生態(tài)流量水電站水輪發(fā)電機組選型中應(yīng)注意的幾個問題

施 彬，牛文彬，田 迅

（1.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120）

0 前言

根據(jù) 《中華人民共和國水法》、《水利水電建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則》等國家法律法規(guī)的要求，水電建設(shè)項目不能破壞原有的生態(tài)環(huán)境，對環(huán)境有影響的項目必須泄放一定的流量來滿足減水河流的生態(tài)、生活、生產(chǎn)用水。國家環(huán)境保護總局還要求：“對河流有斷流影響的電站，為保護水庫運行期壩后減水河段的生態(tài)環(huán)境，電站必須下泄足夠的生態(tài)流量，滿足不小于壩址處多年平均流量10%的生態(tài)流量?！睘樘岣咚狗派鷳B(tài)流量的利用率，充分利用下泄生態(tài)流量的動能，建設(shè)單位一般都設(shè)置生態(tài)小機組，在發(fā)揮其社會效益的同時再實現(xiàn)其經(jīng)濟效益。

1 關(guān)于生態(tài)流量及其保證率

1.1 生態(tài)流量的取值

根據(jù)國家相關(guān)法規(guī)，要求電站下泄的生態(tài)流量應(yīng)滿足減水河段工業(yè)、生活、生態(tài)等綜合用水要求，一般按壩址多年平均流量的10%考慮，但根據(jù)不同的情況也有一定的差異。

（1）對從水電站大壩至主體電站廠房尾水出口的天然河道被截斷的引水式電站，為了維護原河道的生態(tài)環(huán)境，下泄流量一般按不小于壩址處多年平均流量的10%考慮，如：卡基娃水電站（壩址處多年平均流量為101 m3/s，最小下泄的生態(tài)流量為10.1 m3/s）、黃金坪水電站（壩址處多年平均流量為841 m3/s，在黃金坪～瀘定水電站庫尾段常年維持景觀生態(tài)流量應(yīng)不低于84 m3/s）等。

（2）對從水電站大壩至主體電站廠房尾水出口的天然河道被截斷，且被截斷河道還有支流匯入的引水式電站，根據(jù) 《水利水電建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則》的規(guī)定，經(jīng)實地調(diào)查和專題論證后，最小下泄流量不需嚴格按壩址處多年平均流量的10%考慮，可適當(dāng)放寬。

（3）對修建在大江大河上的河床式水電站，應(yīng)詳細分析水文情勢的時空變化過程，全面調(diào)查和分析對河流綜合用水的影響，提出滿足生活、生產(chǎn)、生態(tài)要求的河流生態(tài)水量。以老木孔航電樞紐的涌斯江水電站為例，老木孔航電樞紐壩址處多年平均流量2 470 m3/s，老木孔庫區(qū)內(nèi)防洪堤的修建將阻隔沿線岔河涌斯江的來水通道，從維護涌斯江基本的生態(tài)和景觀功能，并滿足沿江的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水需求出發(fā)，經(jīng)初步分析全年下泄為102 m3/s的生態(tài)流量，其中魚道需要12 m3/s的流量，另外90 m3/s的流量通過涌斯江水電站生態(tài)機組泄放。

1.2 生態(tài)流量的保證率

生態(tài)流量水電站在設(shè)計時，生態(tài)流量保證率應(yīng)按100%考慮，即無論什么時候、什么工況，采取什么方式，均應(yīng)保證能實現(xiàn)生態(tài)流量的下泄。所以，即使修建了生態(tài)電站，當(dāng)水輪發(fā)電機組不能發(fā)電泄水時，也應(yīng)考慮后備的泄水措施。

2 生態(tài)流量水電站裝機容量及機組臺數(shù)擬定

2.1 生態(tài)流量水電站裝機容量

生態(tài)流量水電站裝機容量的確定與常規(guī)電站裝機容量的確定不同，常規(guī)電站裝機容量選擇主要取決于兩個方面的因素，一是河川徑流大小及其分配特性，水庫調(diào)節(jié)性能，水電站利用水頭等特征；二是水電站的供電范圍、電力系統(tǒng)負荷發(fā)展規(guī)模及其各項負荷特性指標。而對生態(tài)流量水電站來說，設(shè)置該電站的目的是為了充分利用減水河段的放水進行發(fā)電，因此生態(tài)電站的裝機容量應(yīng)按照滿足最小下泄流量的容量設(shè)置即可。

我們知道，電站的裝機容量N=gQHη，式中，g、Q、H、η分別為電站機組安裝所在地的重力加速度、電站發(fā)電引用流量、水輪機運行水頭以及水輪發(fā)電機組的效率。

可以看出，g和η基本變化不大，一旦生態(tài)流量Q和水輪機運行水頭H確定后，電站的裝機容量就基本確定了。對于生態(tài)流量水電站，電站的裝機容量應(yīng)按水輪機最大運行水頭考慮。

2.2 生態(tài)流量水電站機組臺數(shù)的選定

生態(tài)電站的機組臺數(shù)的選擇，筆者認為可分為兩種情況來考慮。

（1）對于生態(tài)流量不大，電站運行水頭變幅較小，電站就設(shè)置在大壩附近且在大壩處有泄水閘門的生態(tài)流量水電站，可按最少的機組臺數(shù)1臺選取，如楞古生態(tài)電站、老木孔生態(tài)電站等。

（2）對于需下泄的生態(tài)流量較大、考慮機組運行靈活性不高，電站運行水頭變幅較大、或臥式機組單機容量受限的生態(tài)電站，機組臺數(shù)可按2臺選取，單機流量為生態(tài)流量的1/2，如黃金坪、毛爾蓋（考慮了兩個轉(zhuǎn)輪，以適應(yīng)不同水頭段）、卡基娃生態(tài)流量水電站等。但應(yīng)注意，當(dāng)機組檢修停機運行時，仍應(yīng)有其他下泄放水措施。

3 額定水頭與水輪機轉(zhuǎn)輪直徑的選擇

對于生態(tài)流量水電站來說，水輪機在電站整個水頭運行范圍內(nèi)都要保證幾乎恒定的下泄生態(tài)流量，機組運行范圍較為特別，那么在水輪機參數(shù)選擇時，更應(yīng)關(guān)注流量的保證值，對電站的整個運行水頭范圍進行流量核算。由此可見，額定水頭在生態(tài)電站水輪機選擇中的意義并不大，若一定要象常規(guī)水電站水輪機選擇中那樣考慮設(shè)額定水頭，筆者認為可以由水機專業(yè)設(shè)計人員根據(jù)電站運行水頭變幅大小來擬定。

（1）對水頭變幅較小的生態(tài)電站，可以電站加權(quán)平均水頭的90%～95%作為額定水頭來選擇水輪機的轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速，并復(fù)核最大水頭和最小水頭時的流量是否滿足生態(tài)流量要求。如果最大、最小水頭時的下泄流量不滿足要求，可適當(dāng)加大導(dǎo)葉開度（一般宜控制在10%以內(nèi)，且對應(yīng)的Q1'不宜超過出力限制線），以滿足最小下泄流量的要求。由于生態(tài)機組要求水輪機在任何工況下運行，過流量均保持恒定，且基本不停機。因此，對生態(tài)機組水輪機參數(shù)的選擇更應(yīng)該重視水輪機的穩(wěn)定性和優(yōu)越的能量指標，盡量使選擇的水輪機參數(shù)處于最優(yōu)效率區(qū)。

（2）對運行水頭變幅較大的生態(tài)流量水電站（即按上述方法無法解決的機組），可以有以下兩種解決方式：①從發(fā)電效益角度出發(fā)，可按高水頭段和低水頭段分別選擇兩個轉(zhuǎn)輪，分別運行；從節(jié)約投資角度出發(fā)，則可按水頭出現(xiàn)頻率高的水頭段來選擇轉(zhuǎn)輪參數(shù)，對出現(xiàn)幾率小且超過轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定運行區(qū)的水頭段，限制水輪機的運行工況，靠其他泄水方式下泄所需的生態(tài)流量。②按擬定的生態(tài)流量、最小水頭時的水輪機出力、最小水頭，計算選擇水輪機轉(zhuǎn)輪直徑D1；再按選定的水輪機轉(zhuǎn)輪直徑D1、生態(tài)流量、最大水頭，計算確定發(fā)電機容量。

4 發(fā)電機容量的選擇

常規(guī)電站的水輪發(fā)電機額定容量是由水輪機額定功率乘發(fā)電機效率確定的，但對生態(tài)流量水電站來說，如前所述，機組發(fā)電機容量則應(yīng)是在最大水頭時，滿足生態(tài)流量的水輪機輸出功率，即滿足水輪機最大出力的容量。

5 實例分析

5.1 卡基娃生態(tài)流量水電站

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上，是該河段梯級開發(fā)的 “控制性水庫”工程，水庫具有年調(diào)節(jié)能力，電站采用混合開發(fā)方式，引水隧洞長約6.36 km。為了保護從壩址到廠房尾水的天然河道生態(tài)環(huán)境，需要在卡基娃水電站壩址附近利用發(fā)電引水隧洞的施工支洞引水道常年下泄不小于10.1 m3/s的生態(tài)流量。為充分利用下泄生態(tài)流量的動能，于壩軸線下游約850 m的木里河右岸設(shè)卡基娃生態(tài)流量小電站，電站裝機容量為12.4 MW。

卡基娃生態(tài)流量小電站若裝1臺機，雖然機電及土建投資省，但機組檢修時機組斷流時，必須另外設(shè)置1個生態(tài)放水閥或閘門才能達到泄放生態(tài)流量的目的，工程相對復(fù)雜。如果采用裝2臺機方案，雖然比前一種方案工程投資稍高，但電站運行靈活，且更能保證生態(tài)流量的下泄。故卡基娃生態(tài)電站選擇裝機臺數(shù)為2臺的方案。

該電站最大水頭148.2 m，最小水頭90.9 m，加權(quán)平均水頭126.6 m，額定水頭91 m，電站引用流量即為最小下泄流量10.1 m3/s。根據(jù)以上基本動能資料分析，電站最大最小水頭比為1.63，變幅較大，在全部水頭運行范圍，單機出力范圍為3.75～6.2 MW，運行范圍變幅也較大。為了使機組能安全、穩(wěn)定運行，在保證下泄流量的基礎(chǔ)上采用了用最小水頭參數(shù)選擇水輪機轉(zhuǎn)輪直徑、用最大水頭參數(shù)選擇發(fā)電機容量的方法，選擇卡基娃生態(tài)電站的機主要參數(shù)：水輪機轉(zhuǎn)輪直徑1.0 m，額定流量5.15 m3/s，發(fā)電機額定功率6.2 MW，發(fā)電機結(jié)構(gòu)形式為臥式結(jié)構(gòu)。

5.2 涌斯江水電站

老木孔航電樞紐工程位于岷江干流樂山市境內(nèi)，是岷江（樂山～宜賓）干流航電梯級開發(fā)中的第一級。涌斯江為岷江的左支汊河，從牛華鎮(zhèn)塘葉壩分流，經(jīng)竹根灘左側(cè)，于四望關(guān)與茫溪河匯合后至下游和尚垴注入岷江干流。老木孔庫區(qū)內(nèi)防洪堤的修建將截斷涌斯江的來水通道，從維護涌斯江基本的生態(tài)和景觀功能，并滿足沿江的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水需求出發(fā)，需在塘葉壩分流處常年下泄生態(tài)流量，經(jīng)初步分析全年需下泄102 m3/s的生態(tài)流量，其中魚道需要12 m3/s，另外90 m3/s的流量通過電站泄放。故在涌澌江河口設(shè)涌斯江生態(tài)流量小電站。

經(jīng)計算，涌斯江電站最大水頭時水輪機出力約為5.7 MW，最小水頭時水輪機出力約為4.0 MW，該電站裝機臺數(shù)可以考慮1臺或2臺。設(shè)置涌斯江生態(tài)流量電站的目的主要有兩個方面的作用，一是充分利用下泄生態(tài)流量發(fā)電；二是當(dāng)庫區(qū)洪水未超過20年一遇時，開閘泄洪，減輕庫區(qū)回水對上游的影響，起到部分分洪的作用。由于涌斯江電站裝機容量小，且電站樞紐主要建筑物還有5孔泄洪沖沙閘、魚道等。因此即使電站的機組檢修時停機斷流，還可以從泄洪沖砂閘下泄生態(tài)流量，以滿足河道保持生態(tài)的流量要求。故涌斯江生態(tài)電站采用1臺機方案。

該電站最大水頭7.0 m，最小水頭5 m，加權(quán)平均水頭6.73 m，額定水頭5 m。在滿足環(huán)保流量90 m3/s的前提下，對全部運行水頭范圍內(nèi)各特征水頭進行計算，該生態(tài)機組的參數(shù)選擇應(yīng)以水輪機最小水頭5 m時的出力4.0 MW，計算出水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為3.6 m；水輪機的容量按最大水頭7 m時的出力5.4 MW計。涌斯江生態(tài)電站的機組主要參數(shù)：水輪機轉(zhuǎn)輪直徑3.6 m，額定流量90 m3/s，發(fā)電機額定功率5.4 MW，水輪發(fā)電機組為燈泡貫流式。

5.3 毛兒蓋生態(tài)電站

毛兒蓋水電站位于四川省黑水縣～茂縣黑水河流域，水庫壩址位于河口下游1.2 km，是黑水河中游的 “龍頭水庫”，水庫具有年調(diào)節(jié)能力，電站采用混合開發(fā)方式，引水隧洞長約16.15 km。根據(jù)國家環(huán)境保護總局對該電站環(huán)境影響報告書的批復(fù)，為保護水庫運行期壩后減水河段的生態(tài)環(huán)境，電站必須下泄不小于5.2 m3/s的生態(tài)流量。為充分利用下泄生態(tài)流量的動能，設(shè)置生態(tài)小機組，電站裝機容量為5MW。該電站最大水頭133.68m，最小水頭63.68 m，加權(quán)平均水頭116.29 m，額定水頭115.0 m，電站引用流量即為最小下泄流量5.2 m3/s。根據(jù)以上基本動能資料分析，電站最大最小水頭之比為2.09，最大水頭與額定水頭之比1.162，變幅很大，在全部水頭運行范圍，單機出力范圍為2.688～5.644 MW，運行范圍變幅也很大。一個機組在如此寬廣的運行區(qū)間內(nèi)能否安全、穩(wěn)定運行，需要非常謹慎地考慮水輪機參數(shù)的選擇。根據(jù)機組水頭運行的特點可以考慮兩種參數(shù)選擇方案。

（1）根據(jù)水庫水位變化的特點，1月中旬到7月中旬，水頭變化范圍為63.68～102.0 m，7月中旬到次年1月中旬，水頭變化范圍為102.0～133.68 m。按照這兩種不同的電站水頭運行規(guī)律分別選適合該水頭段的轉(zhuǎn)輪，并將其中一個轉(zhuǎn)輪的進行特殊結(jié)構(gòu)處理，使得兩個轉(zhuǎn)輪可以在同一蝸殼中安全穩(wěn)定運行。每年定期更換轉(zhuǎn)輪，更換轉(zhuǎn)輪同時更換尾水管。這樣兩個轉(zhuǎn)輪都在各自最優(yōu)區(qū)運行，綜合效率較高，轉(zhuǎn)輪的運行情況也比較理想。

（2）選擇1個運行范圍比較寬的轉(zhuǎn)輪，然后對超過其穩(wěn)定運行范圍的工況限制運行。根據(jù)此思路，根據(jù)毛兒蓋水庫水位變化特點，每年運行水頭低于72 m的時間只有4月中旬到5月中旬1個月。而毛兒蓋生態(tài)電站選擇的轉(zhuǎn)輪在72 m水頭以下的運行區(qū)域，效率較低，還將產(chǎn)生脫流而引起振動、噪音、空蝕，水頭越低越嚴重，對機組運行非常不利，因此建議在72 m水頭以下不宜開機。