飛仙關(guān)水電站峽口拓寬優(yōu)化設(shè)計

尹 坤，陳應(yīng)球，邵 堃，劉本銀

（華能西藏發(fā)電有限公司，拉薩 850000）

1 優(yōu)化設(shè)計的提出

飛仙關(guān)水電站工程位于雅安市蘆山縣飛仙關(guān)鎮(zhèn)，為青衣江干流梯級開發(fā)的第一級，下一級為已建雨城電站。壩址距下游飛仙關(guān)峽口約150m，電站設(shè)計正常蓄水位623m，正常尾水位598m，下游校核洪水位627m。

飛仙關(guān)電站下一梯級電站雨城電站正常蓄水位為598m，回水至峽口下游與飛仙關(guān)電站尾水銜接。通過枯水時段的現(xiàn)場觀察（即時流量約150m3／s），峽口處河道最窄處枯水期河面僅約15m，較上、下河道有非常明顯的縮窄，峽口上、下游水流相對平緩，峽口處天然河道水流流速則較大，有明顯的跌落，峽口“阻流頂水”現(xiàn)象較明顯。由于該峽谷河段的節(jié)制作用，使得飛仙關(guān)水電站尾水位有所壅高，且造成尾水洪、枯水位變幅近30m（P=0.2%的校核洪水位與設(shè)計尾水位水位差），對行洪和發(fā)電較為不利。因此，有必要對飛仙關(guān)峽口進行河道拓寬疏浚，擴大峽口處的過流面積，特別是拓寬小流量情況下的過水面積，降低壩下水位，增大發(fā)電水頭，增加裝機容量和發(fā)電量，同時有利于河道行洪，最終達到“挖潛增效”的目的。

2 峽口擴寬開挖方案的設(shè)計

峽口拓寬開挖方案的設(shè)計主要考慮拓寬峽口河床后盡可能減少峽口“阻流頂水”，增加枯水期峽口過流斷面，降低河道水流流速。根據(jù)峽口位置地形，擬定的開挖方案為：在不影響高漫灘臺地以上高邊坡穩(wěn)定和下游G318的情況下，盡可能地拓寬河床，開挖底高程按河床深溝段高程確定，以最大限度地增加小流量時的過流斷面，對開挖后坡面采取適當(dāng)?shù)闹ёo措施。

具體實施方案如下：峽口拓寬整治位于左岸，順?biāo)飨蜷_挖長度約為370m，開挖底高程約為593m，拓寬峽口河道10～35m，開挖坡比采用1：0.75，開口線距陡巖為3～10m。

3 峽口拓寬后水位流量關(guān)系曲線的對比

根據(jù)擬定的峽口拓寬斷面資料，參考不同設(shè)計階段所測量的同時水邊線資料，利用雨城電站回水計算成果，并結(jié)合峽口河段的實際糙率，采用水力學(xué)公式計算，重點進行合理性分析。最終確定峽口拓寬后的飛仙關(guān)水電站壩下100m水位流量關(guān)系曲線，與拓寬前的水位流量關(guān)系曲線對比見圖1。

圖1 峽口拓寬前后壩下100m水位流量關(guān)系曲線對比圖

從圖1可以看出，在各級流量下，峽口拓寬后，壩下水位均有不同程度的降低。在正常發(fā)電流量情況下，水位降低約50cm；在下游校核流量情況下，水位降低約3.8m，峽口拓寬整治對發(fā)電和行洪的影響比較顯著。

4 水庫動能分析

4.1 邊界條件及計算結(jié)果

原可研階段設(shè)計的飛仙關(guān)水電站裝機容量為100MW，水電站單獨運行時裝機年利用小時數(shù)為4 524h。根據(jù)峽口拓寬重新計算的壩下100 m水位流量關(guān)系曲線，初擬以下3個方案進行徑流調(diào)節(jié)計算。

1）維持原裝機容量不變，計算動能指標(biāo)。

2）基本維持原裝機年利用小時數(shù)，確定裝機容量及其他動能指標(biāo)。

3）根據(jù)四川現(xiàn)有同類型水電站裝機年利用小時數(shù)，同時考慮到主機廠家已完成部分設(shè)計和設(shè)備下料，在不影響主機制造進度和保證現(xiàn)場施工進度前提下，水輪機流道尺寸不變，確定裝機容量及其他動能指標(biāo)。

在其他計算基本資料（徑流資料及設(shè)計代表年選擇、庫容曲線、水頭損失、綜合用水，壩前設(shè)計水位、電站運行方式、設(shè)計水平年和設(shè)計保證率）都保持不變的情況下，對以上3種方案進行徑流調(diào)節(jié)計算結(jié)果對比見表1。

表1 飛仙關(guān)水電站各裝機容量動能經(jīng)濟指標(biāo)表

4.2 計算結(jié)果分析

從能量指標(biāo)看，由于下游水位流量關(guān)系曲線的變化，方案一至方案三均較原可研的年發(fā)電量有所增加，且枯期電量增加約270萬kWh；隨著裝機容量的加大，方案一至方案三的多年平均發(fā)電量隨之增大。

從技術(shù)經(jīng)濟角度出發(fā)，通過拓寬峽口、疏浚河道，從而降低下游水位總的來說是經(jīng)濟的，適當(dāng)增大裝機是有利的。

5 裝機容量調(diào)整及廠房結(jié)構(gòu)變化

由于峽口拓寬整治后，壩下水位有所降低，機組工作水頭相應(yīng)發(fā)生變化，考慮到水輪發(fā)電機組已經(jīng)訂貨，機組的設(shè)計已進行到具體的部件加工圖階段，已完成部分水輪機埋入部件制作或鑄件木模制作的實際情況。所以最終確定的優(yōu)化設(shè)計方案為：在機組流道尺寸不變、不影響廠家生產(chǎn)制作和供貨以保證現(xiàn)場施工進度的前提下，通過機組設(shè)計優(yōu)化，單機裝機容量由50MW提高到了53MW。

電站單機裝機容量由50MW提高到了53MW，水輪機槳葉安裝高程調(diào)整為592.00m，較原設(shè)計降低1.5m，廠房除整體下降1.5m外，廠房結(jié)構(gòu)基本沒發(fā)生變化。對應(yīng)于安裝高程的降低，廠房的建基高程降低1.5m，尾水渠底高程降低0.5m，石方開挖和砼工程量相應(yīng)增大。

6 機電及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整

在峽口河道拓寬整治后，電站額定水頭由20.0m提高到20.7m，在保持水輪機轉(zhuǎn)輪直徑6.2m不變的情況下，使水輪機在高效區(qū)安全穩(wěn)定運行。通過反復(fù)計算，機組在額定水頭20.7m的情況可發(fā)出的出力為53MW。根據(jù)廠家提供的轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線進行分析：當(dāng)額定水頭由20.0m提高到20.7m，單機裝機容量由50MW提高到53MW時，水輪機額定工況點效率增加，能量指標(biāo)更好，穩(wěn)定運行區(qū)域也更優(yōu)，但空蝕系數(shù)增加，機組安裝高程需降低。與原方案比較，主廠房除整體下降1.5m外，長、寬尺寸均沒有發(fā)生變化。

電站裝機單機容量增加3MW后，發(fā)電機因容量增加導(dǎo)致總重比原方案增加24t，其余設(shè)備如調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備、橋機等均與原方案相同。上游正常水位未變，尾水位有所降低，主廠房流道尺寸、閘門孔口尺寸未變，僅安裝高程降低了1.5m，閘門及埋件的設(shè)計基本無變化。

發(fā)電機額定電流由3 234A增加為3 429A，使得發(fā)電機出口及中性點電流互感器額定電流由4 000A增加為5 000A；連接發(fā)電機出口與主變壓器低壓側(cè)的共箱母線額定電流由4 000A增加為4 500A；10kV高壓開關(guān)柜內(nèi)電流互感器額定電流由4 000A增加為5 000A，主變壓器額定容量未變，仍為63MVA，220kV設(shè)備參數(shù)未受影響。

繼電保護、測量及自動裝置系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)；220V直流電源系統(tǒng)及UPS系統(tǒng)、全廠公用設(shè)備的控制系統(tǒng)、機組輔助設(shè)備的控制系統(tǒng)等硬件配置基本不變，對電氣一次設(shè)備變化影響較小。

7 投資估算

根據(jù)2011年三季度價格水平，參照原可研階段概算編制其他相關(guān)邊界條件，計算本次優(yōu)化設(shè)計方案需增加的工程靜態(tài)總投資為1440萬元。

電站裝機容量增加6MW后，較原設(shè)計方案相對投資增加1440萬元，電站單獨運行及聯(lián)合運行的年發(fā)電量、枯期發(fā)電量都有明顯增加，補充單位千瓦投資為2400元，聯(lián)合運行補充單位電能投資為0.914元，補充單位千瓦投資和補充單位電能投資均較低。

8 結(jié)語

飛仙關(guān)水電站通過峽口拓寬優(yōu)化設(shè)計，起到了挖潛增效的效果，經(jīng)濟效益明顯。峽口拓寬后壩下水位降低，增加了大壩汛期泄洪能力，有利于防洪，同時降低了壩前設(shè)計及校核洪水位，增大了壩體安全系數(shù)。

此次優(yōu)化設(shè)計存在的不足在于啟動時間較晚，主廠房及安裝間整體下沉1.5m后，對正在施工的廠房壩段爆破開挖造成了一定的影響，二次開挖增加了投資。如果該優(yōu)化設(shè)計能在可研階段完成，由于下游洪水位的降低，大壩過流能力增加，壩前校核洪水位隨之降低，后續(xù)可開展降低壩頂高程、降低廠房下游防洪墻高度等設(shè)計優(yōu)化項目，能取得降低工程總體投資，加快施工進度的更好的效果。

［1］ 楊建東.某水電站出線門形架結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011（04）：78-79+82.

［2］ 詹建美.回龍水電站施工導(dǎo)流圍堰設(shè)計與施工［J］.山西建筑，2009（01）：45-48.