（水利水电工程专业论文）基于模糊物元的中小型水电站增容改造方案研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 趣朋亏 日期：，口年月f 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：趣b 强：矽 o 年否其| 日 摘要 摘要 在我国水电系统中，中小型水电数量非常多，而且多是上世纪6 0 - 8 0 年代 的工程。进入9 0 年代以后有相当数量的中小型水电站面临技术改造的问题。于 是从9 0 年代开始国家对有条件的中小型水电站进行技术改造，从历史资料中可 以看到水电站增容改造投资少、效益明显。但关于中小型水电站增容改造方面 的研究却比较少，部分研究也是概括性的或者针对某一个具体工程而言的。对 增容改造方案的选定也缺乏系统的、科学的研究。鼓励中小水电发展是我国的 重要能源政策，所以对中小型水电站增容改造方案的研究具有重要的意义和价 值。本文首先阐述了中小型水电站技术改造研究背景和国内外现状，在此基础 上就中小型水电站增容改造中存在的问题进行了必要的研究和探讨，主要包括： 1 水电站增容改造方案的系统研究。对于要进行增容改造的水电站，以水 能计算为出发点，方案选择为主要目标，从中讨论分析中小水电站增容改造要 注意的主要限制因素。对改造方案进行优选，选择综合效果最优的改造方案。 与以往增容改造过程的简单计算、经验分析的办法相比，更加系统和科学。 2 最优增容改造方案的选择研究。采用基于模糊物元的评价方法，对已制 定的增容改造方案各个限制因素进行综合分析，从而得到最优方案。同时验证 合理的增容幅度才能带来最好收益。 3 水电站增容改造限制因素分析。水电站增容改造是个复杂的工程，所牵 涉的因素很多，本文从本专业出发分析了增容改造要注意的水利方面的主要限 制因素。 4 基于模糊物元评价方法在增容改造中的应用研究。采用信息处理方向的 前沿方法，来研究本专业增容改造的问题，同时也验证了其有效性和实用性。 另外在权重处理方面提出自己的见解。 5 结合鲇鱼山水电站增容改造实例，针对其改造特点，结合自己的研究方 法进行计算分析。 关键词：水电站增容改造模糊物元方案 a b s t r a c t i nt h eh y d r o p o w e rs y s t e mo fo u rc o u n t r y , i ti sav e r yl a r g en u m b e ro fs m a l la n d m e d i u mh y d r o p o w e rs t a t i o n s ，a n dm o s to ft h e mw e r eb u i l ti nt h el a s tc e n t u r yf r o m 6 0 st o 8 0 s e n t e r i n gt h e9 0y e a r st h e r ew a sac o n s i d e r a b l en u m b e ro fs m a l la n d m e d i u mh y d r o p o w e rs t a t i o n sw e r ef a c e dap r o b l e mo ft e c h n i c a lt r a n s f o r m a t i o n s o f r o m19 9 0 ，m a n ys m a l la n dm e d i u mh y d r o p o w c rs t a t i o n sh a v et h ec o n d i t i o n a l t e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o n ，f r o mt h eh i s t o r i c a ld a t ac a nb es p e l li ni n v e s t m e n ti n h y d r o p o w e rs t a t i o n st r a n s f o r m a t i o nl e s so b v i o u sb e n e f i t s h o w e v e r , t h er e s e a r c ho f t h es m a l la n dm e d i u mh y d r o p o w e rc a p a c i t ye x p a n s i o na n dt r a n s f o r m a t i o ni sl e s s ， m o s to ft h e ma r e a l s oag e n e r a lo rf o rt h ep u r p o s e so fap a r t i c u l a rp r o j e c t t h e s e l e c t i o no fp r o g r a m sf o rc a p a c i t ye x p a n s i o ni sa l s oal a c ko fs y s t e m a t i ca n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h e n c o u r a g et h ed e v e l o p m e n to fs m a l l a n dm e d i u mh y d r o p o w e r s t a t i o n si sc h i n a si m p o r t a n te n e r g yp o l i c y , s ot h es t u d yo fp r o g r a m ss e l e c t i o nf o r s m a l la n dm e d i u mh y d r o p o w e rc a p a c i t ye x p a n s i o nh a sg r e a ti m p o r t a n c ea n dv a l u e i t i sd e s c r i b e dt h a tt h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h et e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o no f s m a l la n dm e d i u mh y d r o p o w e rs t a t i o n sa th o m ea n da b r o a d , a n dt h e ni tm a k e st h e n e c e s s a r yr e s e a r c ha n de x p l o r a t i o na b o u tt h ep r o b l e m si n s m a l la n dm e d i u m h y d r o p o w e rs t a t i o n sc a p a c i t ye x p a n s i o n i n c l u d i n g ： 1 t h es y s t e m a t i cs t u d yo ft h ep r o g r a ma b o u th y d r o p o w e rs t a t i o nu p g r a d i n g f o r t h et r a n s f o r m a t i o no ft h eh y d r o p o w e rs t a t i o n ，m a k et h ew a t e re n e r g yc a l c u l a t i n ga sa s t a r t i n gp o i n t ，m a k es e l e c t i o np r o g r a mo p t i o n sa st h em a i no b j e 斌s t u d ya n da n a l y s i s m a j o rl i m i t i n gf a c t o r s w h i c hs h o u l db ep a ya t t e n t i o ni ns m a l la n dm e d i u m h y d r o p o w e rs t a t i o n su p g r a d i n g f o r ms e l e c t i n go p t i m u mr e c o n s t r u c t i o np r o g r a m ， o b t a i nt h ec o m b i n e de f f e c to ft h eb e s tr e c o n s t r u c t i o np r o g r a m c o m p a r e dw i t ht h e p r e v i o u ss i m p l ec a l c u l a t i o na n de m p i r i c a la n a l y s i sm e t h o d , t h i sm e t h o di s m o r e s y s t e m a t i ca n ds c i e n t i f i c 2 t h es t u d yo fs e l e c t i o nm e t h o da b o u to p t i m a lc a p a c i t ye x p a n s i o np r o g r a m s b a s e do nf u z z ym a t t e r - e l e m e n te v a l u a t i o nm e t h o d , s t u d ya n da n a l y z et h em a j o r l i m i t i n gf a c t o r sa b o u tt h ec a p a c i t ye x p a n s i o np r o g r a m sw h i c ha r em a d e ，t h e ng e tt h e o p t i m a lp r o g r a m - a n dt ov e r i f yar e a s o n a b l er a t eo fc a p a c i t yi n c r e a s ew i l lb r i n gt h e b e s tb e n e f i t s 3 a n a l y z et h em a j o rl i m i t i n gf a c t o r sa b o u tt h ec a p a c i t yc x p a n s i o n i ti s a c o m p l e xp r o j e c ta b o u th y d r o p o w c rs t a t i o nc a p a c i t yi n c r e a s e ，t h e r ea r em a n y i n v o l v e d f a c t o r sa b o u ti t , t h em a i n l i m i t i n gf a c t o r sw h i c hm u s t b ep a ya ：c t e n t i o na ：b o u t h y d r o p o w e rs t a t i o nc a p a c i t yi n c r e a s ea r ea n a l y z e d ， 4t h ea p p l i e dr e s e a r c hb a s e do nf u z z ym a t t e r - e l e m e n te v a l u a t i o nm e n l o di n c a p a c i t ym c r e a s ca n dt r a n s f o r m a t i o n b yu s i n gt h ea d v a n c e dm e t h o d o ft h e m t o r m a t i o np r o c e s s i n gm e t h o d st os t u d yt h ec a p a c i t yi n c r e a s ea n d 咖s r 脚撕o n i n h y d r o p o w e rs t a t i o n ，a n da l s op r o v ei t se f f e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a l i t y b e s i d e sp u t f o r w a r dm yv i e w si nd e a l i n gw i t ht h ew e ：i g h t 5m a k ec a t f i s hm o u n t a i n h y d r o p o w e rs t a t i o na sai n s t a n c e , f o ri t st r a n s f b n n a ：t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，c a l c u l a t ea n da n a l y z ei tc o m b i n e dw i t ht l l er e s e a r c hm 酬的d si nt h i s p a p e r k e yw o r d s ：h y d r o p o w e r s t a t i o n ，c a p a c i t ye x p a n s i o n , t r a n s f o r m a t i o 巩 m a t t e r - c l e m e n t , p r o g r a m i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i j 目录工v 1 绪论：1 1 1 研究的意义和背景l 1 1 1 增容改造的现实意义1 1 1 2 历史上已建水电站增容改造的原因以及增容改造常见的方法和措施2 1 1 3 国内外在水电站增容改造方面的研究现状4 1 2 研究问题的提出j 8 1 3 研究的主要内容和创新点9 1 4 本章小结1 0 2 中小型水电站增容改造的动能指标复核1 1 2 1 水电站增容改造水能计算的特点：1 1 2 2 径流式和蓄水式水电站水能计算1 2 2 3 水电站装机容量复核1 4 2 4 基于动态规划算法的预期发电量计算1 5 2 4 1 采用动态规划算法的目的和意义1 5 2 4 2 水电站水库优化调度动态规划算法过程介绍1 5 2 5 本章小结1 6 3 水电站增容改造的主要限制因素分析1 7 3 1 引水系统水头损失分析1 7 3 2 调节保证计算1 9 3 2 1 压力管道水击计算1 9 3 2 2 机组转速变化率计算2 2 3 3 水轮发电机机墩动力计算2 3 目录 3 4 中小水电站增容改造方案经济评价2 7 3 4 1 财务预测2 7 3 4 2 财务评价2 8 3 4 3 中小水电站增容改造经济评价步骤2 8 3 5 本章小结2 9 4 基于模糊物元的增容改造方案综合评价3 1 4 1 模糊物元概念简介j 3 1 4 2 模糊物元评价方法过程3 2 4 2 1 形成评价矩阵3 2 4 2 2 特征指标值规范化处理3 2 4 2 3 指标权重处理3 2 4 2 4 综合评价：3 6 4 3 本章小结3 6 5 鲇鱼山水电站增容改造j 3 7 5 1 鲇鱼山水电站基本情况及保证出力计算3 7 5 ，1 1 鲇鱼山水电站基本情况分析3 7 5 1 2 鲇鱼山水库径流资料及特点分析3 8 5 1 3 鲇鱼山电站保证出力计算，4 l 5 2 鲇鱼山水电站增容方案制定4 2 5 3 鲇鱼山水电站预期发电量计算4 3 5 4 鲇鱼山水电站增容改造限制因素分析4 6 ， 5 4 1 引水系统水头损失计算4 6 5 4 2 鲇鱼山水电站增容改造调节保证计算4 8 5 4 3 鲇鱼山电站机墩动力计算5 0 5 4 4 鲇鱼山电站增容改造财务评价5 1 5 5 基于模糊物元的鲇鱼山增容改造方案综合评价5 4 5 6 本章小结 5 6 6 结论与展望5 7 v v i 7 8 9 3 4 5 5 5 6 6 组：1 9 7 0 - - - , 1 9 8 0 年间兴建的水电站装机容量为1 5 2 7 万k w ，其中单机5 万k w 及以上 的机组为1 4 7 台。即至上世纪8 0 年，水电装机容量在我国电力系统中已经超过了 2 0 0 0 万k w ，水轮发电机总台数超过3 0 0 台。老一代中小水电站都是3 0 多年前投入 运行的，当时为国家的发展贡献了巨大的力量，而且目前它们当中大部分仍在 运行嘲。 对条件成熟的老旧中小型水电站进行增容改造，投资少、见效快、效益高。 通过改造可以提高水资源利用率、增强电网调节能力、缓解电力系统调峰困难， 更有利于保障电网系统的安全稳定运行，提高中小型水电站的整体效益、充分 利用水资源，保护环境。发达国家的水电开发程度较高、继续开发的潜力不大， 但它们也将对已建水电站的改造作为重要的能源方针。随着经济发展越来越多 的发展中国家也在水电站增容改造方面更加重视和关注。中国的水能资源是世 界第一、水电装机容量世界第二，是个水电大国。我国在大规模加快水电建设 的同时，也要同样重视对已建的水电站进行挖潜和继续开发。最近2 0 年我国对 一大批老水电站的技术改造已经获得了十分显著的经济效益、系统效益和社会 效益，不仅满足了电网的需求而且更加充分的利用了水资源，提高了水电的经 济效益。 特定的历史条件和技术条件造成了一大批需要改造的老水电站和老水轮机 组。有些机组设计年利用小时数偏高，装机容量偏小，不能在电力系统中发挥 调峰优势，水能利用不足，这些机组增容改造成为当务之急；有些机组所在河 流泥沙多，经过长时间运行，机组空蚀、磨损严重，使得电站已经不能安全稳 定运行；有些机组运行方式不合理或者过渡使用；有些机组因为技术原因，设 计建造的时候性能较差、标准偏低、能量指标不合适、设备材料和制造工艺较 1 1 绪论 差；有的机组确实运行时间过久，已经达到或者超过了使用年线，机组老化严 重，效率低下，经常出故障。因此从历史原因和技术原因分析，为了适应现代 电力系统和水电站发展要求对老旧水电站、老机组的技术改造是必要的曙1 。 上世纪9 0 年代以来，随着我国水电站建设的加速发展，水轮机组的设计、 制造、安装技术有了很大的提高，有了很多创新性的成果。例如用现代水轮机 优化设计方法，已经设计制造出了许多能量指标、材料特性、耐磨性能等综合 性能非常好的优秀转轮，并且在实际工程中得到了应用，均达到世界先进水平。 还有很多新技术的应用为水电站技术改造提供了基础条件，如：水轮机流体动 力分析计算技术及模型试验的丰硕成果；发电机股线换位技术、线圈绝缘技术、 定子、转子结构以及冷却通风技术的改进；微机化和数字化控制设备的应用； 实时掌握机组运行状态和评判机组健康状况的状态监测系统与故障分析诊断系 统的推广应用和不断完善等。可以预见，运用这些技术和成果来进行老旧水电 的增容改造，会大幅度的提高水电站的经济、社会效益，大大加强电站运行的 稳定性和安全性。所以从现在经济发展水平和技术水平上来分析，对老旧水电 站进行技术改造已经具有了很多充分条件。 综上所述，对有条件的水电站实施技术改造具有很高的充分性和必要性， 能够带来巨大的经济效益和社会效益，具有很高的现实意义。 1 1 2 历史上已建水电站增容改造的原因以及增容改造常见的方法和措 施 通常情况下，已建的水电站如果出现如下问题或其中部分问题者就应该考 虑进行技术改造了h 1 。 a 、水轮机设计时选型不合理。水轮机技术参数和工程实际参数不匹配导致 水能资源浪费严重或机组运行效率低。 b 、水轮机设备和发电机设备型号太旧，性能已经严重落后。或者因为设备 陈旧所导致的效率低、稳定性差。 c 、设计时主要电气设备如发电机、主变压器、开关和母线等的参数和水轮 机的参数不匹配，限制了水轮机出力。 d 、机电设备或建筑设施达到或者超过了允许使用年限，或者接近使用年限 而老化严重，稳定性大大降低。 e 、水电站设计有问题或后期运行过程不合理，使机电设备损耗严重，无法 2 1 绪论 安全稳定运行。 f 、辅助设备出现严重缺陷，导致水轮机经常出问题，长期工作在最优工况 外，达不到最高效率。 g 、水电站水工设施如引水系统不合适，导致水轮机组年发电小时数远小于 设计发电小时数，从而影响电站出力。 h 、水能资源开发利用不合理。如电站建成以后河流水文条件发生改变，来 水量减小，使电站不能在设计状况下高效率运行。或者水库进行除险加固，大 坝加高，使水库兴利库容增加水电站发电水头增高，电站不能充分利用多余水 能资源，弃水严重。 i 、各种原因引起的水头或水量损失过大。如拦污设施位置或尺寸不合理， 导致水头损失过大。引水系统如隧道、压力管道、阀门、闸门处存在渗漏，水 量损失严重。 j 、其他原因。如水电站主要建筑物超过设计使用年限，安全性能降低。水 电站在电力系统中的作用改变等州。 什么是水电站技术改造。所谓水电站的技术改造是指对需要进行改造的水 电站，针对其问题，采取合理的技术措施，将机电设备和水工建筑物进行更换 或者改造，从而提高这些电站的经济性、合理性、可靠性和先进性。总结历史 上已经进行的水电站技术改造工程，技术改造主要有四个大方向：即增容改造、 减容改造、更新改造和自动化改造。而增容改造工程在已改造项目中占大多数口1 。 综合分析各种技术改造方案具体措施主要如下： ( 1 ) 、水电站机电设备型号老旧，性能落后，但水轮机的水头、发电流量 和当初设计值相比变化不大，这类电站宜采用更新改造或者增容改造方式。新 转轮要注意选择和原设备水头相近的、并且导叶相对高度相近的型号。如果没 有合适的新转轮，则需要重新设计转轮，或者改变电站过流部分尺寸以适应新 转轮的需要。最后达到提高效率、增加容量、安全稳定运行的目的。 ( 2 ) 、因发电水头增加、可利用水量增加导致有水能浪费的电站，宜采用 增容改造方式。跟据水电站水能增加的具体条件，或者选用额定工作水头更高 的水轮机或者选用过流量更大的水轮机代替旧机型。通过合适的替代，不仅充 分利用了多余水能，而且还能保证新转轮在较高效率区运行，最终明显增加电 站的发电量。如果找不到合适的新转轮代替则要考虑重新设计新转轮或者改造 过流部分尺寸。同时增容改造中要注意发电机的选择和匹配，对电气设备和机 3 1 绪论 械设备等辅助部分也要进行校核，综合判断改造方案。 ( 3 ) 、对于发电水头和可利用水量比设计减少的水电站，宜采用减容改造 的方式。因为发电水头的降低和引用流量的就减小容易导致水轮机工作在最优 工况之外，长期下去影响水轮机稳定运行。采取减小装机容量的方式，选用合 适新转轮或者重新设计转轮，以适应电站新的能量指标，让水轮机工作在最优 或较优工况区，以提高水轮机效率，增加发电量。 ( 4 ) 、对于因水流泥沙含量太大而导致磨损问题严重的水电站，在改造过 程中要特别重视水轮机的抗磨性能。根据河流中泥沙的具体含量、泥沙颗粒大 小、泥沙成分等情况，采用较小的单位流量、较低的单位转速、模型效率高、 抗磨损的新型转轮。必要时改造导水机构及其他过流部分尺寸，从而让水流更 加均匀化经过转轮。另外具体抗磨措施还要从水轮机的结构、材料、设计工艺、 保护层上考虑，最终为了在特殊情况下延长水轮机的使用寿命，保障电站安全 稳定运行。此时改造方案设计要将抗磨作为重要参考指标。 ( 5 ) 、对于水轮机容量超过发电机容量也即“大马拉小车 的水电站，可 以单独改造发电机组。具体可以通过改变线圈绕组方式、提高绝缘水平、改进 通风系统等实现增容。必要时可重新设计更换新的发电机组及其辅助设备。对 于水轮机容量小于发电机容量即“小马拉大车的电站，如果没有通过更换转 轮进行增容的可能性，只能按现状运行。 ( 6 ) 、对于自动化水平较低，辅助设备落后，仍在使用机械液压调速器的 老旧水电站，宜采用自动化改造。引进先进的电脑自动化管理系统，远程监控 系统，自动化程度较高的调速装置可以有效提高电站的安全稳定运行水平，同 时达到增加效益的目的n m 钔。 以上的具体改造措施可以针对具体电站采用一种或者几种方法结合进行， 通常不会超过上述范围。对于特殊情况电站则要具体分析。 1 1 3 国内外在水电站增容改造方面的研究现状 西方经济发达国家水电系统比较发达，这些国家水能资源开发利用程度很 高，新建水电站的潜力较小，便通过改造已建水电站，提高电站运行效率和运 行自动化水平来更加充分利用水能资源。具体来讲，西方发达国家水电建设起 步较早，大部分电站都有四五十年以上的历史，有的甚至运行了将近七十年。 这些水电站大多数位于技术经济相对比较发达的美、日、俄、加、欧盟等国家 4 1 绪论 和地区。随着经济发展和技术进步，这些早期水电站的设备和设施技术指标已 经明显落后，远远不能适应现代经济的发展。有的电站当时建设时技术不高、 资金不足没有建设成当时相对最优的水电站，各个方面已经落后。有的电站建 成后所在河流的径流条件却在随时间改变了，这也要求对电站进行相应的改变 来适应这种情况。当代西方发达国家无论从经验、技术、资金还是人才方面都 比当初有了巨大进步，对这部分老旧电站进行改造具备成熟条件。通过更新、 更换设备西方发达国家将自己的水能开发程度又提高到了一个更高的层次，取 得了很好的综合效益。 从上世纪8 0 年代开始，西方发达国家按照现代化水电站的建设标准，对以 前运行的老旧水电站进行了技术改造。改造的对象除了水轮机和发电机两大部 件外，还包括很多电站附属设施和设备，如引水系统、拦污设备、水电站进水 口部分、开关站、调速装置、变压设备等，但重点仍就是水轮机和发电机。水 轮机改造内容主要为：维修旧转轮；更换新转轮；更换水轮机部件；更换全套 设备等。发电机改造内容主要为：更换定子铁芯；重绕定子绕组；改变磁极； 重新设计安装新发电机等。发达国家典型改造例子有：美国，在1 9 8 5 - 1 9 9 2 年间， 将胡佛水电站的旧机组设备更换为艾利斯查尔默斯公司制造的新设备，使水轮 机效率提高6 ，出力提高3 0 ，水电站增容5 0 万k w ：1 9 8 0 年开始对田纳西河上 的电站进行改造，通过提高6 台发电机组的绝缘性能，不仅增加了发电机寿命而 且让电站增容1 9 3 万k w 。前苏联，1 9 8 7 年开始对努列克水电站9 台发电机组进行 改造，工程完成后，水电站增容3 0 万k w 。随后俄罗斯在伏尔加河上进行的水电 站增容改造也让该流域上电站总共增容数十万千瓦。日本，1 9 7 8 年开始对大部 分已经运行了5 0 年以上的老旧水电站进行现代化改造，随后的2 0 年里，有5 0 多 座老旧水电站得到了更新升级，总共增容超过2 万k w ，每年增加发电量1 2 5 亿度。 斯洛文尼亚，从1 9 8 7 年开始，对法拉径流式水电站进行改造，尽管此电站建成 时在当时很先进，但长久运行也变得很不稳定，同过改造增强了电站运行的稳 定性同时显著增加了发电量。瑞士，隆格恩湖上的凯撒施图尔和温特拉2 座水电 站，在7 0 年前建成投产，长时间的运行已经超过了设备的寿命，电站运行状况 恶化。通过增加发电水头、将两个电站合二为一、更新设备等措施，使旧电站 重新恢复了活力，经济效益可观。从上边一些例子可以看出发达国家对老旧水 电站的改造工作很到位，而且也取得了很好的效果。 很多老旧水电站建成时期很早，因为那时候电力系统比较单一，火电发展 5 1 绪论 还不充分，核电和太阳能电站等新能源电站还没出现。大部分水电站都是以提 供发电为主要任务，电站设计时装机主要根据担任基荷和腰荷来确定，电站装 机容量可能偏小。但随着经济发展，电力系统复杂程度也在增加，火电站和核 电站得到了大力发展，代替了水电的作用开始担任主要基荷和腰荷，而水电站 随着调节能力的增强，动能指标有了很大变化，在电网中的作用也发生改变。 所以电站的装机容量确定也在随着时间的增加而有增加的要求钔。这也从另一 方面要求对老旧水电站进行增容改造。因此世界上不少国家为了适应这种变化， 对水电站采取分期开发分期建设的方案，避免水能资源的浪费。而且在当代发 达电力系统中火电和核电的容量越来越大，水电所占比重越来越小，在用电高 峰到来的时候电力系统的调峰、调频问题逐渐突出。这个原因也促使发达国家 对老旧水电站进行增容改造。于是在条件许可的情况下，对一些具有调节水库 的水电站进行了增容改造的工程措施，经过增加装机容量，水电站的潜力被大 大挖掘，同时电力系统的调峰调频能力也得到增强，事故备用容量得到提高。 典型例子有，巴西、莫桑比克、委内瑞拉、阿根廷、巴拉圭等国家有九座水电 站在设计建设之初没有考虑未来电网系统的发展，结果在电站运行以后不久就 被迫进行了增容改造。曾经作为世界十大水电站之一的大古力水电站，设计时 装机容量只有1 9 7 万k w ，在经济发展和电网发展的过程中，电站的调峰能力相对 变弱，影响了电力系统的总体性能。于是从1 9 7 0 年开始业主对电站进行增容改 造，对老旧机组进行更新的同时新安装了6 台抽水蓄能发电机组，使电站装机容 量大大增加，最终达到了9 1 0 万k w 。从而使该电站成为了当地电力系统中的重要 峰荷电源。前苏联和俄罗斯从1 9 8 0 年对国内一大批中小型水电站进行了增容改 造，总共增加装机容量1 0 5 万k w 。加拿大为了满足调峰需求将拉格朗德水电站容 量从5 3 2 万k w 扩大至u 7 3 2 万k w 。西班牙为了满足调峰需要，将阿尔门得拉水电站 容量5 4 万k w 提到到了8 1 万k w 。另外还有巴基斯坦、奥地利等国家也出于上述原 因对境内的水电站进行了增容改造，提高了水能利用程度嘲。 从国外情况看，对已建水电站进行增容改造非常普遍而且也取得了很好的 经济和社会效益。 6 1 绪论 国内的水电建设起步较外国晚，绝大部分水电站都是解放后建设的。由于 历史原因、技术原因、经济原因等国内对老旧水电站的增容改造也比外国相对 晚。从上世纪8 0 年代开始国内开始对已建的老旧水电站进行增容改造n 司。主要 改造对象是运行期超过3 0 年的电站，这些电站虽然在平时运行过程中维护和检 修很到位，但技术设备明显落后，普遍出现了运行不稳定的问题。另外，这些 电站不仅水轮机设备老化，而且发电机设备也落伍，跟不上时代步伐。水轮机 效率下降、振动严重、叶片变形、发电机定子绝缘变差、过热流胶、电腐蚀严 重等情况严重威胁着水电站的安全稳定运行。另外国内很多河流的泥沙含量都 比较大，很多电站的水轮机泥沙磨损严重。种种原因要求国内需要对上述问题 电站进行改造。最近2 0 年，国内借鉴国外成功的改造经验，采用新工艺、新技 术、新材料，提高了老旧机组的地效率和出力，已经完成的改造工程表明国内 的增容改造工作也已经取得了很好的效果和明显的经济效益。据不完全统计， 截至1 9 9 9 年，全国有2 8 个水电厂，6 5 台水电机组经过了增容改造，增加了容量 6 3 4 万k w ，单位千瓦投资仅约6 0 0 - - 1 2 0 0 元。可见其投资少、见效快n 引。 根据国内已经改造的水电站例子，水轮机方面重要是更换效率低、磨损严 重、损坏的水轮机转轮或叶片，采用现代技术成果提高水轮机的整体性能。发 电机方面主要是更换发电机定子线圈或绕组，加大导线截面，提高绝缘等级， 并改进冷却系统和通风结构，更换主变压器等。典型改造例子有刘家峡水电站 增容改造。该改造项目从1 9 8 9 年开始实施，主要措施如下：重新安装发电机的 所有线圈，采用了新的结构形式，降低发电机由于风阻而造成的能量损失。改 变以往的风扇结构，采用了新的通风散热系统。采用更加先进的封闭母线，可 拆卸结构的制动环，更加坚固的上机架，使发电机设备焕然一新。主变压器系 统也经过改造，有效降低了涡流损失。水轮机部件则用更加先进的a 4 3 0 转轮代 替旧转轮。并且充分考虑泥沙磨损因素对水轮机采取了抗磨措施，叶片材质采 用o g r l 3 n i 4 m o 不锈钢，过流表面也增加了耐磨不锈钢。水轮截面经过优化，使 得汽蚀影响显著降低。对附属设备如调速器、励磁装置等也进行了更新改造。 经过这次工程，被改造机组出力增加了3 万k w ，相当于新建了一座小型水电站。 而改造工程总共投资3 4 5 3 万元，造价仅1 1 5 0 元k w 。后期运行效益明显n 7 1 。 7 变化所导致的 更新改造和提 小时数偏高、 利用率，解决 止国内已经对 同时还有黄龙 增容改造的电 站 1 8 。另外，有相当一批水电站要么提供防汛备用电源要么结合灌溉取水，都 进行了小规模的地增容，提高了水能利用率。按照规划，全国还有新桓仁、八 盘峡、安江、龙羊峡、红石、富春江、回龙山等一大批水电站正在扩机或已制 订扩机方案。如果上述工程能够全部完成，则可以增力n s o o 6 0 0 万k w 的装机容量 n 9 e 就国内已经实施的增容改造工程来看，都没有扩建水库、大坝或加高大坝， 基本上也没有改变水库运行规律，都是根据实际情况，因地制宜地选择经济合 理效益最高的扩建方案。大多数尽量利用原有水工建筑，尽量不要改建，或者进 行适当改建，只新建一部分水工、机电设施，增装机组。有预留机位的电站或 者有大冷却水管的电站可以利用预留的机位和冷却水管增加新机组。进行增容 改造的水电站一般都是具有一定调节能力的电站，改造后的电站大多数明显提 高了发电效益，减少了弃水，同时都能担当电力系统调峰、调频和增加备用负 荷的任务。虽然改造规模有大有小，小到数千瓦，大到数十万千瓦，但总体来 看社会经济效益明显。另外这些改扩建工程工期一般都比较短，仅2 - - 3 年，工 程投资从前万元到五亿元不等。每千瓦费用一般在1 0 0 0 - - - 2 0 0 0 元，少的低于1 0 0 0 元，最多也未高于4 0 0 0 元。足见其投资少、见效快、效益好泌翻。 1 2 研究问题的提出 因为技术改造是个复杂的工程，而且各个水电站的具体条件都不相同，每 8 1 绪论 个水电站技术改造工程所采用的方法和具体措施也不同。但综合分析历史上增 容改造的实例可以发现，增容改造方向是最多的而且也是效益最好的，研究意 义比较明显。同时国内在增容改造方面的研究都比较少，仅有的一些研究也是 针对某些具体工程实例进行的，而对增容改造缺乏系统地总结研究。一些发表 的论文主要是些概括性文章。所以本文针对最为常见的增容改造方向做一些系 统性的研究。 历史上有一部分中小水电站因为建设时所选的水轮机不合适，或者是水文 条件改变来水增多，或者水库进行除险加固导致水库水位抬高等原因，使得水 电站不能充分利用水能资源，弃水较多。对这样的水电站进行增容改造，具备 很高的现实意义和可行性。但是在水电站增容改造中影响的因素是众多的，限 制条件也比较复杂，一般要从哪里入手考虑，具体可以增加多大容量，增加到 多大才比较合适，这便牵涉到一个方案制定的和选择的问题。也就是对于可以 增容的电站并不是越大越好，必定有个合适的增容幅度使得各个限制因素都满 足，并且在技术经济上取得比较好的效果。以往的改造实例表明，对于中小水 电站一般是根据实际情况，由设计人员简单的计算和制定增容方案。首先这样 过于简单，而且不够系统，其次方案制定和选择缺乏足够科学的依据。因为合 理的方案直接关系增容改造的成功与否，所以对于增容改造方案的选择研究要 更加系统化和科学化。 本文要针对增容改造的情况，以水能计算为出发点，方案选择为目的，从中 简要分析水电站改造的限制因素，然后以模糊物元为基础进行方案优选得到合 理化的增容改造方案，给设计方和业主方以更合理的建议。 1 3 研究的主要内容和创新点 ( 1 ) 总体思路是以水能计算为出发点，方案优选为目的，从中简要分析水电 站改造的限制因素，最终以模糊物元为基础进行方案优选得到合理化的增容改 造方案。 9 1 绪论 ( 2 ) 简要介绍水电站的水能计算。根据拟增容改造的水电站的实际情况和地 区社会经济发展的要求，重新计算水电站的动能指标，并与原设计情况进行比 较，从水资源条件及水能利用率方面论证水电站增容改造的可能性。 ( 3 ) 水电站增容改造限制因素比较多。本文准备从预期发电量、引水系统、 调节保证计算、发电机机墩结构振动验算、经济效益等重要因素入手，分析这 些限制因素的计算方法和过程。 ( 4 ) 运用模糊物元综合评价模型，分析得出方案优选的一般过程以及相关因 素权重处理方法。将增容改造相关的各个限制因素进行综合分析，最终优选最 佳方案。这是本文的创新点。 ( 5 ) 结合鲇鱼山水电站增容改造实例，计算分析介绍自己的研究成果。 1 4 本章小结 本章主要介绍了水电站增容改造的概念，中小水电站增容改造的研究背景 和研究的意义与重要性，介绍了中小水电站增容改造的历史和现状。在这些基 础上提出了自己要研究的问题并介绍本文的主要研究内容和创新点。 1 0 2 中小型水电站增容改造的动能指标复核 2 中小型水电站增容改造的动能指标复核 2 1 水电站增容改造水能计算的特点 水电站是将水能转化为电能的工程设施。可用下列公式计算水电站的出力 n ： n = 9 8 1 r i q h ( 2 1 ) 式中：，7 为水电站效率系数，q 为水电站引用流量，日为水电站净水头， 即水电站上游水位差减去下游水位。 水电站在f 1 一时间内的发电量e 可表示为： t 2 一 e = f 或e = 罗砖a t ( 2 2 ) 曼 一t = 1 t i 式中：甩为。厶时间内按缸划分的时段序号，疵为水电站在某时段i 的平 均发电出力；f = 1 ，2 ，刀。 水能计算是对水电站出力和发电量进行计算。计算的任务是研究电站发电能 力与工程规模之间的关系。电站发电能力通常用水电站动能指标：保证出力俣 和多年平均发电能e 来衡量；工程规模则是以水库正常蓄水位、死水位、兴利 库容、水电站装机容量、引水渠道尺寸为指标。 中小型水电站增容改造水能计算的计算内容、方法，与水电站规划设计阶 段的水能计算基本相同，但具有以下特点： a 、水电站增容改造水能计算是针对已投入运行的中小型水电站。由于这些 水电站在规划设计时的水工设施、电器设施、机械设施、技术指标、效益指标 等已经确定，随着时间的发展，在运行过程中逐渐暴露出各种各样的问题，因 此就需要结合电站运行以来的径流资料、水文延长系列、水工设施等实际情况 对水电站进行水能计算，并与规划设计阶段的主要参数比较，讨论水电站增容 改造的可行性。 b 、在水电站增容改造水能计算前，应该对水电站基础资料、水电站设备运 行情况以及已经出现了的问题作好总结。其中，基础资料总结包括收集整理和 分析电站运行以来的历年来水资料和发电情况，检查电站现有的水工建筑物情 2 中小型水电站增容改造的动能指标复核 况，调查电站来水和泄水情况以及电站在电力系统中的运用情况。这些基本资 料的整理和分析对于水电站增容改造水能计算和方案制定非常关键。 c 、某些具有较大的调节水库的中小型水电站，同时具有防洪、灌溉、供水 等综合作用。在“7 5 8 溃坝洪水发生后，许多有安全隐患的水库进行了除险加 固，增加大坝高度、增大调节库容，防洪标准得到了很大提高。与此同时电站 的发电水头和可用水量也提高。对于这类水库增容改造水能计算要充分考虑水 库规模增大所提供的富裕水能资源。 水电站按调节性能分为两类，一类无调节能力或仅仅能调节日径流，称为 径流式电站，另