關於中小水電站增效擴容改造的經濟設計論文
1、維修引水系統
大部分中小型水電站為引水式電站或者調節庫容有限，豐水期的水資源沒有得到有效利用。同時，由於電站年久失修，普遍存在引水建築結構老化，金屬部件鏽蝕，引水過程中滲水、漏水現象較為嚴重，電站輸水過程中的滲漏損失越來越成為影響發電效益的一個制約因素。
湖北省竹山縣霍河三級水電站為引水式電站，電站裝機容量3 750kW，引用流量21m3/s。電站引水線路由1 965m的引水隧洞和240m的引水明渠構成。其中隧洞現狀完好，引水明渠由於建設之初未襯砌，加之年久失修，滲漏嚴重，且部分段泥沙雜物淤積，導致豐水期水流外溢，無法滿足正常的發電流量需求。
改造方案對明渠破損段進行修復，對全段明渠採用100mm厚C20混凝土襯砌，對淤積段進行疏浚。改造後渠底寬4.3m， 高7.9m， 糙率取0.014，設計流量21.0m3/s。過流能力和邊牆穩定重新複核，均滿足要求。對進水前池裂縫採用環氧砂漿補強，更換進水口節制閘和引水閘的止水橡皮。綜合改造後的霍河三級電站年發電量由740萬kW·h增加到890萬kW·h，增幅達到17%。
2、合理改造水輪發電機組
由於受建設之初的歷史因素的制約，大部分電站存在水輪發電機組特性引數與電站實際執行工況長期偏離;豐水期水量(水頭)沒有得到充分利用，枯水期實際水頭遠遠低於設計水頭。致使發電機組在豐水期沒有充分發揮效益，枯水期又長期執行在低效區。
湖北省宜都市香客巖電站改造前電站總裝機容量8 900kW，1～3 號機水輪機型號為ZD560—LH—180，4號機水輪機型號為ZD560a—LH—180，所有機組均為軸流定槳式水輪機，設計水頭為15.5m。配套發電機如下：1號發電機型號為SF2000—20/2600，單機功率2 000kW;2、3號發電機型號為TSL260/35—20，單機功率2 200kW;4號發電機型號為SF2500—20/2600，單機功率2 500kW。機組存在的問題：經過長期執行，機組已經出現裝置老化、效能下降、故障頻發等問題，在很大程度上影響了裝置的安全、穩定執行。轉輪葉片的材料採用45號鋼製作，長期受水力衝擊發生塑性變形，產生了嚴重裂紋，轉輪氣蝕、磨損嚴重，葉片變薄;維修時大面積補焊造成了葉片嚴重變形和裂紋加劇，致使水輪機水力損失加大，水輪機水力效率下降;頂蓋、底環等磨損嚴重，致使水輪機漏水量加大，容積損失增加，浪費大量水資源，發電量減少。發電機由於執行年限長，定子線圈和轉子線圈絕緣老化，絕緣電阻下降，存在較大的安全隱患，發電機功率因數低。
根據電站水力監測顯示，電站毛水頭常年在18.0m左右。經水文專業複核，電站加權平均水頭為17.0m，電站可透過擴容提高效益。根據以上論述，最終的改造方案主要從兩個方面提高電站效率：一是擴容，維持電站現有土建尺寸不變的情況下，根據水文計算結果，將電站1～3號機組單機功率均擴容到2 500kW。二是更換機組，根據水輪發電機組執行現狀，對機組改造方案如下：更換1～3號機發電機，更換後新發電機型號為SF2500—20/2600，電機功率2 500kW，轉速300r/min，電壓6.3kV，效率95%，功率因數0.85，絕緣等級F;更換1號機組水輪機，更新後水輪機型號為ZDJP502—LH—180，轉輪直徑180cm，額定出力2 688kW，額定流量18.90m3/s，額定效率91.5%;2、3、4號水輪機更換轉輪(新轉輪型號與1號水輪機轉輪相同)，維修導水機構及主軸;4號發電機更換頂轉子線圈，提高電機絕緣等級，提高發電機功率因數。同時，更換髮電機組附屬裝置(即調速器、勵磁系統、自動化元件等)。其中：調速器更換為高油壓調速器，將現有勵磁控制屏和勵磁變壓器更換為1套雙微機可控矽靜止整流自並勵勵磁裝置和1臺乾式勵磁變壓器，增加電站自動化監測系統。
3、淘汰落後電氣裝置
20世紀90年代初建設的中小型電站，變壓器仍以SJL型和SL型鋁芯變壓器為主，能耗高、效率低;高壓櫃多為GG—1A 型，低壓櫃多為BSL型開敞式裝置，“五防”功能不全，具有較大的安全隱患。繼電保護以繼電器為主，接線複雜、維護工作量大，誤動、拒動時有發生，事故隱患大;大多數中小型電站仍以人員手動操作為主，極少數電站設有控制檯，裝設光子牌訊號顯示裝置，整體裝置配置較為落後，人員編制臃腫。改造方案：
(1)採用新型的S11型變壓器更換以往的淘汰鋁芯變壓器，變壓器綜合能耗可降低30%以上，減少自身損耗的同時加大了上網電量，提高了效益。
(2)結合老廠房的.實際尺寸，高壓櫃可選擇XGN—12或KYN28A—12兩種形式的全封閉式開關櫃。低壓櫃可選用GGD或GCS型低壓開關櫃，新型高、低壓配電櫃均具備完善的“電氣五防”功能，在大大提高安全性的同時，操作維護更加便利。
(3)針對大部分電站繼電保護簡陋、自動控制設施落後的情況，採用新型微機保護裝置替代老式繼電器保護屏櫃，靈敏度高、效能更加穩定可靠、數字訊號傳輸更為便利。控制系統改造為可程式設計控制器(PLC)為主裝置，針對電站裝機容量構建不同規模的分層分散式計算機監控系統，整體上實現中小型水電站“無人值班(少人值守)”的新型執行管理模式。
對於單機容量小於500kW 的低壓小型發電機組，可採用新型集電量採集、勵磁調節系統、同期系統、機組繼電保護裝置一體化的綜合控制屏，裝置體積更小，整合化和自動化程度高。
以宜都市的熊渡電站為例，電站總裝機容量4×7500kW。改造之前在職職工112人，負責電站的日程執行和維護管理。改造之後由於提高了自動化水平，減少了維護工作量，日常執行維護人員精簡到25人，大大節約了人力成本，為企業創造了更多的效益。
4、結語
中小型水電站增效擴容改造工程涉及水電站的方方面面，各座水電站具體情況各異，上述內容是筆者根據實際工程的一些經驗總結，原則是將有限的改造資金投入到電站改造效益最明顯的區域。除了水工結構、機電裝置的工程改造措施以外，還可以透過最佳化發電排程規則，發揮梯級電站聯合排程作用，以管理水平、技術水平的提高來更加充分的挖掘電站潛在效益。
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