农村水电站的技术改造和技术发展趋势

1、农村水电发展现状

据水利部的统计，2006年，我国农村水电总装机已达到5000万kW，约占全国水电总装机的37％，年发电量1500多亿kW·h，成为国家电力供应的重要组成部分。尽管农村水电取得了长足发展，为农村经济和社会的发展做出了巨大贡献，但农村水电技术现状令人担忧。据有关资料统计分析，全国已建成投产的小水电电站中，有70％左右是20世纪90年代以前建成的。由于受当时的设计理念和设备制造工艺水平的限制，这些小水电站的特点是：出力达不到铭牌出力、保护经常误动或拒动、自动化水平不高、制造质量差、安全生产隐患多，并且运行人员的技术水平比较低；为了保证安全生产，急需进行技术改造。农村水电的技术现状不能适应现代新技术的发展要求，也不能充分发挥农村水电应有的经济效益和社会效益。

自90年代中期开始，小型水电站陆续实施计算机监控和自动化改造。目前，全国1000—50000kW的电站近6000座，实现无人(少人)值班的不到300座，仅占5％。2003年4月，水利部颁布了《农村水电技术现代化指导意见》，目的是“明确今后一段时间农村水电行业技术发展的方向，规范、指导农村水电行业做好技术进步工作”，以加快农村水电现代化建设步伐。该文件对农村水电技术现代化的指导思想、基本原则和总体目标都作了具体的、详细的规定。

2、机组运行中存在的问题

许多电站所用的机电设备甚至是五六十年代的产品，同现在的设备相比，普遍存在性能差、运行效率低、噪音大等特点，有的还是国家明令禁止使用的淘汰设备。

2.1水轮机的选型有问题

我国早期编制的水轮机模型转轮型谱中可供选择的转轮型号少，不少中小型水电站只能“套用”相近转轮，因而机组性能参数偏离电站实际运行参数。对中小型水电站水轮机选型设计，有的地方管理部门不太重视，有的设计单位不够认真或水平不够，使得一些水电站的水轮机转轮直径、额定水头或额定转速选择不当，造成机组性能参数与电站实际运行参数不匹配。有些水电站建成后，其实际的来水量或水头等水文数据与设计资料不符，以致选用的水轮机性能参数与电站实际运行参数不适应。这些情况都会导致水轮机偏出最优工况区运行，造成机组运行效率低、耗水量多、振动、噪声大及发电损失大，使水轮机使用寿命大大缩短。

2.2水轮机设计水平较差，制造加工工艺达不到要求

我国1964年颁布的水轮机模型转轮系列型谱中ZZ460、ZZ560、ZZ587、ZZ600、HL123、HL263、HL365、HL638、HL702等型号的水轮机转轮，有的至今仍在使用。这些转轮相当于国外三四十年代的技术水平，其主要性能指标(单位流量Q11、单位转速n11，及模型效率nm)都比较低。有些小型水电站的水轮机加工质量差、缺陷多、长期带病运行、出力不足、安全可靠性差。

2.3水轮发电机绝缘老化，推力轴承和水导轴承可靠性低

有些中小型水电站的水轮发电机因运行年代长，定子、转子的绝缘已严重老化，容易引发接地故障，威胁机组安全运行。由于制造或安装质量较差，水轮发电机的推力轴承和水导轴承可靠性低，常发生烧瓦事故。

2.4多泥沙河流上的水轮机磨损和气蚀破坏严重

据不完全统计，我国中小型水电站中，约有1／3的水轮机存在空蚀和泥沙磨损问题，导水叶和水轮机进水阀严重漏水，有的甚至难以正常开、停机。有的水轮机转轮叶片发生严重裂纹或断裂，不能保证安全运行。

2.5水轮机与发电机不配套

有些中小型水电站水轮机的输出功率大于发电机额定容量，形成“大马拉小车”，大大限制了机组出力。也有的水电站发电机容量大于水轮机出力，形成“小马拉大车”，既浪费了设备容量，也增大了运行损耗。

2.6保护装置比较落后，自动化水平不高

早期建成的小水电，由于受当时二次保护发展的技术水平限制和资金的不足，导致发生故障或事故的时候保护误动或拒动，这对安全生产造成威胁；有时还会损坏设备，造成巨大的经济损失。另外，小水电的运行人员技术水平比较低，经常会误操作。

2.7水轮机调速器性能比较落后

水轮机调速器性能比较落后，静特性差，磨损严重，运行死区大，动作不灵活，无法保证机组安全稳定运行。

3、技改中应注意的问题

3.1优化设计，获取最大的经济效益

中小型水电站的技术改造，必须贯彻先进性、合理性、经济性和特殊性原则。应该针对各个水电站的具体情况，因地制宜，进行优化设计。所谓先进性就是要择优选用一个性能先进、技术成熟的好转轮和配套性能先进、运行可靠的水轮发电机及其辅助设备；合理性就是要紧密结合和妥善处理水电站的不可变更或不宜变更的制约条件；经济性就是要在有限的投资情况下，尽量增加年发电量，提高水电站的经济效益；特殊性就是特殊问题用特殊办法处理。例如，对于多泥沙河流上运行的水轮机，既要改善其运行特性，又要采取抗泥沙磨损的综合治理措施，延长水轮机的使用寿命，只有全面考虑才能较好地达到先进性、合理性和经济性。另外，一定要委托有资质的单位进行技术咨询并做到优化设计，还要请专家对改造设计方案进行审查。因为—个好的设计方案，可以出水平、出效益；反之，不重视设计，容易造成不必要的返工和经济损失。多数中小型水电站的技术改造以水轮发电机组的改造为主。在技术改造设计中，常采取以下方式：

1)对于水头、流量与原设计变化不大，而水轮机设备陈旧、性能落后的水电站，可采用更新改造或增容改造方式，选用该水头段导水叶相对高度相同或相近的新型转轮；如无合适的新型转轮，则应改型或重新设计转轮，或者改进过流部件型线与结构，以提高水轮机的运行效率，并达到增容、增加年发电量的目的。

2)对于水头、流量比原设计增大了的水电站，应采取增容改造方式。应根据电站实际运行水头和流量增大的具体条件，提高水轮机的额定水头，加大额定输出功率，选用合适的新型转轮或者重新设计转轮，其额定转速应结合水轮发电机的改造方式确定，最终应使水轮机在较高效率区运行。这样既加大了单机容量又提高了水轮机的运行效率，电站年发电量也有较大增加。以上两种情况，当水轮机功率确定之后，都需要为其配套相应功率的水轮发电机。对辅助设备也要进行核算，以决定是否更换。

3)对于水头、流量比原设计减少了的水电站，宜采取减容改造方式。即根据水电站的实际运行水头和流量，降低水轮机的额定水头，减小额定输出功率，选用合适的新型转轮或重新设计转轮，将水轮机调整到最优或较优工况区运行，以提高其运行效率，增加年发电量。

4)对于多泥沙水电站，应考虑泥沙磨损问题，应采用与抗磨措施相结合的改造方式。改造设计中应根据水轮机的过机含沙量、泥沙中值粒径及泥沙矿物成份等条件，选用单位转速相近或略低，单位流量适当减小，模型空化系数适当降低，模型效率较高的新型转轮，并合理加大导水叶分布图相对直径，改进导水叶型线，降低和匀化导叶区流速。同时，从结构设计工艺、材料和保护涂层等方面采取抗磨措施，以保证水轮机的安全运行，延长其使用寿命，最终达到更新改造或增容改造的目的。

5)对“大马拉小车”的水电站，可以单独改造水轮发电机，为提高绝缘等级或改进通风系统等实现增容，必要时可重新设计制造新的水轮发电机。主变容量不足可换用新变压器，旧变压器仍可用于其他水电站。对于“小马拉大车”的水电站，若水轮机采取改型亦无增容的可能，则暂按现状运行。

6)对保护装置比较落后，自动化水平不高的小水电。尽量采用自动化水平较高的微机综合自动化系统，并且不断地提高运行人员的技术水平。

7)对老式电站采用机械液压调速器，这种调速器的性能比较差，在加上长期运行静特性差，磨损严重运行死区大动作不灵活，无法保证机组安全稳定运行，应尽量更换电气液压调速器和微机调速器。

3.2做好输水系统的调保计算

在中小型水电站增容改造中，水轮机输水系统是关键环节。尤其是一管多机的引水式压力输水系统，应当从水力和调节保证参数2个方面进行核算。水力核算即是对水轮机输水系统的过流量和水头损失的数值关系进行核算，并绘制水头损失与流量关系曲线，以分析选定最大允许的水轮机额定水头和设计引用流量。调节保证核算就是从机组运行特性和输水系统水力特性2个方面来核算机组运行的过渡过程中可能发生的最大水压力和最大转速升高值，并检查前者是否在水轮机输水系统设计水压力的范围内，以研究和确定采取加固补强措施的合理性和可能性。

水轮机输水系统的最大过流量和水头损失及其所能承受的最大水压力，是制约水轮机增容的一个关键环节，应予以足够重视，否则会影响技术改造的经济效益和安全运行。

4、农村水电技术发展趋势

为了提高农村水电的安全可靠性，充分发挥农村水电应有的经济效益和社会效益，广大农村水电工作者应根据当前农村水电技术存在的问题，有针对性地加以改进。

1)生产农村水电设备的厂家，应更新工艺，优化设计，选用优质的原材料，不断提高设备运行的稳定性，提高设备的运行效率和使用寿命，特别对发电机、变压器、调速器等电站核心设备，更应做到精益求精，不合格的设备一律不准出厂。

2)优化设计，科学选型，不断提高农村水电的综合效益。一是在规划时，要打破地区界限，科学合理地布置电源点，注意河流的梯级开发，尽可能地建有调节能力的电站，以解决丰枯、峰谷问题。二是要根据当地负荷发展情况，合理地确定网络布局，合理地确定变压器的位置和容量，避免出现“大马拉小车”或“小马拉大车”现象。三是合理选择线径和其它机电设备型号，在进行机电设备布置时，要注意与水工建筑物相配合，注意整体效益的发挥和美观。四是对较大的农村水电工程，采用的继电保护装置，应优先考虑采用集保护、测量、控制和信号于一体的微机化单元装置，这样既可以提高农村水电的安全性、可靠性，而且还可以减少运行维护人员，达到减员增效的目的。

3)加大农村水电的技术改造力度，通过采用新技术、新工艺、新材料不断提高原有设备的科技含量。新开工的农村水电工程所用设备应选用标准化、自动化程度高的产品，努力提高设备的运行稳定性和可靠性。有条件的地方可推广采用“少人值班”或“无人值班、少人值守”的控制方式。即使一时无条件，只能采用“分散值班”的常规控制方式，也应充分考虑将来升级的可扩展性，或保留接口。

4)加强农村水电工作人员的业务培训，努力提高他们的综合素质。由于农村交通、信息相对落后，对新产品、新技术了解不够，容易造成在工程建设或改造中仍然使用淘汰的设备和仪器的情况；特别是一些领导干部对优化设计工作不够重视，认为只要建成能发电就行了，片面地减少工程投资，结果造成资源达不到有效配置，甚至会造成人民生命财产及设备损失。因此，大力加强农村水电工作人员的技能和管理培训迫在眉睫。多年来国家虽然培养了一批农村水电方面的专业技术与管理人才，而大、中专毕业生不愿意到基层，加之用人机制、待遇等方面的原因，原有的水电人才流失严重。要通过举办技术培训班、规范宣讲班、参加新产品展示会、示范安全操作、知识竞赛等多种形式，来扩大农村水电工作人员的知识面和技术水平，为新世纪农村水电的健康发展提供人才保障。