半坑水電站的生態(tài)改造

董鼎華

(重慶交通大學(xué)，重慶市 400060)

1 概 述

半坑水電站位于浙江省天臺(tái)縣平橋鎮(zhèn)半坑水庫(kù)下游,屬于烏巖溪，距天臺(tái)縣城25 km,于1972年開工興建,1980年機(jī)組陸續(xù)投產(chǎn)運(yùn)行。半坑水電站是通過半坑水庫(kù)蓄水，采用放水隧洞和壓力鋼管引上游水庫(kù)蓄水來發(fā)電的引水式電站。該水電站現(xiàn)有水輪發(fā)電機(jī)組1臺(tái),總裝機(jī)容量為160 kW，水輪機(jī)型號(hào)為XJ02—W—42/1×10，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFW160—8/740。電站原有機(jī)組近3 a平均實(shí)際年發(fā)電量為35萬kW·h，電送入平橋鎮(zhèn)變電所。

半坑水電站屬于引水式電站，根據(jù)《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分和洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)、《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014),其工程等別為Ⅴ等，相應(yīng)水工建筑物級(jí)別為5級(jí)(含取水建筑物、引水建筑物、電站廠房、升壓站和泄水建筑物等)。根據(jù)工程等級(jí)，相應(yīng)洪水標(biāo)準(zhǔn)為：取水建筑物、引水建筑物、廠房及泄水建筑物按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，按50年一遇洪水校核。

2 現(xiàn)狀存在問題調(diào)查及分析

2.1 水資源綜合利用不夠全面充分

由于歷史條件制約，該小水電站建設(shè)時(shí)對(duì)水資源的綜合利用方面考慮不夠全面充分，主要是對(duì)群眾生活用水、環(huán)境生態(tài)用水需求考慮不足。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和群眾生活水平及要求的提高，差距和矛盾越來越大；而電站建設(shè)時(shí)缺少相應(yīng)放水及流量監(jiān)控設(shè)施，不進(jìn)行適當(dāng)改造和調(diào)整運(yùn)行方式將難以滿足這些需求。

2.2 河道水環(huán)境生態(tài)問題逐步顯現(xiàn)

小水電的開發(fā)勢(shì)必要建設(shè)河道攔蓄水工程，不可避免對(duì)河道水文情勢(shì)造成較大影響，這些影響有利有弊。蓄水工程徑流的調(diào)節(jié)控制有利于水資源的充分利用，但其建設(shè)將使上游水位抬高和下游河段水位流量發(fā)生變化，蓄水?dāng)r河工程的建設(shè)也是河床縱向高程重造的過程，給生態(tài)環(huán)境特別是水環(huán)境和魚類環(huán)境帶來較大影響。從調(diào)查情況看，確實(shí)造成了部分區(qū)域局部河段的斷流，出現(xiàn)“白灘”現(xiàn)象。河道的脫流減水還造成納污能力下降，從而使河道水質(zhì)變差，不僅枯水期問題突出，即使在豐水期同樣存在。目前持續(xù)發(fā)展的美麗鄉(xiāng)村已初具規(guī)模，對(duì)水環(huán)境的要求也越來越高，小水電開發(fā)引起的水文情勢(shì)變化帶來的河道水環(huán)境生態(tài)問題逐步凸顯。

2.3 設(shè)備老舊，運(yùn)行效率較低

半坑水電站的機(jī)電設(shè)備經(jīng)過30多年的運(yùn)行，在性能和結(jié)構(gòu)方面都已老損，需經(jīng)常檢修。長(zhǎng)期運(yùn)行使轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉等部件遭到破壞，運(yùn)行效率下降，發(fā)電機(jī)出線和接頭老化發(fā)熱，存在安全隱患；急需進(jìn)行改造，以消除隱患，提高水能利用效率。

3 改造措施

3.1 更換老舊設(shè)備

3.1.1 水能計(jì)算

半坑水電站位于烏巖溪上，所在流域林木茂盛，植被覆蓋良好，雨量充沛，多年平均降雨量1 503.2 mm，多年平均徑流深862.7 mm。該電站上游設(shè)有半坑水庫(kù)，水庫(kù)正常庫(kù)容51.10萬m3。上游無電站，半坑水電站發(fā)電水量主要為上游來水。

(1)半坑水電站發(fā)電水量

半坑攔水堰集雨面積3.56 km2，多年平均來水量W0=3.56×106×862.7×10-3=307.12×104m3。查《浙江省引水式水電站多年平均引水模數(shù)與年引水率關(guān)系表》，并考慮半坑水電站引水流量、水庫(kù)調(diào)蓄等因素，年發(fā)電引水率取γ=75%，則可利用發(fā)電水量：

W=γ×W0=0.75×307.12×104=230.34×104m3

(2)半坑水電站多年平均發(fā)電量

E=0.002 7WH=0.002 7×230.34×78=48.51萬kW·h

圖1中,Ui和Ii分別為第i個(gè)變流器輸出的直流電壓和電流;Ri和Iri分別為第i條線路的線路電阻和流過線路電阻的電流;IRi和IR分別為流過局部負(fù)載和公共負(fù)載的電流;Udc為公共母線電壓。

(3)發(fā)電保證出力

查《浙江省分區(qū)多年平均流量模數(shù)保證率表》，可知80%的保證率q時(shí)=0.25，其發(fā)電流量為：

QP=0.25×3.56/100=0.008 9 m3/s

80%的保證出力N=9.81×0.936×0.848×0.008 9×90=6.97 kW

(4)發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量及機(jī)型選擇

N=9.81×0.568×0.925×0.840×78=337.7 kW

選取SFW320—10/850型發(fā)電機(jī),單機(jī)容量為320 kW。

(5)裝機(jī)年利用小時(shí)

因此，半坑電站總裝機(jī)容量320 kW，年利用小時(shí)1 516 h。

3.1.2 電站規(guī)模復(fù)核

考慮電站主要采用半坑水庫(kù)來水發(fā)電，本次生態(tài)水電改造可擴(kuò)大電站設(shè)計(jì)流量，設(shè)計(jì)流量如下：機(jī)組的設(shè)計(jì)流量為0.568m3/s，共1臺(tái)機(jī)組。

半坑水電站是引水式水電站，其規(guī)模較小，負(fù)荷無特殊要求。本次改造對(duì)水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及電氣設(shè)備進(jìn)行更新，不改變電站運(yùn)行工況，結(jié)合發(fā)電機(jī)組改造方案及機(jī)組效率計(jì)算成果，經(jīng)復(fù)核計(jì)算，改造后電站裝機(jī)容量為1臺(tái)320 kW。

3.1.3 發(fā)電設(shè)備選擇

機(jī)組總?cè)萘?20 kW，同步水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量為320 kW，選用水輪機(jī)型號(hào)為XJE—W—55/1×14,水輪機(jī)額定水頭78 m，額定流量0.568 m3/s，額定轉(zhuǎn)速650 r/min，效率84%，出力374.4 kW。配套的發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFW320—10/850，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，效率92.5%，額定出力320 kW，額定電壓0.4 kV，功率因數(shù)0.8。改造后，機(jī)組綜合效率為η=84.0%×92.5%=77.7%。

3.2 增設(shè)生態(tài)泄水設(shè)施

3.2.1 生態(tài)流量確定

半坑電站下游段為脫水段，此段河段長(zhǎng)0.7 km，集水面積1.5 km2，自然落差達(dá)25 m。

根據(jù)水利部《農(nóng)村水電生態(tài)水電改造河流生態(tài)修復(fù)指導(dǎo)意見》，結(jié)合該流域水文特征，有Tennant法、90%保證率法、近十年最枯月平均流量法、枯水期11～3月多年平均流量法等幾種生態(tài)流量計(jì)算方法。半坑電站所在流域擁有長(zhǎng)序列水文資料，多年平均流量為0.097 m3/s，本工程生態(tài)流量根據(jù)Tennant法確定為0.02 m3/s。

3.2.2 生態(tài)修復(fù)和泄放措施

增設(shè)泄水設(shè)施，按照下游河道生態(tài)流量的需求，控制保持一定的下泄流量。結(jié)合河道治理，在脫水河段修筑堰壩，擴(kuò)大河道內(nèi)的積水面積，改善河道水景觀。另外，還安裝生態(tài)流量監(jiān)控設(shè)施，對(duì)生態(tài)流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

本次生態(tài)改造，擬在壓力管道末端設(shè)生態(tài)泄水蝶閥1個(gè)，并設(shè)流量監(jiān)測(cè)設(shè)施，生態(tài)用水采用DN150PE管接至下游河道。為了保證該河道脫水段的生態(tài)修復(fù)，正常運(yùn)行發(fā)電時(shí)，管道應(yīng)完全開放進(jìn)行放水，不得堵塞。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，半坑水電站存在設(shè)備老舊和下游河道脫水等急需改造的問題。通過水能計(jì)算，合理確定電站規(guī)模，選擇與之匹配的高效水輪機(jī)組，并通過水文學(xué)方法預(yù)測(cè)下游需求的生態(tài)流量，在電站中增設(shè)生態(tài)泄水設(shè)施，改善了下游河道生態(tài)環(huán)境。