小型水电站增效扩容改造分析

黄毓瑄

(广东省梅州市蕉岭县水利水电工程管理中心，广东 蕉岭 514100)

随着经济的快速发展，我国的电力需求也在不断攀升，但由于大多数水电站建于20世纪七、八十年代，运行时间长，且受当时制造水平、工艺及设计水平的限制，小水电站的设备相对比较落后，效率偏低，影响力水电站的健康发展。该水电站建于上世纪70年代初，坐落在广东省石窟河中游，是一座引水径流式电站,额定发电量3×800 km，设计水头29.5 m，设计导流流量12.0 m3/s，年发电量理论值为1200万km·h。

1 水电站运行现状

由于电站在建设时受到施工技术和资金的限制，加之水轮发电机组和电气设备制造水平低，电站设备技术条件相对落后，自动化程度不高。随着运行时间的推移，电站逐渐出现了各种各样的问题:

(1)日常运行中，由于装机规模的限制，水能资源不能得到充分利用。目标水电站所在水域河道流量均值达到了18.6 m3/s，但发电设备允许的最大水流量值却仅为12 m3/s，造成了大量水能资源的浪费。

（2）水电站建设时设计水头为29.5 m，水轮机型号为HL120-WJ-71，但根据水轮机型谱表显示HL120型号的水轮机使用水头应为180 m~250 m，所以机组运行范围达不到理论值，造成工作效率低下，不具有稳定性；随曾经对水电站有关设备进行过适当改造，但选用的设备型号（GG-1A、PGL-1、S7变压器等）仍旧比较落后、安全隐患较多，并且不具备自动化功能。

（3）水轮机长时间的运行导致设备机械老化，转轴部件磨损严重，加之外界因素的腐蚀，使得水轮机导叶出现了大量的漏水现象，油气水系统也遭到严重损坏，致使电站产能低下。

2 水电站改造

2.1 确立装机方案

经过对水电站所在流域的水文参数和电站动能指标的详细分析后，确立改建后水电站水头为28.2 m，结合目前水电站的设备设施和预算，制定装机方案。

装机方案一:根据现有工程，将厂房内的机电设备进行扩容改造，选择装机容量为3000 kW。

装机方案二:利用现有挡水建筑物重建部分引水和输水建筑，并对重建厂房扩建和改建，选择装机容量4800 kW。

安装方案三:对所有水工建筑物进行综合改造，最大限度利用水能，进行装机容量6000 kW的扩建改造。

将以上三种方案进行对比分析，见表1，综合考虑电站扩容改建施工技术、经济和方案的优缺点等因素，本次扩容改造选取方案二，即进行装机容量4800kW改造。

2.2 水轮机选型

改造后仍选用单台容量为1600kW的3台卧轴混流机组。结合混流式水轮机机组的现有资料，初步考虑HLA551、HLA551C、HL240、HLA286、HLA208 等五种机组型号，水轮机模型参数见表2，水轮机选型计算参数见表3。

依照表3中的数据可知：5中设备机型中，A551C、A208两个机型未达到额定输出，而且效率低，其余三种机型中，HLA551的效率最高，空化系数与转轮直径最小。综合考虑，本次扩容改造推荐使用HLA551型和HLA551-WJ-100型水轮机。

2.3 电气设备改造及选型

根据先进技术、安全可靠、资金投入及收益等因素，电气设备的改造以及选型应符合日常工作、维护及收益方面的需求，应首先考虑设备的节能环保、安全稳定等原则，此外还要注意设备的防火性能以及无油化[1]。

表1 水电站装机容量方案对比表

表2 水轮机模型参数

表3 水轮机选型计算参数

（1）发电机:选用SFW1600-12/2150改进型发电机，额定容量为2000 kV·A，出口电压为6.3 kV，额定转速为428.6 r/min，线圈绝缘等级为f级。

（2）变压器：变电所变压器采用新的节能环保设备，主变压器型号为S11-6300 kV·A，布置在原室外变电所。辅助变压器类型为SCB11-160 kV·A，安装位置设立在配电室，另外需要在户外变电站设置一台相同型号的变压器作为备用。

（3）6.3 kV开关柜:水电站当前所使用的开关柜是GG-1A开放式开关柜，其防护等级达不到改造要求，而且目前均已遭到不同程度的损坏。因此在进行扩容改造时需要更换所有的开关柜，开关柜选用KYN28-12(Z)封闭式高压集成开关柜[2]，柜内安装具有多种防护功能的VS1-12真空断路器。

2.4 自动化监控系统

为实现水电站的自动化监控功能，减少人工浪费，并提升电站的管理工作效率，扩容改建后的水电站将采用自动化计算机监控系统。系统经调试设置后，可对水电站的运行状态、故障报错等进行及时有效的管理。

计算机监控系统由两层组成：电站控制层和LCU层[3]，通过光缆和以太网交换机组成的以太网进行有机连接。电站的控制层由主机、工作站以及不间断电源等组成，电站控制层主要负责协调和管理各项LCU工作，收集相关信息，并进行相应的处理和存储。自动监控系统可通过计算机进行必要的修改、设置。LCU层（本地控制单元）是系统中的核心基础，由三套机组本地控制单元、一套开关本地控制单元以及一套公共控制单元组成。

水电站自动化控制系统主要功能是：①对机组的运行数据进行采集、分析、处理，对机组的运行状态进行安全监控以及调试，并对水电站运行中的各种事件进行实时记录；②对设备进行自主诊断和故障修复，当机组出现非系统问题时，系统将会指导操作人员对故障进行排除、维修；③监控设备运行状态、对设备进行定期维护管理等功能。

3 结论

随着设备自动化系统水平的提高，电站完全可以按照少人值守的模式进行运行管理，通过对以往落后设备的改造彻底解决安全生产的各种隐患，提高电站安全运行水平和综合能效水平，促进水电站科技进步。电站改造中，可以采取许多技术措施提高小型水电站能效和扩大发电能力；实际应用过程中，应根据水电站的规模和水文条件，以及不同产品的特点，制定技术方案，以实现提高单机容量、水电站效率、水资源利用率的目的。