1概述
广东省作为国内经济大省，也是用电大省，其农村水能资源开发程度已相当高，为了使农村水电走可持续发展之路，有必要针对各电站自身条件，进行深挖潜力的增效扩容改造。先进的科学技术是增效扩容改造的源动力，广东省政府相关职能部门在全面实施农村水电改造，提高农村水电经济、社会效益的过程中尤其重视推广应用技术含量高、环保性强、经济效益好的创新技术。通过技术创新与增效扩容改造的有效融合，全面提升了增效扩容改造的科技含量和改造效果。
2水利动能设计动态模拟技术
水电站的增效扩容改造，水能设计是其关键环节。水能设计算法的合理与否直接影响到水电站装机容量及机组选型的合理性，进而影响到电站的水能利用率及经济效益。过去，由于计算机技术的落后，为追求计算的方便，在水能设计的算法上做出了简化，这往往导致电站设计容量及所选机型难以适应实际水文过程，影响了电站的效率和效益。
2.1简介
水能动态模拟技术是1套水电站水能设计软件，已取得国家计算机软件著作权(登记证书号:软著登字第0765008号)。此创新技术的核心在于水能设计的动态模拟算法，该算法从水力发电过程的能量转换过程出发，以系统的角度将水流工况、水轮机、发电机形成的统一体，以运行过程中的不变量(即水轮机直径和转速)为优化参数，根据实时的水文过程，采用智能动态算法，对整座电站的发电过程进行动态模拟，进而得出水能最优参数指标。通过比较不同水轮机直径和转速下的水能指标，便可选出合适的水轮机型号。与传统的采用综合系数计算电能以及根据额定水头选择机型的方法相比，电能计算结果更加准确，所选机型更加适应电站实际的运行。
2.2应用
广东省水利厅敏锐觉察到动态模拟技术对水电站增容改造的良好推动作用，由其指导，在三水电站的增效扩容改造中，引进使用水利动能设计动态模拟软件，在不增加土建工程及转轮直径的前提下，选取了合适的机组，容量扩至3×2500kW，设备年平均利用小时数为3027h，其装机容量增加的费用大大降低。在英德红桥水电站、韶关乳源塘头水电站、惠州剑潭水电站等电站的增效扩容改造设计中都成功引用了此动态模拟软件，均给电站带来了可观的经济效益。
3定桨改转桨技术
众所周知，转桨式水轮发电机组相对于定桨式机组水能高效率区范围大，可提高水能利用效率10%以上。对于农村小水电站，一般水头和流量变化较大，水能利用率较低。因此有条件的电站可将定桨式机组改成转桨式机组。
3.1高油压桨叶电液自动调节技术
高油压桨叶电液自动调节是一种简单、方便、经济、实用、环保的创新技术(已申请发明专利，专利号2015101453802)。桨叶操作油压提高后，使桨叶操作机构的体积、重量显著减小，便可将其从水轮机轮毂内移出，外置于轴端，通过纯机械轴传递力矩，控制桨叶。这不仅使得水轮机轮毂比减小，提高了水轮机效率;又使转桨式水轮机向小直径、高水头发展，使得小型定桨式机组也可以改成转桨式，适用于农村中小水电站的增效扩容改造。同时，桨叶操作液压油不再进入水轮机内部，还解决了桨叶操作机构渗油对河流的污染问题，保护了生态环境。
3.2应用
广东省英德市红桥水电站位于北江水系一级支流的氵翁江中游河段，电站始建于1968年，是氵翁江干流的第10个梯级，电站原总装机容量1200kW，是广东省批准的第一批增效扩容改造项目。在广东省水利厅争取“引用先进适用技术，建设科技新型电站”的目标下，红桥水电站的增效扩容改造工程经科学分析，引进了高油压转桨式水轮机，该水轮机导叶和桨叶调节均采用16MPa高压油操作。此工程于2013年9月11日开工，全部工程于2014年10月底完成。2台机组自10月20日投运至今，运行稳定性优良，水能利用率明显提高。2015年5月19日，在电站实际水头为4.4m时，2台机组最高出力达到7102kW，比原设计额定出力多了102kW，达到了增效扩容的目的。效率比采用GD型定桨式机组提高15%以上，比采用传统低油压的灯泡贯流式转桨机组节约成本10%，取消了结构复杂、密封困难的传统受油器;安装时省去了“盘车”等费时环节;取消了调速器压力油罐，取消了高压气系统，代之以小体积的高压储能罐。设备的减少使得厂房结构得以简化，降低了土建成本，缩短了建设工期。同时，解决了漏油造成油系统电机频繁启动的能耗，杜绝了桨叶密封漏油对河流的污染。
4双速凸极同步发电机技术
凸极同步发电机变极调速发电技术是水轮发电机组在水头变化幅度较大时，始终保持机组高效率运行的一种先进适用技术。经分析，对于水轮发电机组，采用合适的两种转速基本上可满足水力发电各种工况需求，可显著提高水能利用效率，而且实现起来较为简单。
4.1发展情况
在我国，2011年华中科技大学王雪帆教授等发明的“虚拟槽位法”(专利号:200910272751.8)，标志着双速同步发电机技术的成熟和商业应用的前景。广东多座电站应用了这一技术，取得了良好的效应。双速机组转速的选择，不仅需要考虑各工况点的状态，而且还要考虑在此状态的持续时间，以及诸如空蚀、振动等各种技术条件的限制。故应将水轮机组的特性、发电机的转速和实际经历的水文径流过程相结合，以经济效益最大为目标，确定机组的最优转速或最优极对数［1］。综合来看，多年平均发电效益为主要的特征参数，宜以此为目标函数，建立数学模型，用遗传算法、神经网络等智能化算法，选择最优“双速”。双速凸极同步水轮发电机组的转速选择方法(专利号:201310424489.0)，建立了水轮发电机组特征参数的选择与水文过程相结合的数学模型，通过数学模拟，求得最优双速，然后根据最优双速，以效率最优为原则，确定水轮发电机组转速的切换工况，实现机组年发电量最大。
4.2应用
益塘水电站位于广东省五华县益塘水库，坝后电站安装2台HL123—WJ—71型水轮机，配套SFW800—10/1430型发电机，同步转速600r/min，额定水头31m，额定功率800kW。经过多年的运行证明，在正常水位附近运行时，水轮机组效率可达88%，且机组运行稳定。但是当水库水位下降较多时，特别是在水头＜20m时，水轮机只能在偏移设计工况下运行，效率不到77%，出力下降很快，不到300kW;且运行不稳定，噪声振动严重。广东省水利厅和广东省水利协会对这项技术极为关注，推荐益塘水电站采用双速电机方案进行改造。改造完成后，由广东省水利水电科学研究院对其机组进行效率测试，得出平均增效约6.72%，电站每年可增加发电5.1%。
5结语
经过广东省农村增效扩容改造一系列工程的运行验证，证明了水利动能设计的动态模拟技术、低水头水轮机定桨改高油压转桨技术和凸极同步发电机双速及双速选择技术，对水能资源的开发和水电站设备的改进升级都产生了良好的技术经济效益，且有效保护了生态环境，适合进一步的推广。
作者：高雪山 郑程遥 劳鹏飞 单位：广东省水利厅农村机电局 广东水利电力职业技术学院 广州市恩莱吉能源科技有限公司
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