农村水电科学选型设计

　　摘要：农村水电综合能效较低，应通过科学设计选型，优化调度运行，修订提高并网功率因数考核标准，做好无功功率就地平衡等措施，使电能损耗降低5%～10%，提高水能资源利用率，发挥出小水电的应有效益。

　　关键词：农村 小水电 选型 设计

　　Abstract: rural hydropower low comprehensive energy efficiency, should through the scientific design selection of optimal scheduling operation, the revision improve grid power factor assessment standards, completes the reactive power balance and other measures to make electric power reduce by 5% ~ 10%, improve water resources utilization, and displays the small hydropower stations should have benefits.

　　Keywords: small rural hydropower type design

　　中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

　　1水轮机选型与节能

　　水轮机的节能，最大方面是注重转轮的最高效率和实际运行区的效率，现在水轮机转轮的品种和规格很多，可以通过选择转轮型号和直径，使水轮机在最优工况运行，还可以在一个电站内选择不同型号和直径的转轮，甚至可选用不同类型的水轮机，如径流引水式中水头水电站，采用斜击式与混流式水轮机混用，以保证兼顾流量变化的运行工况外仍具有较高的效率，而以前不注意能效，都按电站同一种转轮考虑，台数也尽量少选，更不考虑使用两种类型水轮机。小水电的水轮机如能满足并网运行时的稳定性，就不宜配飞轮，而应尽可能用两支点形式，效率至少可提高1%。低水头机组的安装吸出高程应尽量低，理论上虽有相应规定，但实际上正吸出高程段尾水管的能量回收是很有限的，经常产生低水头机组的效率达不到，基本上都把尾水管的吸出高度计入设计水头。另外就是要购买效率高质量好的水轮机，虽好的厂家水轮机价格可能高10%，甚至20%，但水能转换效率可提高3%～5%，以HL220-WJ-50型水轮机工作在52m水头为例，效率差3%(好的水轮机效率可达89%，差的则达不到86%)也就是27kW， 发电装机的综合造价按5500元/kW计算，价值近15万元，而水轮机出厂价相差不到3万元，按机组年利用小时4000h计算，约1年就可收回增加的投资，质量好的水轮机使用寿命也长，维修费用少，影响发电少，效益明显。有的电站甚至购买旧水轮机使用，或老旧差的水轮机一直不进行更新改造，不仅经济上不合算，同时也浪费大量水能资源。

　　1.1 机组安装高程的确定

　　水轮机的安装高程不能超过水轮机允许的最大吸出高度，否则会引起水轮机转轮的汽蚀、振动等不良现象，因而缩短机组的运行寿命。

　　(1) 卧式机组：▽安= Z下 + hs -▽/900 - D/2

　　(2)立式机组：▽安= Z下 + hs - ▽/900

　　式中 Z下——尾水渠最低水位(m);

　　hs——水轮机理论吸出高度(m)，查水轮机应用

　　范围图及hs = f (H)曲线;

　　D——水轮机转轮直径(m);

　　▽——水电站厂房所在地的海拔高程(m)。

　　为了消除或减轻水轮机汽蚀，可将计算出的▽安降低0.2～0.3m确定安装高程。

　　2 电气主接线的拟定

　　小水电站的电气主接线是运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据之一。农村小水电站装机容量往往有限，一般装机台数不超过4台，相应电站的电压等级和回路数以及主变的台数都应较少。考虑到小水电站(尤其是单机100 kW以下的微型电站)的机电 设备供应比较困难，运行和管理人员的文化、业务素质普遍较差，从进站到熟练掌握操作、检修、处理故障及优化运行等也有一个过程。因此，农村小水电站的电气主接线在满足基本要求的前提下，应力求采用简单、清晰而又符合实际需要的接线形式。

　　对于1台机组，宜采用发电机—变压器组单元接线;对于2～3台机组，宜采用单母线不分段接线，共用1台主变;对于4台机组，宜采用2台主变用隔离开关进行单母线分段，以提高运行的灵活性。

　　3 电气测量及同期装置

　　并入电网运行的小水电站电气测量应包括：三相交流电流、三相交流电压(使用换相断路器和1只电压表测量三相电压)、有功功率、功率因数、频率、有功电能、无功电能、励磁电流和励磁电压等的监视和测量。发电机的测量、监视表计、断路器、互感器及保护装置等装在控制屏上(发电机控制屏);电网的表计、断路器、同期装置等装在同期屏上(总屏)。

　　4 提高水工设施能效

　　低水头大流量的河床式、坝后式水电站，应减少进水口和拦污栅水头损失，进水口应力求顺畅，拦污栅应采用宽面布置，不要太密，尾水渠要尽量宽深，调节水库应充分注意保持高水位运行。中高水头的引水式水电站，尽量采用有压引水，力求采用优化调节运行，压力管道截面要从节能降耗方面比较确定，特别是较长的管道，以等径变管厚为宜。如某电站设计水头220m，有压引水钢管长760m，额定引用流量0.63m3/s，在初步设计时选择下段管径为0.5m，厚度为10mm，上段管径为0.6m，厚度为6mm，计算重量为82t，计算水头损失为11.4m，最大损失功率55kW，年平均损失电能15万kW·h，施工时采用上下段管径均为0.63m，厚度为5-6-8-10mm，计算重量为86.5t，计算水头损失减少为6m，最大损失功率为30kW，年平均损失电能为8万kW·h，增加4.5t的钢管，年减少电能损失7万kW·h，一年半就可收回投资。

　　5 机组配套和运行节能措施

　　水轮机宜工作在最佳效率区，偏离该工况效率将大幅度下降，尤其是轴流式、贯流式和混流式，只有冲击式水轮机最高效率区较宽，发电机则工作在额定功率(容量)的70%～90%范围效率较多，综合水轮机和发电机工作效率的特点，一般以水轮机运转特性曲线中最高效率点对应的出力(如水头变化范围较大，按最大工作水头计算)乘以电机效率，按发电机最佳负荷率0.9计，节能效果最好。有的设计人员经常把电机配小，使之处于超负荷运行，被业主误认为机组好，设计水平高，而实际却是浪费资源，要么电机在高损耗区运行，要么水轮机在低效率区运行，始终没有一个最佳效率区。就运行方式而言，日调节以上(有压引水)的电站容易做到优化高效运行，如是径流(引水式)水电站，则应通过选择开大小容量的机组，适应流量(发电出力)较多的变化，流量小到机组进入严重低效率区运行时，则应利用前池(或修建不完全日调节池)和尾部渠道或引水坝共同短时蓄水，采用间歇开停机方式发电运行，保证机组具有一定的发电效率，尤其是反击式水轮机组更为重要。另外还应在值班厂房装设水位落差观测装置，使水库或前池在合理的水位范围内运行，压力管道、压力隧洞较长的应尽量按平衡负荷运行，一般少承担调峰，以利于节能。

　　6 变压器选择与节能

　　配电变压器的选择已介绍很多，从效率理论上讲，当变压器的可变铜损和固定铁损相等时运行效率最高，现在一般1000kVA左右的S9型节能变压器，空载损耗只有负荷损耗的16%(满载总效率已达98.8%)，即负荷率在40%时效率最高，电站升压变也是一样，不要经常处于满载甚至超载运行，电站装2台机组，完全可选1台升压变，3台机组可选2台或1台，4台机组选2台，容量选择应是机组总功率的1.25倍后再加大(或高靠)一个容量等级。如某电站装机2×320 kW+1×200kW，选择1台1250kVA变压器比选择1台1000kVA或选400kVA+630 kVA 各1台合算。变压器容量选大一个等级，运行寿命和可靠性都将提高，增加投资(减少电能损耗)的回收年限一般在3～5年。另选择升压变的变比要适当，一般比输电线路的额定电压高10%，通过调整无载分接开关，使发电机保持在额定电压运行，不应偏离太多，电压过高或过低对节能都不利。

　　7 电线、电缆、高压线路的选择与节能

　　以前有色金属较紧缺，选择导线一般偏向按安全电流、电压降、机械强度的原则，较少顾及经济电流和节能。而现在，则应按增加导线截面而增加的投资(导体截面增加占输配电总造价的比例不高)及减少电能损耗5年左右能回收的原则，选定导体截面，虽消耗有色金属较多，但长远的节能效益还是较为显著的。应尽量减少0.4kV配电路径长度，农村的小水电和用电户往往比较分散，发供用各方应统一布局10kV公用配电网，尽量减少迂回送电，送电路径较长的10kV线路，应在末端装高压电容补偿，发电站基本少送无功功率，尽量保持额定电压运行，运行电压偏离太多对节能不利。小水电比较集中连片的应协调统一联接后架线输电，容量达1500kW、输送距离在8～10km以上的可选择轻型35kV线路送电，既节省投资又可节能。

　　8 结语

　　根据笔者实践经验和做法，在微小型水电设计选型和运行中，如重视搞好节能工作，使综合能效提高5%～10%完全可以做到，但是大多数时候没有得到真正重视，有的是业主和设计人员在建设时共同做，有的是运行上的综合措施，小水电规划设计单位、机电设备生产厂、电力生产和供应企业、发供电综合监管部门应携手共同努力，提高发变电设备的效率，优化设计选型，科学调度运行。

　　参考文献：

　　[1]李卫宾;中小型水电站厂内经济运行关键问题研究[D];郑州大学;2009年

　　[2]吴广辉;声发射技术在水轮机组故障诊断中的应用研究[D];西安理工大学;2009年