农村水电站增效扩容改造机组选型探讨

叶 永，雷 未，牟玉池(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

水电是一种优质的清洁能源，对其进行充分合理地利用，以满足社会发展需要，提高国民生活质量，是构建新型和谐社会的必要保证。除去在建和已建成的几个大型水利枢纽，目前水电行业的发展重点，基本已经转向小型水电项目。小水电本身具有一系列优点，它资源分布广泛，技术成熟，对生态环境的负影响较小。目前，我国已建成农村水电站45 000多座，装机容量达到73 000 MW,年发电量达2 200多亿kWh，超过了全国水电发电量的1/5,使3亿多农村人口告别了“无电生活”,为农村经济社会发展做出了重要贡献[1]。受当时科技和经济条件的限制，早期建成的众多中小型水电站均已出现技术水平落后，设备设施老化，能效逐年衰减等诸多问题。这不仅未能充分利用宝贵的水资源，而且还存在诸多安全隐患。因此，对这些中小型电站进行增效扩容改造，能促进我国能源结构调整，节能减排，消除公共安全隐患，兼收国民经济与安全之双重效益。本文以关门岩水电站增效扩容改造工程为例，探讨冲击式水轮机选型方法，为同类小水电站更新改造中冲击式水轮机选型提供参考依据。

1 工程概况

关门岩水电站位于湖北省长阳县境内，系淋湘溪流域水能梯级开发电站，电站于1987年底开始建设，1992年4月建成发电，水电站为径流式水电站，装机容量2×1 000 kW，关门岩水电站取水源有四处，分别为磨石溪取水坝、三叉溪取水坝、晒流溪取水坝和车沟取水坝。本工程引水渠系总长10 984 m，其中隧洞长度8 430 m，明渠长度2 554 m。设计引用流量0.8 m3/s，设计水头为344.9 m，多年平均发电量为685万 kWh，保证出力324.21 kW，年利用小时3 425 h。工程以发电为主，并担负改善下游桃山一级电站引水和大沙坝灌溉渠灌溉任务。

2 存在问题

关门岩电站已运行时间较长，目前主要存在以下几方面问题：由于早期设计较为保守，经多年运行发现，在丰水期弃水较多，说明装机容量偏小；机组经过多年运行，磨损较为严重，效率逐年降低，机组维护投入逐年增加，年发电效益逐年下降；由于早期建设时科学技术较落后，电站自动化程度较低，运行不可靠；电站绝缘等级较低，存在诸多安全隐患。由于该电站存在这些问题，给企业和国家造成了较大经济损失。

3 改造方案

3.1 水能计算

水电站的水能计算主要涉及水电站出力、装机容量和多年平均发电量等指标，基本公式如下[2]。

出力：

B=9.81ηHQ

(1)

其中

η=η机η电η传

年发电量：

(2)

代表年的多年平均发电量：

(3)

经计算，改造后年发电量E年=(E丰+E平+E枯)/3=(1 346.06+1 099.79+796.14)/3=1 080.66万kWh，P=85%保证出力Np为324.41 kW。

3.2 装机容量选择

关门岩水电站为径流式水电站，原有装机容量2×1 000 kW。考虑现有厂房的安全性，充分利用现有压力钢管，控制引水渠系投资的基础上，提出以下3种改造方案[3]，即1 250+1 250 kW、1 000+1 500 kW、1 000+2 000 kW，对改造方案进行技术经济比较[4]，详见表1。

从表1可以看出，方案3最具经济合理性，既能充分利用水力资源，又可以满足电站正常运行要求，且可以充分利用现有管道，所以采用方案3，即1 000+2 000 kW的装机容量。

3.3 机型选择

3.3.1水轮机机型初选

根据原始资料，该水电站运行水头范围为314.2～359.41 m，查询《水力机械》[5]中水轮机的类型及使用范围可知，混流式水轮机的适用水头范围为30～700 m，而水斗式水轮机的适用水头范围为100～2 000 m，故而适合该电站水头范围的水轮机类型有混流式水轮机和水斗式水轮机。

表1 装机容量技术经济比较表Tab.1 the comparison on technical and economic for installed capacity schemes

混流式水轮机结构紧凑，效率较高，适用水头自30～700 m的范围，单机出力从几十kW到几十万kW。目前这种水轮机最大出力已经超过70万kW，是我国现代应用最广泛的一种水轮机。

水斗式水轮机结构相对简单，其应用水头范围100～2 000 m，尤其适用于高水头，小流量的情况。目前最高应用水头已达到1 771.3 m，是冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。且该机型的土建开挖量小，可降低电站造价。

选取混流式转轮与水斗式转轮进行技术比较分析，结果可见表2。

表2 转轮型式比较表Tab.2 The comparison for runner type

从表2可以看出，水斗式机组转轮直径略小于混流式机组，而混流式机组转速和效率略高于水斗式机组，总体来看二者相差不大。但混流式机组吸出高度较大，这样会增加厂房的开挖工程量。另一方面，当机组突然丢弃全部负荷时，混流式机组闸门突然关闭，会在管道内形成过大的水击压力，这就对压力钢管的要求更为严格。而若选择水斗式水轮机，可让折流板首先转动，在1～2 s内使射流全部偏向，不再冲击转轮，此时针阀可缓慢地在5～10 s或更长一些时间内关闭，而不至造成过大的水锤压力。且本工程水头较高，宜优先选取冲击式水轮机组，因此选择水斗式机组。

3.3.2机组选型

根据水轮机型谱，适用于该电站水头范围的水斗式转轮很多[6]，初选CJA237、CJA475两种转轮进行分析、计算，比较结果见表3。

表3 机型方案比较Tab.3 The comparison for the unit type schemes

(1)转轮直径D1的选择。当主轴上装有zp个转轮，每个转轮上装有z0个喷嘴时，则转轮的直径应为：

(4)

式中：Nτ、Hτ为额定出力和额定水头；Q′1为单转轮、单喷嘴在限制工况的单位流量；η为水轮机在限制工况的效率，根据模型转轮在限制工况的Q′1和n′10，可先由模型特性曲线上查得相应的ηM，并取η=ηM。

(2)射流直径d0的选择。

(5)

(3)转速n的选择。

(6)

式中：最优单位转速n′10可在模型综合特性曲线图上选取，所选定的转速亦应符合发电机的标准同步转速。

冲击式水轮机的设计选型与混流式水轮机选择时考虑的因素略有不同，因此对于本工程的机组选型，应在考虑模型转轮综合特性曲线和水轮机运转特性曲线的基础上，充分考虑转轮直径比、机组尺寸、造价、机组效率和应用程度等方面来选择最佳机型。

(1)直径比。对冲击式水轮机来说，其特征参数不是转速，而是直径比m=D1/d0。若直径比m过小，会导致效率下降，强度计算难以通过；若直径比m过大，将使比转速下降，能量指标降低，又会使转轮的风损等损失增大，也会使效率下降。为使水轮机在运行范围均保持有较高的效率，所选出的m值应为10～20。从表3中数据可以看出，CJA237的直径比m=12.14、m=10.85和CJA457的直径比m=12.12、m=10.83都符合要求。

(2)机组尺寸和造价。从上表可知，两种机型的机组尺寸一致，转轮参数也较为接近，特别是涉及对厂房开挖量的参数一致，例如排水高度，为保证水轮机稳定运行和具有较高效率，当下游水位在设计最高尾水位时，尾水渠水面以上应有足够的通气高度。根据设计规范要求，冲击式水轮机的排水高度应满足1.0～1.5倍的转轮直径，这样就土建二次开挖量和填量而言，两种机型的成本是接近的。

(3)机组效率。根据水电站运行水头及水轮机模型综合特性曲线，确定两种机型的工作范围，进行比对得出：两种机型均能保持在较高的效率范围内运行，且均能达到89%以上，但CJA475的最优效率高于CJA237。

在目前的科学技术上，尚无法根据模型试验结果准确判断原型机的真实效率，但却可以保证新设计的水轮机效率不低于某些模型实验结果。同时，因为两种型号的冲击式水轮机的效率非常接近，所以本文认为其模型转轮的最高效率可以作为冲击式水轮机选择比较的一个考虑因素[7]。如表3所示，CJA475模型转轮的最高效率为91.6%，高于CJA237模型转轮的最高效率90%。

(4)应用前景。目前，我国水利事业不断发展，水轮机的技术更新也日新月异。CJA237转轮是上世纪90年代到本世纪开始几年广泛开始使用的一种转轮，虽然现在仍然在很多电站在使用这种转轮，但CJA237的设备技术已逐渐落后。现在国内应用最广泛的是CJA475转轮，这种转轮早期在结构上有一定问题，但后来采用了加强型结构，部分在水斗后靠近根部增加了加强筋，使其强度有了很大提高。目前这种转轮已经逐渐取代了CJA237，所以本工程建议优选CJA475机型。

4 结 语

本文首先根据水能计算结果，确定装机容量，考虑原有的各种条件进一步确定单机容量。再根据水轮机型谱，初选水斗式水轮机和混流式水轮机，并对其转轮参数进行了比较分析，验证了本工程选择水斗式水轮机的优越性。最后在前人的基础上，初选若干合适机型后，从直径比、机组尺寸、造价、机组效率和应用前景等几个方面综合比较，选出最优化的冲击式机组方案。

农村水电增效扩容改造的核心是提高综合能效，要重点抓好水轮机的改造。综合考虑技术、经济等多方面因素，既要做到合理利用水能资源，满足技术先进、安全适用、经济合理的要求，又要保证发挥更大的生态、社会效益。

□

[1] 原文林,万 芳.农村小型水电站增效扩容改造关键应用技术研究[J].中国农村水利水电,2015,(10):190-193.

[2] 邓 欢,吴亚杨.小水电站增效扩容的径流和水能计算方法及应用[J].水电能源科学，2014,32(5):160-164.

[3] 何俊仕,林洪孝.水资源规划及利用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[4] 王丽萍.水利工程经济学[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[5] 金钟元.水力机械[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[6] SL76-2009，小水电站水能设计规程[S].

[7] 刘 怡,刘林涛.小型水电站更新改造中的冲击式机组选择[J].中国农村水利水电,2013,(1):144-148.