浅述山区农村小水电站设计

　　摘要：笔者就山区农村小水电站的特点, 综合从事多年农村水利水电规划、设计、建设和管理工作经验,对山区农村小水电站设计方面进行论述。

　　关键词：电站设计;装机容量;水能资源;合理开发

　　Abstract: This article explores the small hydropower station design aspects in the rural mountainous area, from its characteristics and the author’s years of the rural water conservancy and hydropower planning, design, construction and management experience.

　　Key words: power plant design; installed capacity; hydropower resources; reasonable development

　　中图分类号: TV73　文献标识码:A　文章编号：2095-2104(2012)

　　1、装机容量确定

　　装机容量是水电站中主要的参数之一, 其重要关系着水电站的规模及水能资源的合理开发等等问题。如装机容量选用过大,会造成投资的增加、设备利用率低等问题;如选用过小,水能资源就得不到充分利用。因此，选择经济合理的装机容量是水电站规划设计的重要环节。

　　装机容量一般是结合水能计算成果经动能经济计算最后确定,这对于山区农村小水电站来说显得过于复杂,且常使电站装机容量偏小。本文推荐采用装机容量年利用小时法,即以一个预先确定的合适装机容量年利用小时数来控制装机容量确定的合理性。装机容量年利用小时数(h年)是指水电站以装机容量(N装)满载运行发出多年平均年发电量(E年)的小时数,计算公式为h年=E年/N装。

　　农村小水电站装机容量确定步骤如下:

　　1.1进行水能计算,求出保证出力Np和保证电能Ep。

　　1.2确定装机容量年利用小时数目标值。农村小水电站的装机容量年利用小时数一般在(4000～5000)h范围内。调节能力低的无调节或日调节水电站,h年可取偏大值;具有年调节的水电站,h年可取偏小值。

　　1.3确定保证出力倍比系数C。为减少试算工作量,使初定的装机容量方案不偏离目标值太远,通常采用倍比系数法初定装机容量范围,即N装=C×Np。保证出力倍比系数C可根据电站具体情况,参考附表的经验数据选择。

　　1.4装机容量范围。根据确定的保证出力倍比系数C,由公式N装=C×Np计算出电站的装机容量范围。

　　1.5 确定装机容量方案。方案确定时要结合水轮发电机组的标准容量及可能的机组台数配置来进行,即确定的数量一定是可以实际装置的。在方案选择时对于同一水电站一般尽量选择同一机型,特殊情况下可以根据具体情况进行大小机组搭配组合。方案数量一般不少于3个。小型水轮发电机组的标准容量等级有:125,160,200,250,320,400,500,630,800,1000,1250,1600,2000,2500,3200,4 000,5000kW。农村小水电站的机组台数一般为1～4台。

　　1.6计算各个装机容量对应的多年平均年发电量E年和装机容量年利用小时数h 年。根据各个方案的装机容量数值,结合水能计算成果求出各个装机容量对应的多年平均年发电量E年,再由公式h年=E年/N装求出各个装机容量对应的装机容量年利用小时数h年。

　　1.7确定装机容量N装。根据上述计算成果,参照预先确定的h年目标值,选取最接近目标值的方案即可作为装机容量选择成果。同时确定对应的多年平均年发电量E年和利用小时数h年。当有几个方案(一般2个)都比较接近目标值h年时,须经比较论证确定。

　　2、水轮发电机组选择

　　水轮发电机组是水电站的主要机电设备。机组选型设计的正确与否,直接关系到电站的造价、出力以及投产后的运行情况等。以往对农村小水电站,设计者多是根据

　　水能计算成果得出的电站设计水头和单机引用流量两项参数,在水轮机生产厂家所提供的产品目录上选定水轮机的规格型号,然后按照产品目录上提供的水轮机转速、

　　出力等配套发电机。这种方法虽简单,但投产后机组经常会处于非高效区运行,易出现偏离设计工况、机组效率降低、气蚀增大等不良后果。为此在山区农村小水电站水轮发电机组选型中应重点考虑水轮机型号的选择。再根据所选定的水轮机出力、转速和装置形式、发电机效率等配套发电机。

　　2.1水轮机型号选择。水轮机型号的选择合理与否,直接影响到水轮机的运行效率。水轮机根据水力作用的不同,分为反击式水轮机和冲击式水轮机两大类。两大类

　　中,又可分为混流式、轴流式、贯流式、水斗式、斜击式和双击式6种型式。不同的型式有不同的适应水头、流量和高效率区域。

　　水轮机选择工作应根据电站开发方式,动能经济计算并参考制造商生产的机型、系列和规格选择若干个方案进行技术经济比较,从中选出综合性技术经济指标最优方案。实际设计中,经常会在某一水头范围内遇到两种以上适用的水轮机型号,应该进行综合分析,评价不能单纯的从经济观点考虑问题,才能选择出比较理想机型。如

　　卧式机组与立轴式机组相比较,前者虽然有制造方便、土建费用少、价格较便宜、安装检修方便等优点,但在同等情况下与后者相比较,前者运行条件很差,厂房内温度、

　　噪音皆远高于后者,严重影响运行人员的身心健康和运行时处理事故能力。因此在运行参数基本相同的情况下应尽量选择立轴式机型为佳。又如混流式与轴流式机组相比较,当水头在(20～40)m范围内时,山区农村小水电站应选择前者,当水头小于20 m

　　时则采用后者为好。

　　2.2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,缩短机组的运行寿命。

　　·卧式机组:▽安=Z下+hs-▽/900-D/2

　　·立式机组:▽安=Z下+hs-▽/900

　　式中Z下———尾水最低水位(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(0.2～0.3)m确定安装高程。

　　3、电气主接线

　　电气主接线是电站运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据之一。山区农村小水电站总装机大多在1000kW以下,装机台数一般不超过4台;相应的电压等级和回路数以及主变的台数也较少。加之山区农村小水电站运行人员技术一般较低。因此电气主接线的拟定在满足基本要求的前提下,应力求采取简单、清晰且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。

　　4、励磁系统

　　山区农村小水电站同步发电机多数采用半导体励磁装置。发电机容量500kW以下的低压机组普遍使用不可控硅二极管双绕组电抗器分流式、相复励半导体励磁式和三次谐波半导体励磁式三种励磁型式。这类机组在单机运行时, 具有起励迅速、 装置简单、 自动恒压等优越性。可是与电网并列运行时,存在励磁性能不适应的缺

　　陷:无功负载与有功负载分配不稳定;当电网的网电压偏高时,机组容易发生振荡,被迫减少有功功率输出,无功又发不足,电站经济效益大受影响。本文推荐500kW以上的发电机宜采用可控硅励磁系统,500kW以下的发电机优先采用可控硅励磁系统,也可采用电抗移相相复励系统。

　　5、同期、测量及保护装置

　　现在山区农村小水电站均需并网运行。电站的并网操作,除了事关电站和电网的安全外,并网速度的快慢,还直接关系到机组空载水耗的多少。采用手动并网时间较长,易造成水量的无谓浪费,影响发电效益。加之径流电站因来水量不稳定(特别是枯水季节),开停机较频繁,浪费更加明显。因此,设计时要配置发电机控制同期装置,作为小型发电机馈电、同期并网之用,一般采用ZTQ系列自动准同期并网装置即可。

　　山区农村小水电站保护设计应在满足继电保护基本要求的前提下,力求做到简单可行、维护检修方便、运行人员容易掌握等。主要有发电机过负荷、过流保护和欠电压保护,水阻保护,变压器过载、短路保护和防雷保护等。电气测量应包括:三相交流电流、三相交流电压、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。

　　6、其他

　　6.1因地制宜,选择合适类型的压力水管。除满足承受水压的需要外,还必须考虑建设地的自然条件,选择合适的类型。对建在温差较大地区的高水头电站,宜采用钢制压力水管。

　　6.2尽量扩大径流引水式电站的前池容量,提高调节能力。为适应现时小水电上网电价实行丰枯和峰谷电价,前池设计可一方面尽可能扩大前池容量和扩大前池入口段渠道断面,建成具有日调节性能的前池;另一方面充分利用渠道两侧阶地作蓄水槽,水位高时入槽蓄水,水位低时,出槽发电,从而尽量提高电站的调节能力。

　　6.3低水头径流式小水电站宜采用外置式拦污栅。将拦污栅布置在电站进水渠口,离开厂房有一定距离,栅墩是独立于厂房的混凝土结构,栅叶立面布置一般设75°倾角,拦污栅底坎与拦砂坎结合设计,以降低土建投资。主要优点是清污方便容易,保障电站的安全正常运行,且可减少水头损失。

　　7、结语

　　农村水电站虽然小,但对发展农村经济、减轻农民负担和保护生态环境等有重大意义,且其开发建设是一项技术性很强的工作,所以，设计工作不容忽视。作为农村小水电工作的从业者, 应做好电站设计的每一个环节，同期和保护装置优化运行的需要,适应电网运行自动化程度越来越高的要求。

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文章名称： 浅述山区农村小水电站设计

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