中小型水庫壩后電站底孔放水發(fā)電模式分析

程震濱

（湖南省衡陽市城市防洪管理處，湖南 衡陽 421001）

一、概 況

衡陽市位于湖南省中南部，湘江中游。全市有中小型水庫211座，中型水庫28座，?。á瘢┬退畮?83座。全市中小型水庫有125座建有壩后電站，其中裝機較大的小型電站建設(shè)有取水塔，該類型電站有35處，總裝機為15.5MW，多年平均發(fā)電量為1360萬kW?h。

衡陽縣城坪沖水庫為漿砌石重力壩，最大壩高57.6m，興利庫容1710萬m3，是一個以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水利樞紐工程。壩后左、右分別設(shè)置電站一座，總裝機1000kW（2×250kW+2×250kW），多年平均發(fā)電量100萬多kW?h，年利用小時800h。水庫在大壩左右分別設(shè)置一座封閉式取水塔，作為灌溉與發(fā)電的進口建筑物，分四個不同高程取水口，見圖1。

該電站自1978建成投產(chǎn)至2004年，灌溉發(fā)電均從放水塔表層取水。2005年提出采用底孔放水發(fā)電后，電站利用底孔放水發(fā)電。下面就以表層取水與底孔取水對發(fā)電效益影響進行分析。

圖1 放水塔示意圖

二、底孔放水發(fā)電電能增加分析

1.底孔放水灌溉分析

城坪沖水庫表層取水的目的是為了滿足農(nóng)作物對灌溉用水水溫的要求，實際通過農(nóng)作物的生長來看，水庫地處亞熱帶，直接取底層水灌溉并發(fā)電也能滿足水溫要求，衡陽市有多處中小型水庫直接利用底孔灌溉。

各種農(nóng)作物在不同的生長期所需要的溫度是不同的。按照衡陽市灌溉情況，早稻種子發(fā)芽期及幼苗期雨水比較充沛，這一期間一般不需要水庫放水灌溉；早稻插秧期一般在每年4月底至5月初，這期間也多為陰雨天氣，氣溫偏低，宜用水庫表層水灌溉，但其灌溉用水量較少，不超過水稻灌溉定額的15%；以后隨著氣溫的升高，水稻的整個生長過程均可用底層水灌溉。

分析可知，從灌溉角度來看，對于分層取水的水庫，大部分時間可采用底孔放水灌溉發(fā)電。

2.底孔放水發(fā)電增加效益分析

從放水塔底孔取水發(fā)電，可以減少水頭損失。從圖1中可知，不論從放水塔上面三個進水孔中的哪一個取水，水流都會比用底孔取水多經(jīng)過兩個90°直彎管，增加兩個等徑三通局部損失，并增加了部分沿程損失，總的新增水頭損失為二者之和，如下式：

式中：

hw—水頭損失（m）；

Σhj—局部水頭損失（m）；

Σhf—沿程水頭損失（m）；

Q—發(fā)電流量（m3/s）；

ξ—局部水頭損失系數(shù)，直角彎頭?。?.99；

d—放水塔內(nèi)徑，1.1m；

λ—沿程水頭損失系數(shù)，由雷諾數(shù)Re與相對粗糙度Δ/d確定為0.018，具體分析如下：

分別以水溫5℃與20℃，流量為0.55m3/s與5.18m3/s計算雷諾數(shù)Re。

Re=vd/n=Qd/An=4Q/πnd

ν—流體運動粘性系數(shù)，5℃與20℃分別為1.549×10-6m2/s、1.01×10-6m2/s，計算得雷諾數(shù)Re為4×105～6.3×106

Δ/d—管內(nèi)壁相對粗糙度，式中Δ為壁面當(dāng)量粗糙度，按鋼筋砼考慮，施工較良好，其值取0.7mm，則Δ/d為0.0006。

由雷諾數(shù)Re與相對粗糙度Δ/d，查穆迪圖或采用齊恩公式計算可知，λ為0.018。

l—增加的管道長度，取平均值15m。

將以上ξ、d、λ、l的值代入式（1）整理得：底孔取水發(fā)電時，則相應(yīng)增加出力：w

底孔取水發(fā)電時，則相應(yīng)增加電能：（其中W為發(fā)電水量）

（其中7.5為出力系數(shù)）

由式（4）可知，流量越大，開機臺數(shù)越多，電能的增加越大，出力增量與過水流量的三次方成正比，當(dāng)水量一定時，電能的增加與流量的二次方成正比。根據(jù)衡陽縣城坪沖水庫多年運行情況來看，多年平均發(fā)電用水量1550萬m3，發(fā)電多年平均流量為2.62m3/s，則在原有發(fā)電水量的情況下，平均年增加電能為：

由于電站現(xiàn)有裝機可知，水輪機最高利用水頭為40.6m，最低利用水頭為8m，電站利用表層取水時，發(fā)電最低水位為176.5m。在實際運行過程中，當(dāng)水庫放水水位達到175m后，水庫按設(shè)計灌溉流量5.18m3/s放水，則相應(yīng)可節(jié)約水頭：

查城坪沖水庫水位—庫容曲線，可知水庫176.5m～175.8m之間水量為24萬m3，則按設(shè)計灌溉流量5.18m3/s放水可發(fā)電時數(shù)為24×104/(5.18×3600)=13h。

由此可知，當(dāng)采用底孔放水時，其發(fā)電量底水位可以從176.5m降至175.8m，其電站按5.18m3/s發(fā)電可多運行13h。則可新增電能為：

(水頭為8m)

則采用底孔放水較表層取水，平均每年可新增電能為：

ΔE=ΔE1+ΔE2=5615+4040=0.97(萬kW?h)

兩項新增電能約為該電站多年平均電能1%。

三、驗證及前景展望

在實際過程中，對上述底孔放水進行了驗證。2005年城坪沖水庫壩后電站管理人員在上游水位為190m時，分別利用表孔184m與底孔161m(左岸)、166m（右岸）放水發(fā)電2h，四臺機組同時發(fā)電，調(diào)整流量至機組1000kW額定發(fā)電，表孔放水觀測平均流量為4.17m3/s，底孔放水平均流量為4.09m3/s，則產(chǎn)生相同的電能下，底孔放水較表孔放水節(jié)約水量為1.92%，在同等流量下則相當(dāng)于增加電能1.92%，即相當(dāng)于新增出力19kW，經(jīng)理論計算當(dāng)?shù)卓装l(fā)電流量為4.17m3/s，增加出力為14kW（0.19×4.173kW)，可見實際與理論計算偏差不大。

由以上介紹可知，衡陽市利用分層取水塔取水的壩后電站共裝機15.5MW，多年平均發(fā)電量達1360萬kW?h，如所有電站均采用底孔放水，增加電能統(tǒng)一按1%計算，則整個衡陽市利用底孔放水發(fā)電的中小型水庫壩后電站可增加電能136萬kW?h，小型電站上網(wǎng)電價按0.3元計算，則每年可產(chǎn)生40.8萬元效益。

【1】《水力計算手冊》.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室.李煒主編.

【2】《湖南省衡陽市中型水庫工程水文資料匯編》.湖南省防汛防旱指揮部辦公室.湖南省衡陽市水利水電局編.