；發(fā)電機型號為SFW320-8/850，額定功率320 kW，額定轉速750 r/min，額定電壓0.4 kV，額定電流577 A，功率因數(shù)0.8，額定效率93%。

（4）調(diào)速器確定。機組所需最大調(diào)速功為206 N·m。為了滿足電站機組運行要求，配備自動化程度較高的YWT 型微機式調(diào)速器，型號為YWT-300，調(diào)速功為300 N·m。

（5）機組安裝高程。電站原地坪高程為92.6 m，安裝高程為93.4 m。本次更換機組后，根據(jù)機組尺寸確定機組安裝高程為93.4 m，滿足機組汽蝕要求。

3.3.3 水輪機附屬設備選擇

根據(jù)同類電站運行經(jīng)驗，為了提高轉輪抗磨蝕能力，降低電站維護檢修工作量，本電站采用不銹鋼轉輪[5]。機組轉輪直徑55 cm，雖為非標準尺寸，但直徑較小，不存在制造、運輸?shù)壤щy。本電站采用聯(lián)合供水方式，水頭為22.55 m，在每個分叉壓力管道上設置手、電動操作蝶閥（Φ=800 mm）。

3.3.4 電氣設備分析

目前，南秦水庫水電站接入系統(tǒng)方式為1 回10.5 kV 出線，以“T”形接于南郊線輸送至商州變電站，輸電距離7 km。電站選用630 kVA 1 臺變壓器。系統(tǒng)經(jīng)過多年運行，電流平衡，運行安全可靠。

（1）接線方案擬定。由于南秦水庫水電站2 臺機組相同且裝機容量較小，考慮到小水電的特殊性，選用1 臺變壓器的單母線接線方式較為適宜，此方案具有接線簡單、運行維護方便、可縮小布置場地、節(jié)省投資的優(yōu)點。

（2）電站廠用電。廠用電采用380/220 V三相四線制供電系統(tǒng)，分別接自0.4 kV 母線及附近農(nóng)網(wǎng)用電，采用雙電源互投裝置，互為備用。

（3）主要電氣設備選擇。設備選擇原則如下：必須滿足額定電壓、電流大于回路最高工作電壓和最大持續(xù)負荷電流；必須滿足使用環(huán)境的要求；按系統(tǒng)提供的短路參數(shù)計算短路電流并進行校驗；盡量選用國產(chǎn)通用型先進產(chǎn)品，在國產(chǎn)設備不能滿足要求時，可少量進口必需的國外產(chǎn)品。根據(jù)以上原則及使用條件要求，南秦水庫水電站主要電氣設備選擇詳見表1。

表1 南秦水庫水電站主要電氣設備選擇

（4）電纜及母線。機組出線電纜選用3 根YJV22-0.6/1 kV-1×400及1根JV22-0.6/1 kV-1×240型電纜，變壓器低壓側采用LMY-80×10+50×5母線，短路電流熱效應、動穩(wěn)定均滿足要求。

（5）過壓保護。對直擊雷的防護采用避雷針，對雷電侵入波的防護采用避雷器，盡量降低全廠各種接地網(wǎng)的接地電阻。具體措施為：廠房屋頂設避雷帶；升壓站附近設1座高24 m避雷針，并單設接地極；在10 kV出線端裝1組氧化鋅避雷器；選用優(yōu)良設備，同時盡量避開出現(xiàn)諧振過電壓的條件，以防損壞設備。

（6）機電設備布置。主廠房內(nèi)布置2 臺臥軸混流式水輪發(fā)電機組及其附屬設備，機組軸線沿廠房Y 方向布置，根據(jù)機組尺寸和規(guī)范要求，軸線至上游邊墻5.41 m。調(diào)速器安裝在下游側，安裝高程為93.4m。南秦水庫水電站采用戶外變電站形式。變電站布置在廠房西側，地面高程為92.45 m，升壓站內(nèi)安裝1 臺主變壓器，容量800 kVA，另設置有隔離開關、避雷器、架桿等設備設施。

4 結語

制約南秦水庫水電站效益發(fā)揮的主要原因是進水口和機電設備老化等問題，上述問題使得電站發(fā)電量沒有達到原設計能力。通過分析探討，根據(jù)水能選取2 臺（2×320 kW）機組，比原電站擴容140 kW。同時，對老舊機電設備進行改造，可以有效提高南秦水電站發(fā)電效益。