某某水电站增效扩容改造初步设计报告.docx
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某某水电站增效扩容改造初步设计报告
湖南省XX县
XX河坝电站增效扩容工程
初步设计报告
湖南省XX市水利水电勘测设计院
1综合说明
1.1现状分析与评价
1.1.1工程基本情况
XX河水闸位于湘江一级支流紫水XX河上游XX县大庙口境内，距XX县城35km，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电等综合利用的水利工程。
设计灌溉面积2.7万亩，防洪保护农田2.1万亩、人口15000人。
水闸电站厂房2处，总装机容量为825kw。
XX河水闸建于1967年，主要由坝内引水涵管、拦河闸、冲砂底孔、坝后电站厂房等建筑物组成。
拦河坝为浆砌石重力坝，由溢流坝段和非溢流坝段组成，总长84.5m。
非溢流坝段分为左、右岸坝段，左岸挡水坝段长15.0m，坝顶高程281.2m，坝顶宽3.5m，最大坝高31.4m。
右岸厂房坝段长23.0m，坝顶高程276.3m。
溢流段总长46.5m，溢流前缘净宽44.0m，堰顶高程276.3m，最大堰高26.5m。
堰面为WES曲线，下接1:
0.8的直线段，下游采用挑流消能，反弧半径7m，挑射角25°，挑流鼻坎高程263.2m，鼻坎宽度35.2m。
在大坝迎水面设置有混凝土防渗面板，防渗板由多次加固而成，各处厚度不一，顶部至264m高程，厚约3.5m，向下逐渐变薄，至276.6m厚仅0.5m，至273.6m厚皆为0.5m，从273.6m至坝基约1.2m。
防渗面板设计标号C15，面板布有Φ6温度钢筋，纵横间距各为30cm。
整个防渗面板设有1条伸缩缝。
溢流面设有厚0.4m的C20砼溢流面板，面板里布置有Φ12温度钢筋，纵横间距均为30cm。
冲砂底孔布置于大坝左端，进口底板高程264.8m，断面为城门型，宽1m，直墙高1m，园拱半径为0.5m，涵身与坝轴线垂直线成左偏15°夹角。
整个涵身才用石灰石粗条石砌筑而成，管长28m，目前已封堵废弃。
原发电引水管（即低涵）位于溢流坝的右端，为直径1m的钢筋混凝土压力管，进口高程257.8m，管长21.62m，进口14.45m长与坝轴线垂直，后7.17m右转24°，管身为砼预制管，管壁厚0.12m。
进口设钢质平板直升式检修闸门，由15T手摇丝杆启闭机启闭。
1987年新建发电输水涵后，已将此涵变为了冲砂底孔。
灌溉引水管（即高涵）位于大坝左端，为浆砌石箱型涵，进口高程269.92m，断面尺寸为0.5m×0.7m。
进口设钢质平板直升式工作闸门，由5T手摇丝杆启闭机启闭。
1987年新建发电、灌溉引水涵管位于大坝右端，进口高程261.8m，为钢筋砼衬砌的圆管，主管直径1.5m，出口分为三根岔管，2根发电管，管内径为0.8m，1根灌溉管，管内径为0.7m。
涵管进口设钢质平板直升式工作闸门，由5T手摇丝杆启闭机启闭。
电站厂房2处，其中坝后电站装机容量为2*250kw，发电尾水进入河床，电站设计水头19.5m。
渠首电站装机容量为200+125kw，发电尾水进入引水渠，电站设计水头17m。
电站水轮发电机组目前已运行30多年，由于水轮机过流部件受高速含沙水流的冲击、空蚀磨蚀破坏较严重，辅助设备老化，近年来出现了较多的问题，机组效率大幅降低，发电量逐年减少，电站设计年发电量220万kwh，近10年来实际最高年发电量198万kwh（2003年），最低年发电量102万kwh（2007年），年均发电量164.5万kwh。
1.1.2电站运行现状
XX河坝电站设计装机4台，总容量825kw。
经现场检查和查阅资料，电站运行现状归纳如下：
⑴电站水工建筑物陈旧，但基本能满足发电运行要求。
⑵机组出力效率明显降低。
目前电站1#机组是上世纪80年代的产品，运行至今已有30多年，现出力只有60%左右。
坝后电站2#机组容量200Kw，水轮机转轮磨耗严重，最大出力150kw，且发电机在出力140kw左右发热严重，机组效率水平为75%；3#机组存在与2#机同样现象，在设计水头工况（设计水头Hr=17m时）最大出力200kw，机组效率水平为80%。
近年来，由于机组空蚀磨蚀严重，设备老化等因素，机组出力逐年下降，目前，在水库处正常水位，水轮机过额定设计流量时，4#机组出力200kw左右，机组出力降低15~20%左右，机组效率水平已低于75%。
⑶水轮机组检修工作量逐年增大。
机组都存在振动过大，检修难度大，费用过高，同时造成设备临检而不能发电；厂家制造工艺较差，机组水导处止水密封漏水严重，水导油盆经常进水，水轴颈及轴瓦磨损严重造成水导振摆过大，每年的检修费用很大。
⑷机组和电气设备已超过使用期限，严重老化，故障率高。
发电机组、主变压器、控制保护设备、起重设备都是上世纪70年代出厂产品，老化严重，有些配件已难以采购，电站虽能勉强维持运转，但故障率高，运行状况差，维修任务大，停电时间长，急需要更新改造。
1.1.3电站存在的主要问题
XX河坝电站自1979年投产以来，已运行30多年，鉴于电站建设时机电设备的制造技术水平较低，以及运行时间长，设备老化磨损严重，电站主要在设备方面存在诸多问题。
⑴水轮机空蚀、磨蚀破坏严重
①水轮机转轮叶片磨损严重。
水轮机转轮的材质为普通碳钢，抗空蚀能力低，目前，检查发现叶片及下环的空蚀和泥沙磨损较严重，叶片背面的空蚀部位已被气蚀成蜂窝状。
②转轮密封间隙过大。
由于水轴颈及轴瓦磨损严重造成水导振摆过大，既造成较大的容积损失，同时又造成设备临检而不能发电。
⑵机组出力、效率逐年下降
由于上世纪早期编制的水轮机模型转轮型谱中可供各水头段选用的转轮型号少，电站只能“套用”相近转轮；其主要能量指标（单位流量、单位转速、模型效率）都比较低。
因而使机组偏离电站实际运行参数，导致水轮机偏离高效率区，造成机组运行的平均效率低、耗水量大，水能资源未能得到充分利用的。
本电站水轮机组新机时的效率大约为80%，由于水轮机通流部件空蚀、磨蚀导致的水力损失逐渐增大，目前机组效率已大幅下降。
⑶XX河坝电站原调速器型号为YT系列，经过多年运行，调速器控制元件磨损老化、调节失灵；调速器是上世纪中生产的老式产品，备品备件无处采购，修复难度很大。
现全部更换为微机调速器，型号YWT系列，调速功300-600kgm。
⑷电气设备老化，故障率高。
电站主变压器三台，型号分别为S7-315/400V2台和S7-400/400V，均是上世纪80年代产品；高压开关柜、控制保护设备都是老式产品，继电器、控制仪表、测量仪表全部是机械式产品，技术水平低，且运行时间长，已严重老化，运行中故障率高，耗电量大，既不安全，又不节能，难以适应电站安全经济运行要求。
1.1.4电站综合能效评价
1、电站水能利用评价
XX河水闸闸址以上控制集雨面积78.63km2,干流长度17.3km，干流坡降44‰。
多年平均降雨量1715mm，多年平均蒸发量1462.6mm。
电站设计装机825kw，设计多年平均发电站220万kwh，2002~2011年电站实际年平均发电量164.5万度。
根据电站水能计算，XX河坝电站坝址控制集雨面积78.63km2，多年平均流量1.77m3/s，水能利用率仅60%左右。
由此可见，本站水能利用率是很低的，对XX河坝电站增效扩容改造十分必要。
2、机组运行效率评价
目前电站1#机组水轮机型号为ZD661-LMY-60，配套发电机型号为TSN59/41-8，额定转速750r/min，额定功率125kw，额定功率因数0.8（滞后），额定电压0.38kv，湖南XX县水电设备厂出品，为1972年9月的产品，运行至今已有30年，现出力只有50%左右，达到了报废标准。
2#机组容量200Kw，水轮机型号均为HL123-WJ-50，配套发电机型号为TSWN85/3，额定转速750r/min，额定功率200kw，额定功率因数0.8（滞后），额定电压0.4kv，2台水轮发电机组均为邵阳市水轮发电机厂1979年的产品，水轮机转轮磨耗严重，最大出力150kw，且发电机在出力140kw左右发热严重，坝后电站3#、4#机组容量250Kw，水轮机型号均为HL260-WJ-60，配套发电机型号为TSWN90-19，额定转速750r/min，额定功率因数0.8（滞后），额定电压0.4kv，2台水轮发电机组均为为邵阳市水轮发电机厂1979年的产品，水轮机转轮磨耗严重，最大出力200kw，且发电机在出力210kw左右发热严重，机组效率水平为80%。
由于机组出力效率低，单位电能耗水率大大增加，电站发电量大幅度减少，严重影响了电站经济效益的发挥。
3、电站增效扩容的可行性评价
XX河坝电站设计装机825kw，设计多年平均发电站220万kwh，2002~2011年电站实际年平均发电量164.5万度。
通过技术改造，电站装机容量为1000kw，多年平均发电量可达290.8万kwh，比原设计年增加发电量70.8万kwh，增加比例为32%；比2002~2011年电站实际年平均发电量164.5万度增加发电量126.3万kwh，增加比例为76.8%。
⑴水量能满足增发电量要求。
XX河坝电站发电多年平均可用水量6528万m3，改造后发电量290.8万kwh，需要供水量4587万m3。
⑵引水建筑物能满足输送流量要求。
发电输水涵洞位于非溢流坝的右坝段，为钢筋砼圆形涵管，内径为1.5m，长25m，进口底板高程为261.8m，原设计引用流量6m3/s，设计流速为3.39m/s，扩容后设计引用流量6m3/s，流速为3.39m/s，属经济流速范围，无需改造。
⑶厂房及升压站建筑物结构尺寸能满足技术改造要求。
本次技术改造水轮发电机组台数减小1台，主变压器台数不变，高低压配电屏柜及辅助设备台数与原来基本相同，控制保护采用微机自动化装置，屏柜台数还有所减少，厂房及升压站原有建筑物结构及尺寸都能满足改造要求。
⑷更换水轮发电机组，出力效率会大幅度提高。
原有3#、4#水轮机组因老化磨蚀严重，出力效率降至77%左右，更换新机组后，机组综合出力效率可达到92%，与现状相比，机组出力效率可增加15%。
⑹电量上网不存在问题。
XX河坝电站电力输入XX县电网，XX县电网与湖南省电网已连网。
XX县电网电力总装机容量达到100MW，用电负荷达到116MW，年用电量达到6亿kwh。
XX河坝电站改造后比原设计年增加电量约70万kwh，对电网影响微小，且电站有水库调节，发电稳定，是优质电，电网将优先接纳，故增效改造后增加电量上网不存在问题。
从以上分析说明，XX河坝电站进行增效改造的条件基本上能满足，所以，对XX河坝电站进行增效扩容改造是可行的。
1.1.5电站技术改造目标与内容
1、电站技术改造目标
XX河坝电站增效扩容改造主要目标为：
⑴通过增效扩容改造，消除电站安全隐患，减小不合理的装机，提高电站经济效益；
⑵水轮发电机组综合效率由原设计82%提高到90%；
⑶多年平均发电量由原设计250万kwh增加到290.8万kwh，增加发电量70.8万kWh，增加比例为32%。
较改造前10年实际平均年发电量164.5年kwh增加发电量190.6万kwh，增加比例为76.8%。
2、电站技术改造内容
电站技术改造主要项目如下：
（一）水力机械
⑴水轮机改造。
水轮机更换3台，拆除1台。
⑵发电机更换。
发电机更换3台，拆除1台。
⑶水轮机调速器更换。
调速器3台，拆除1台。
⑷油、气、水系统设备及管路更换。
（二）电气设备更新改造
⑴高低压配电装置更换。
包括10.5KV厂用变、10KV高压开关柜、400V低压配电屏。
⑵控制保护设备更换。
包括发电机组及调速器机旁屏柜、微机控制保护装置、微机监控装置、自动化装置、直流系统装置、工业电视装置、通信系统装置等。
⑶升压站设备更换。
包括主变压器3台、断路器、电压互感器、电流互感器、隔离开关、避雷器等。
1.2水文
1.2.1流域概况
XX河坝位于湘江一级支流紫水河上游，，地处XX县大庙口境内，距XX县35km。
闸址以上控制集雨面积78.63km2,干流长度17.3km，干流坡降44‰。
1.2.2气象
河坝电站属亚热带大陆季风湿润气候，热量充足，四季交替分明。
灌区多年平均气温13.7℃～18.4℃，多年平均日照为1523.3h，多年平均降雨量1715mm，多年平均蒸发量1462.6mm。
1.2.3径流
XX河坝坝址逐月平均流量直接从省勘测设计总院2009年编的《湖南省XX县芦江水库初步设计报告》引用，然后通过水文比拟法求得XX河坝坝址逐月平均流量。
结果见表1－3。
表1－3XX河坝坝址各典型年径流m3/s
频率典型年
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
1970
0.45
1.01
3.54
4.11
7.09
3.70
2.38
2.91
3.96
4.21
0.60
2.39
10%丰水年
0.45
1.01
3.56
4.12
7.12
3.72
2.38
2.92
3.97
4.22
0.60
2.40
1985
1.18
4.52
3.12
3.04
1.65
1.98
2.34
2.66
2.04
0.83
1.15
0.98
50%平水年
1.18
4.54
3.14
3.05
1.65
1.99
2.35
2.67
2.05
0.84
1.16
0.99
1969
1.08
0.60
1.66
1.30
3.96
1.20
0.24
1.33
0.15
2.00
0.62
0.15
90%枯水年
1.08
0.60
1.68
1.31
3.99
1.21
0.25
1.34
0.15
2.02
0.62
0.15
1.3工程地质
1.3.1区域地质概况
河坝位于XX河流域干流上，在XX舜皇山林区，属萌渚岭山系的一部分，境内大部分的山地在海拔200—1000m之间，群山连绵，河流溪沟曲折蜿蜒，两岸山坡陡峻，基岩裸露，属侵蚀中低山地貌类型。
根据安全评价地勘，XX河拦河坝地层分为二层，①层为紫红色中厚层状石英砂岩，呈强～弱风化状态，节理裂隙发育，岩石较破碎，透水性较大，多在12.5～33Lu，为中等透水岩带，透水带厚度5～10m。
②层为弱风化基岩区，紫红色中厚层状砂岩，岩体相对完整，透水性相对较小。
1.3.2主要建筑物工程地质条件
1.3.2.1库区工程地质
库区为高山峡谷地形，库岸山体极为雄厚，库盆由砂岩组成，渗透性较弱，水库无渗漏之忧。
库岸基岩裸露，因节理发育，岩体较破碎，山坡表层的残坡积层在重力、水文气象等因素作用下，局部的小型坍塌、滑坡对水库影响不大，库岸基本稳定。
坝两岸山坡陡峻，山体雄厚，森林茂密，两岸山坡稳定，不会有较大的塌方发生。
1.3.2.2厂址主要工程地质问题及评价
厂房座落于上坝后阶地上，阶地地势较平缓，斜坡10－15°。
地表覆盖层为第四系全新统冲积层（alQh）砂质壤土，砾卵石夹砂厚4－5m，以及坡积残积层（dl+elQH）粘土碎石，厚2－3m。
下伏基岩，为石灰岩及其互层，岩层产状125°/SW<36°,岩层节理发育，有10°/NE<78°及60°/NW<38°，岩层较破碎，基岩强风化层深4－7m，厂区未发现断层及较大的破碎带。
厂房基础座落于弱风化岩层上。
1.4工程任务和规模
1.4.1电站技术改造任务
XX河坝电站自1958年投产以来，已运行50多年。
机组和电气设备已超过使用期限，严重老化，故障率高，机组出力效率明显降低。
本次技改的主要任务是：
（1）电站厂房陈旧破烂，厂房修整装饰；
（2）拆除1套水轮机组，升级改造3套水轮机组；（3）电气设备的更新改造及；（4）生产建筑物必要的装修。
1.4.2水库和电站特征水位
XX河坝最大坝高31.4m，总库容193.6万m3，正常库容102万m3。
改造后总装机容量1MW，根据国家《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000，本工程为Ⅲ等工程，大坝、厂房等永久性建筑物按3级建筑物设计，次要建筑物按4级建筑物设计。
根据省水利水电总院2009年编制的《XX河水闸安全评价报告》：
坝址500年一遇洪峰流量为453m3/s，相应上游设计洪水位278.78m；50年一遇洪峰流量为321m3/s，相应设计洪水位278.25m。
1.4.3电站改造装机规模
XX河坝为月调节水库，本次计算时采用丰、平、枯三个典型年，按年调节水库水能计算方法，逐月计算。
计算成果汇总见表1－4。
表1-4XX河坝电站设计代表年水能计算成果表
设计代表年
一
二
三
四
五
六
七
八
九
十
十一
十二
合计
丰水年（P＝10%）
渠首电站出力（Kw）
23.16
23.16
34.49
14.73
76.08
140.40
80.39
111.24
47.89
渠首电站发电（万Kwh）
1.69
1.69
2.52
1.08
5.55
10.25
5.87
8.12
3.50
0.00
0.00
40.26
坝后电站出力（Kw）
38.56
142.92
575.55
656.90
800.00
535.28
226.66
394.10
533.60
657.39
102.17
408.69
坝后电站发电（万Kwh）
2.82
10.43
42.02
47.95
58.40
39.08
16.55
28.77
38.95
47.99
7.46
29.83
370.24
平水年（P＝50%）
渠首电站出力（Kw）
22.57
22.57
33.62
14.36
74.16
136.85
78.35
108.43
46.68
渠首电站发电（万Kwh）
1.65
1.65
2.45
1.05
5.41
9.99
5.72
7.92
3.41
0.00
0.00
39.24
坝后电站出力（Kw）
133.72
800.00
501.35
471.11
260.65
232.37
203.14
341.41
192.78
75.24
196.56
167.79
坝后电站发电（万Kwh）
9.76
58.40
36.60
34.39
19.03
16.96
14.83
24.92
14.07
5.49
14.35
12.25
261.06
枯水年（P＝90%）
渠首电站出力（Kw）
24.18
24.18
36.02
15.38
79.45
146.62
83.95
116.17
50.01
渠首电站发电（万Kwh）
1.77
1.77
2.63
1.12
5.80
10.70
6.13
8.48
3.65
0.00
0.00
42.05
坝后电站出力（Kw）
449.18
67.88
250.59
171.10
655.91
91.15
0.00
52.27
0.00
216.36
105.78
25.64
坝后电站发电（万Kwh）
4.95
18.29
12.49
47.88
6.65
0.00
3.82
0.00
15.79
7.72
1.87
119.48
渠首电站多年平均发电量：
40.5万kwh；坝后电站多年平均发电量：
250.3万kwh
通过计算XX河坝电站多年平均发电量290.8万kWh，较改造前设计发电量220万kWh增加发电量70.8万kWh,增加比例为32%。
较2002年至2011年共10年实际平均年发电量164.5万kWh增加发电量126.3万kWh。
⑶装机规模确定
为了合理选择发电流量，以便确定装机容量和机组选择设计，利用月平均来水量，考虑水头损失后，进行径流和水能计算。
原电站装机容量选择不合理，本次电站增效扩容改造，渠首电站保留一台2#200kw机组，取消1台125kw机组，取消后机组发电量只减小1.6万度；坝后电站装机容量升级为2台400kw，总装机容量3台1000kw。
1.5水工建筑物设计及复核
XX河坝坝址位于XX干流的上游，地处XX县大庙口镇，距大庙口镇1km，距XX县城35km。
电站工程于1965年动工兴建，1966年3月完成。
坝体为钢筋混凝土重力坝，最大坝高31.4m，总库容193.6万m3，正常库容102万m3，有效库容102万m3。
是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电等综合效益的中型水利工程
本工程河坝总库容为193.6万m3，改造后总装机容量1MW，根据国家《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000，本工程为Ⅲ等工程，大坝、厂房等永久性建筑物按3级建筑物设计，次要建筑物按4级建筑物设计。
XX河坝大坝枢纽工程于2009年经省水利厅鉴定为3类坝，已列入国家重点水闸除险加固项目；电站厂房破旧，但结构安全，满足改造需要；发电涵洞过流量满足需要，但结构安全存在隐患，需要加固。
1.6发电机与水力机械
1.6.1发电机及水力机械改造方案
本次改造：
将渠首电站1#拆除，2#机200kw水轮发电机组更新换代，3#、4#机水轮机及发电机更换，装机容量扩大，改造机组冷却系统和励磁系统，更换油、气、水系统设备及管路，坝后电站新增1台5t电动单梁起重机等。
具体改造内容见表1-5。
表1-5坝后发电机与水力机械主要改造内容表
序号
名称
原有设备规格型号
改造内容
数量
1
水轮机
HL260-WJ-60
更换为HLA551c—WJ—71
2台
2
发电机
TSWN90-19
更换为SFW400-12/990
2台
3
调速器
手动调速器
更换为SDT300手电动调速器
2台
4
励磁
FKL-21
更换为新型号静止可控硅
2台
5
进水阀
Z45T-10Dg800
更换为Z945T-10Dg800
2台
6
吊车
新增1台5t电动单梁起重机
1台
渠首电站发电机与水力机械主要改造内容表（表1-6）
序号
名称
原有设备规格型号
改造内容
数量
1
水轮机
ZD661-LMy-60
拆除
1台
HL123-WJ-50
更换为HLA551c—WJ—50
1台
2
发电机
TSN59/741-8
拆除
1台
TSWN85/3
更换为SFW200—8/850
1台
3
调速器
手动调速器
拆除
1台
手动调速器
更换为SDT300手电动调速器
1台
4
励磁
TFKL
拆除
1台
TFKL
更换为新型号静止可控硅
1台
1.7电气设备改造设计
1.7.1电气一次设备改造
电站增容改造后主结线方案不变，3台发电
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