漁洞峽水電站擴機增容改造淺析

張義鋒，呂安喜，葉文斌，盧勝強

（1.陜西鎮(zhèn)安縣水利隊，鎮(zhèn)安 711500；2.陜西鎮(zhèn)安縣黃家灣水務中心站，鎮(zhèn)安 711500；3.陜西鎮(zhèn)安縣木王水務中心站，鎮(zhèn)安 711500；4.陜西鎮(zhèn)安縣水保站，鎮(zhèn)安 711500）

鎮(zhèn)安縣隸屬陜西省商洛市管轄，地處商洛市西南部，屬涼亞熱帶濕潤牛濕潤氣侯區(qū)，氣侯溫和，空氣濕潤，降水充沛，光照充足。河流水系均屬長江流域漢江支流，主要河流有兩條，即旬河和乾佑河，旬河為漢江北岸最大支流，干流長度74.4km，流域面積為1272km2，發(fā)源于安康市寧陜縣境內(nèi)。乾佑河為旬河一級支流，干流長度66.8km,流域面積為1227km2，發(fā)源于柞水縣老林,由北向南穿過縣境匯入旬河。

1 水電站概況

廠房位于鎮(zhèn)安縣河口金三角經(jīng)濟開發(fā)區(qū)上游50m處，取水口位于該縣永樂鎮(zhèn)棗園村棗園水電站退水口，為引用乾佑河干流水，裝機1×500kW。該水電站于1970年建成投產(chǎn)，為乾佑河梯級開發(fā)中的二級水電站。在其上游于1982年修建的三級棗園水電站，裝機2×500kW，在其下游于1988年修建的一級長哨水電站，裝機2×1250kW。漁洞峽水電站設計年發(fā)電量 270萬 kWh，裝機年利用小時為 5400h。已累計發(fā)電達到9000萬kWh，已創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益2700萬元。由于該電站己超過設計使用年限，達到報廢期，對其擴機增容改造勢在必行。

1.1 機組運行超時老化

該水電站運行時間已40年，因水輪機老化年久失修，長期在40%以下低負荷帶病運行，效率低而不穩(wěn)，水輪機葉輪嚴重汽蝕，電焊補修幾十次，運行中產(chǎn)生震動及噪音十分嚴重。因此其己無法正常運行，擴機增容刻不容緩。

1.2 水工部分年久失修老化嚴重

因該水電站全部是明渠引水，由于受修建時的經(jīng)濟技術(shù)條件限制，明渠全部盤山而行，渠道修建粗糙，斷面形狀不規(guī)則，渠道糙率較大，引水達不到設計流量。渠線長達7.2km，為梯形土渠斷面，其中，石渠為矩形斷面，全部渠道均未作防滲處理。特別引水明渠過長且沿途地形復雜，彎道多，跨溝多，路渠交叉多，人為干擾大等，導致年復修費用大，渠水利用系數(shù)低，引水流量已無法達到設計流量，汛期水毀嚴重。

1.3 壓力前池需擴容改造

該水電站現(xiàn)前池太小，來水與壓力管道成90°進水時，水流條件不好，產(chǎn)生來水在前池中達不到穩(wěn)定要求，且不符合中華人民共和國行業(yè)標準《水電站引水渠道及前池設計規(guī)范》SL/T205—97的要求。這是造成該水電站水輪機嚴重汽蝕的原因之一，對其改造提高也是迫在眉睫。

2 水文分析

對該水電站進行科學的水文分析計算，以利充分利用河流水力資源，選擇合理的水輪發(fā)電機組，達到投資最少，效益最高的經(jīng)濟目的。

2.1 多年平均年徑流量

采用《商洛地區(qū)實用水文手冊》圖表，查得項目流域重心處多年平均年徑流為300mm，年徑流變差系數(shù)為0.5，采用Cs=2Cv，查皮Ⅲ曲線，得設計頻率的模擬系數(shù)，計算得出工程引水樞紐處的設計年徑流量。

多年平均年徑流量，采用中央廣播電視大學《水力學》（3-1）公式計算：

式中F為流域面積=1030km2Y為徑流深=300mm

2.2 設計年徑流量

采用《商洛地區(qū)水文手冊》提供的經(jīng)驗公式及參數(shù)計算。查《商洛地區(qū)實用水文手冊》圖表，項目流域重心處多年平均年徑流深為300mm，年徑流深變差系數(shù)為0.5。采用Cs=2Cv，查皮Ⅲ曲線，得設計頻率的模比系數(shù)，計算得工程引水樞紐處的設計年徑流量，計算結(jié)果見表1。

2.3 設計年徑流量的年內(nèi)分配

青泥灣水文站與魚洞峽同是乾佑河流域,在魚洞峽水電站的下游10km處,流域面積與本工程取水口流域面積相差超過20%，不符合有關(guān)規(guī)范要求。為了安全起見，選用年徑流深法計算結(jié)果，僅采用參證站青泥灣水文站典型年徑流量的年內(nèi)分配比例，進行本水電站工程引水樞紐處設計日均流量計年，結(jié)果見表2。

表1 魚洞峽水電站引水樞紐處設計年徑流量表

表2 漁洞峽水電站勻日均流量計算成果表

2.4 設計日均流量

采用《商洛地區(qū)實用水文手冊》以下方法分別計算，對其計算結(jié)果綜合比較、分析確定采用值：

經(jīng)驗公式法

利用《商洛地區(qū)實用水文手冊》提供的流域代表日均流量并按計算方法、參數(shù)計算。依青泥灣水文站日均流量保證率統(tǒng)計曲線，其資料年限為1967—2003年。

水文比擬法

將流域代表站青泥灣水文站實測流量資料1967—2003年實測日均流量予以統(tǒng)計分析，推求壩址處日均流量。

已成電站的比照法

比照本流域內(nèi)已成電站裝機規(guī)模，實際運行等因素，綜合水文計算結(jié)果，綜合考慮分析擬定工程日均流量。

本工程所在河流乾佑河鎮(zhèn)安縣境內(nèi)上游有己運行29年的棗園水電站，其裝機設計流量為4.5m3/s，年均運行裝機千瓦利用小時為4600小時以上。下游己運行23年的長哨水電站，設計流量為8m3/s，年均運行裝機千瓦利用小時為4500小時以上。以上兩座水電站其設計年發(fā)電量均達到或超過設計生產(chǎn)能力。

根據(jù)漁洞峽水電站直接引用棗園水電站退水運行十多年的實際看，由于棗園水電站地處漁洞峽水電站同河流的上游15km，流域面積比漁洞峽水電站少50km2。運行十多年來,年裝機千瓦利用小時普遍在4600小時以上，均超過設計年裝機千瓦利用小時4200小時， 經(jīng)濟效益十分可觀。經(jīng)應用多種方案進行比較，采用棗園水電站退水流量是可行的。

3 擴機增容改造方案

3.1 原水頭不變，擴大隧洞引水渠斷面，提高引水流量

因現(xiàn)渠道比降為1/2000，比降很小，且機房尾水位受下游綿湖公園湖水位限制，現(xiàn)23M水頭再無法增加。將現(xiàn)引水明渠過流量 3.2m3/s，設計為4.5m3/s隧洞引水，增加引水流量1.3m3/s，與上游棗園水電站引水流量相同；將現(xiàn)壓力前池30m3，擴建為 150m3。其地形地質(zhì)條件及其他對擴建前池條件均具備。

3.2 機組型號選擇

選擇HL系列水輪發(fā)電機組，查表3-2得知，80%保證流量為2.38m3/s。應用保證出力計算公式：

式中：A=8（傳動系數(shù)）

N=0.95（渠水利用系數(shù)）

Q=2.38M3/S（80%保證流量）

H=23M（凈水頭）

計算得80%流量時，保證出力為：N=416kW

漁洞峽水電站裝機容量主要依據(jù)水能計算結(jié)果和中華人民共和國國家標準《小型水力發(fā)電站設計規(guī)范》GB50071-2002規(guī)定，并根據(jù)該工程的實際情況和建設方的設想確定。

本工程水電站保證出力N=416kW，根據(jù)水電站裝機容量和保證出力按 P=80%保證出力的1.5倍初擬單機容量為630kW。此外，另備用一臺為630kW。

初選HL260-WJ-84水輪發(fā)電機組兩臺，SFW630-14/1430發(fā)電機兩臺，為400V低壓出線（鎮(zhèn)安縣甘岔河流域梯級開發(fā)的楊泗栗扎二級2×800千瓦裝機水電站，采用400V低壓發(fā)電機組。這是該縣第一座低壓發(fā)電機組，己成功運行8年，減少了副廠房以及高壓控制電氣設備，減少投資200多萬元）。

初步擬定本工程水電站裝機容量為2×630 kW，總裝機為1260kW。比裝機增容改造前的500kW增加760kW。且選擇雙機組是為充分利用水能資源的最佳方案。

查取 “裝機容量 ～年利用小時關(guān)系曲線”可知：當電站裝機容量為N=1260kW時，年利用小時t=4500h，在要求的t=4000-6000h范圍內(nèi)，多年平均年發(fā)電量為E=567×104kWh。

4 擴機增容改造的可行性

4.1 得天獨厚的地理條件及資源優(yōu)勢

由于該水電站地處鎮(zhèn)安縣新城區(qū)，曾是鎮(zhèn)安縣第一批農(nóng)村初級電氣化試點縣和第四批農(nóng)村電氣化縣的骨干電源電站及“十一五”鎮(zhèn)安縣全國農(nóng)村水電縣建設的骨干電源電站。因此，極有必要對該電站進行重點技術(shù)改造，增加引用流量、擴大發(fā)電裝機。

該水電站建造于上世紀七十年代，由于受當時的經(jīng)濟和技術(shù)條件限制，水資源利用不充分，裝機小，又是單機，造成河流水資源長期得不到充分利用。利用棗園水電站4.5m3/s退水流量，長度3.6km長的安全高效引水隧洞，以及23m的凈水頭，可以保證優(yōu)越的資源條件，使裝機增容改造十分可行。

該水電站現(xiàn)引水渠道總長為7.2km，全部為明渠，渠道過長，且為土渠或未作防滲處理的石渠，既引水未達到設計流量，又滲漏嚴重。新的設計方案將7.2km明渠，全部改為3.6km的隧洞，將引水渠道長度減少一半。渠線短，且為直線隧洞，可極大的改變引水條件。發(fā)電引水隧洞具有引水安全，滲漏少，引水流量高，可大大的提高渠水利用系數(shù)。

根據(jù)勘測資料顯示，該水電站新建引水隧洞，軸線所經(jīng)地段地質(zhì)較好，為灰色石灰?guī)r，巖石較完整，無斷裂帶，無不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)，施工條件好。工程建成后可保證運行安全，滲漏少，人為干擾少，具有增加裝機提高發(fā)電量的優(yōu)越條件。

因該工程地處乾佑河沿線的永樂鎮(zhèn)和回龍鎮(zhèn)，該兩鎮(zhèn)又是縣經(jīng)濟及工業(yè)發(fā)展中心，地處西康鐵路、西康高速公路沿線，交通方便，隧洞施工中的石碴，可就近加工為砼骨料出售，變廢為寶，既可保護環(huán)境，又可實現(xiàn)較可觀的經(jīng)濟收入，大大降低工程造價。

4.2 擴大引水流量，增加裝機容量，技術(shù)上的可行性

漁洞峽電站改造方案中，采用引水隧洞后，引水渠長度為3.6km，比原渠道長度縮短一半，符合中華人民共和國電力行業(yè)標準DU/T5195—2004《水工隧洞設計規(guī)范》要求。同時，可將原1×500kW裝機，改造后設計為2×630kW裝機，增加裝機760kW，年增加發(fā)電量342萬kWh，可增加發(fā)電經(jīng)濟效益102.6萬元。年總發(fā)電量為567×104kWh，這是增容擴機改造前年發(fā)電量的2.1倍，因此，電費收入是增容擴機改造前的2.1倍。該電站年電費收入170萬元，加上優(yōu)越的地理條件和電能資源優(yōu)勢，從事其他多種經(jīng)營收入，年總收入可達270萬元，經(jīng)濟效益十分看好。

4.3 部分水工建筑物的更新改造方案

該水電站現(xiàn)前池容積較小，只有30M3，且不符合中華人民共和國行業(yè)標準《水電站引水渠道及前池設計規(guī)范》SL/T205—97的4.1.4的要求，需擴建改造，增加容積，特別是引水渠道與壓力前池的連接段，在平面上應兩邊對稱擴展，其擴展角應為12°以內(nèi)，改變現(xiàn)前池與渠道連接不合格段。

4.4 裝機容量的確定

根據(jù)乾佑河青泥灣水文站水文實測資料分析。該河口常流量為4.9m3/s，枯水流量為3.5 m3/s。又根據(jù)本水電站下游5km處的長哨水電站，引水流量為8m3/s，且已運行21年，裝機千瓦年利用小時己達4500小時以上，機組引水發(fā)電流量運行正常，符合設計要求。上游棗園水電站引水流量4.5m3/s，且該水電站己運行29年，裝機千瓦年利用小時己達4600小時以上。依據(jù)該河流梯級運行水電站裝機容量的實際，應用該流域青泥灣水文站水文條件分析計算結(jié)果，漁洞峽水電站直采用2×630千瓦裝機是合理的、可行的。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

根據(jù)中華人民共和國國國家標準《小型水力發(fā)電站設計規(guī)范》GB50071-2002，結(jié)合目前當?shù)亟ㄖ牧鲜袌鰞r格估算可知，改造后單位千瓦投資1.05萬元，總投資1200萬元，年運行收入170萬元，加上其他多種經(jīng)營收入，年經(jīng)濟收入在270萬元以上。7年就可以收回全部投資，效益十分可觀。與該縣其它己建成的水電站投資相比較，是裝機投資最少、投資回收年限最短的水電站。

5.2 社會效益

因該水電站引水明渠沿線人口多、地方農(nóng)村建設工程多，不但減少了對沿線地方群眾生產(chǎn)生活的影響，并將引水明渠改為隧洞，將給沿線居民營造安全生存環(huán)境，也有助于沿線農(nóng)村經(jīng)濟的快速發(fā)展。

6 結(jié)語

漁洞峽水電站是鎮(zhèn)安縣全國笫－批農(nóng)村電氣化縣骨干電源工程，為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展作出了重要貢獻。 由于該電站有著得天獨厚的地理條件和增容擴機的資源優(yōu)勢，增容擴機技術(shù)上不但可行，而且經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。由于當?shù)亟?jīng)濟高速發(fā)展對電力需求每年以12%的速度增長，工程建設資金也已落實,開工建設各方面條件已具備，建議盡快開工修建。

[1]李國慶，《水力學》[M].北京：中央廣播電視大學出版社，2001.

[2]畢繩武，《商洛地區(qū)實用水文手冊》，1986.

[3]陳徳新，《水輪機.水泵及輔助設備》[M].北京：中央廣播電視大學出版社，2000.