农村小型水电站增效扩容改造方案研究

邹 韬，李志瑶，左恒奕，张本权

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002； 2.内蒙古自治区赤峰市巴林右旗水利局,内蒙古 赤峰 025150; 3.贵州省水投水务集团有限公司，贵阳 550002; 4.福建省水利水电工程局有限公司，福建 泉州 362000)

0 引 言

20世纪70年代以来，为解决我国广大农村地区面临无电缺电难题，政府修建了众多农村中小型水电站，用来推动农村经济社会发展，保障农村应急供电问题，同时保护生态环境。截至目前，我国已建成的农村中小型水电站约有45 000座，装机总容量和年发电量占全国总量的33%[1]，为我国电力系统建设和经济社会发展做出重大贡献。但由于受到当时经济、技术条件制约，早期完建的农村中小型水电站存在设备设施陈旧、技术条件欠缺、效率逐年递减及安全隐患日益突出等问题[2]。为此，我国“十三五”规划针对农村中小型水电站存在问题提出增效扩容改建水电站的各项政策，将改造范围扩大至包括2000年及以前投产水电站，其目的就是通过增效扩容改造，提高可再生能源供给水平，保障河道生态流量，消除电站安全隐患，提升水库防洪、灌溉、供水能力。

1 水电站工程概述

河南省济源市内的某一农村小型水电站位于该市的沁河下游，为一座无坝引水式水电站。水库所控制的实际流域面积约9 000 km2，其主要任务是满足周围乡镇农田灌溉需求，同时兼有供电、防洪、水产养殖等综合效益。该水利枢纽工程主要由混凝土面板堆石坝、溢洪道、泄洪洞、引水发电系统及电站所组成。水电站总装机容量为6×200 kW,引水发电系统中引水明渠420 m，引水隧洞长430 m。

2 增效扩容改造的必要性分析

该水电站自投入生产运行以来，目前6台机组中只有两台尚能工作，机组已经无法实现满负荷的工作状态，并且发电效率及能效均日益下降；电气设备也存在老化、故障频发，已经影响到电站的安全运转和发电效益；电站调速器由于年代原因，与上网频率不相符，电站上网频率要靠手动实现调频，安全风险极高。以上这些问题在我国众多早期完建农村小型水电站中普遍存在。因此，在国家“十三五”规划中也特意指出以增效扩容改造为手段，提升安全生产水平，促进农村水电行业管理水平。

3 增效扩容改造方案研究

3.1 水能计算

设计选取1956-2000年共45年监测的入库径流水文资料进行水电站的水能复核。通过计算得到该水库多年平均径流量为8.34×108m3，年径流过程线见图1。

图1 水库长系列年径流过程线及趋势线

采用长系列法对该水电站进行保证出力计算。根据《小水电水能设计规程》(SL76-1994)中有关内容，电站蓄水期、供水期的调节流量计算公式如下[3]：

式中：Q蓄、Q供分别在蓄水期和供水期的水库调节流量，m3/s；V利为兴利库容，m3/s·月；∑Q2Δt、∑Q1Δt分别为蓄水期和供水期的天然来水量，m3/s·月；n2、n1为蓄水期和供水期的月数。

电站设计保证率依据水电站水文资料和设计要求取值为P=85%，供水期内水电站保证出力计算公式如下：

经计算，设计保证出力为620.8 kW。

3.2 装机容量选择

装机容量一般根据保证出力乘于倍比系数求得。在工程中，倍比系数取值范围一般为2～3，由此可以得到该水电站的装机容量范围为：

N装机=(2.0～3.0)×N保证

=1 241.6～1 862.4 kW

利用水能复核公式，绘制该水电站多年平均发电量和装机容量关系，见图2。

图2 水电站多年平均发电量与装机容量关系图

根据已知水电站装机容量范围及其厂房的现有条件，结合水电站多年平均发电量与装机容量关系图，可以发现当装机容量在1 510 kW以上时发电量增幅明显有限。据此对该电站的增效扩容改造项目拟定以下3种方案：

方案Ⅰ：保持原有装机容量1 200 kW(6×200 kW)不变

方案Ⅱ：水电站装机容量扩容至1 350 kW(3×200 kW+3×250 kW)

方案Ⅲ：水电站装机容量扩容至1 500 kW(6×250 kW)

对上述3种装机方案进行综合效益分析，成果见表1。

表1 农村小型水电站装机方案效益比较

根据表1的装机容量综合效益分析结果，分析3个方案差额内部收益率项。从方案Ⅰ的装机容量扩容至方案Ⅱ情形时时，其差额内部收益率低于8%；而方案Ⅱ至方案Ⅲ时，其差额内部收益率大于8%。因此，设计拟定选择方案Ⅲ。

3.3 水轮机选择

根据对该水库的现场勘查及电站设计参数情况，考虑原机型及其布置形式，通过比较多个模型转轮的性能，该电站水轮机型号选择初步拟定ZDJP502-LM-80和ZDT03-LM-80进行比选。

首先依据水轮机的综合特性可知，水轮机在额定水头下的功率为600 r/min；然后根据水轮机的综合特性曲线，绘制出不同工况条件下的水轮机模型综合特性曲线，以此对这两类水轮机进行综合评价比选。

结果表明：①ZDJP502-LM-80型水轮机在性能上优于ZDT03-LM-80；②在相同水头且满足额定出力情况下，ZDJP502-LM-80型水轮机效率更高，工作范围更广，更能满足设计要求；③在抗气蚀方面，ZDJP502-LM-80型水轮机也更好。

额定水头下ZDJP502-LM-80型水轮机性能参数见表2。

表2 额定水头下ZDJP502-LM-80型水轮机性能参数

3.4 电气设备改造

该水电站的装机台数为6台，出线回路数为10 kV架空一回接入电网， 布设升压变压器2台。初步设计对该水电站电气设备改造内容包括：①保留原有主变压器(630 kVA)，并增设一台1 200 kVA的节能型变压器；②增设一台S11-10/100的厂用变压器；③检查电站内的电力电缆根据相关规程进行更换。

4 综合评价

农村中小型水电站的增效扩容改造项目，对于在增加可再生能源供应、保障河流流量和生态稳定、消除安全隐患、提高防洪灌溉供水能力以及推动农村经济发展方面起着重要作用。而电站增效扩容改造综合评价是提高项目资金使用效益、确保工程建设质量、保障上述目标实现的重要手段。

对农村小水电增效扩容改造项目进行综合评价时，所涵盖的主要内容包括水电站项目改造效果评价、项目资金管理评价、可持续发展能力评价。针对这3方面评估，对该电站增效扩容项目进行综合评价如下：

1) 依据水能复核计算结果对该水电站扩容，装机容量提升至1 500 kW，容量提高25%；年发电量增加622.63×104kW·h；水能利用率由45.66%提高至57.21%。对该水电站的增效扩容改造工程将实现发电效益的最大化。

2) 本项目的经济内部收益率为62.30%，大于8%的社会折现率。通过财务计算得到，所得税前财务内部收益率47.21%，所得税前的投资回收期2.12年；所得税后财务内部收益率38.15%，所得税后的投资回收期2.73年。因此，本项目在国民经济及财务方面均是合理可行的[4]。

3) 在社会环境效益方面，农村小型水电的改造减少了不可再生能源的消耗，充分挖掘了农村水电站发电潜能和水资源的综合利用率，促进了绿色生态环境的建设。

5 结 语

在对农村中小型水电站增效扩容改造过程中，存在着各种环境条件的制约因素。本文根据所改造工程的运行现状，对河南省济源市境内的一座小型水电站进行增效扩容改造设计，着重介绍该水电站扩容容量选取、水轮机型号选择以及电气设备的改造和综合评价，最后得出切实可行且适合该水电站的改造方案。