門子哨水電站裝機方案及工程布置研究

□趙 磊 杜 平

門子哨水電站位于潘家口水庫末梢，尾水受庫水位頂托影響較大，水能計算呈現(xiàn)出豐水年發(fā)電量較小，平水年發(fā)電量多于豐水年，而枯水年發(fā)電量較大的特點，越是豐水年水庫水位越高，電站發(fā)電水頭越小，甚至為負水頭，致使電站發(fā)電量較小，甚至不能發(fā)電。門子哨水電站廠房、廠區(qū)按20年一遇洪水設(shè)計，50年一遇洪水校核。結(jié)合本工程實際情況，通過水能分析和計算研究，確定了裝機推薦方案和工程布置方案，旨在為類似工程提供參考。

1.工程概況

門子哨水電站位于潘家口水庫庫區(qū)末梢興隆縣境內(nèi)灤河上，利用水庫低水位運行期，集中灤河水頭落差發(fā)電，屬低水頭電站。該電站開發(fā)河段自柳河入灤河口至門子哨村第一個彎道末端，開發(fā)河段約10km，集中落差約14.5m。電站引水樞紐上游設(shè)計水位222.5m，電站下游河道水位受水庫蓄水位影響，可開發(fā)利用水頭約11.87m。電站裝機容量4600kW，設(shè)3臺大小機組（1000kW+1600kW+2000kW），多年平均發(fā)電量1249.5萬kW·h，裝機年利用小時數(shù)2716h。

表1 水能計算成果表

表2 安裝間不同高程時四種方案投資對比表 單位：萬元

2.水能計算和裝機方案

結(jié)合本工程實際情況，電站水能計算按常規(guī)典型年法進行計算已失去意義，不能準確反映電站發(fā)電情況?；诖?，電站水能計算采取根據(jù)潘家口水庫站址處25年（1991～2015年）逐日入庫平均流量、平均庫水位和電站下游尾水位與流量關(guān)系曲線，逐年逐日進行計算。初步選定3個裝機容量方案，即方案1裝機3850kW（1000kW+1250kW+1600kW）、方案 2裝機 4600kW（1000kW+1600kW+2000kW）、方案3裝機 5100kW（1000kW +1600kW +2500kW），并針對這3個裝機容量方案，分別計算電站多年平均年發(fā)電量、裝機年利用小時數(shù)、加權(quán)平均水頭及水能利用率等。

電站日出力按下式計算：

式中：

N—日平均出力（kW），計算時，出力小于500kW的舍棄，出力大于裝機容量的取裝機容量值；

k—綜合出力系數(shù)，水頭低于8m時取k=7.0，8m以上取k=8.0；

Q—日引用流量（m3/s），流量大于裝機額定流量的取額定流量值；水能計算時，已扣除維持河道生態(tài)環(huán)境用水；考慮斷流河段較短，且水庫高水位時可回水至電站上游，河道生態(tài)環(huán)境用水約取日平均流量的5%；

H—凈水頭（m），H=Z前-Z尾-h損；式中Z前為前池正常蓄水位，Z前=222.0m；Z尾為下游尾水位，比較庫水位和根據(jù)下游水位與流量關(guān)系曲線查取的尾水位，取兩者的高值；h損為水頭損失，取h損=0.5m。

電站多年平均年發(fā)電量按下式計算：

式中：

E年—多年平均年發(fā)電量（萬kW·h）；

N—日出力（kW）；

T—日發(fā)電小時（h）；

n—計算年數(shù)，n=25年。

加權(quán)平均水頭按下式計算：

H加權(quán)=∑（H×E）/∑E

式中：

H—日發(fā)電水頭（m）；

E—日發(fā)電量（kW·h）。

水能計算成果見表1。

以上3個方案裝機均為3臺，大、小機組相組合，該選擇主要是考慮兼顧小流量發(fā)電和盡量減少棄水。根據(jù)電站發(fā)電水頭和流量，適合的水輪機型式為軸流定漿或貫流定漿。定漿水輪機穩(wěn)定出力范圍為額定出力的75～100%。因此，為了機組間出力能夠順利銜接過渡，均選擇了3臺異型機組相組合的裝機方案。根據(jù)水能計算成果，本著盡可能多利用水能發(fā)電，控制裝機年利用小時數(shù)在2500～3000小時之間。方案3雖發(fā)電量較多，但較方案2增加電量并不明顯，且電站廠房尺寸及吊車等均需按大機組選擇布置，廠房布置尺寸較大，投資較高。方案2兼顧發(fā)電量和年利用小時數(shù)較好，確定為本電站裝機推薦方案。根據(jù)《小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》，設(shè)計水頭與加權(quán)平均水頭的比值應(yīng)在0.85～0.95之間選擇，由此確定電站設(shè)計水頭為10.5m。

圖1 電站布置位置圖

3.工程總體布置方案

3.1 工程位置及安裝間高程確定

3.1.1 站址確定

站址選定在門子哨村北約1.3km灤河右岸，電站引水樞紐、廠房緊鄰承德市內(nèi)現(xiàn)有公路，對外交通便利，有利發(fā)展生態(tài)景觀。該段河道深槽穩(wěn)定，便于取水、沖沙和廠房等建筑物布置，工程地質(zhì)條件良好，引水隧洞較短，上游防護工程量較小。電站整個工程位于潘家口庫區(qū)，不涉及永久征地，初步確定站址選定在門子哨村北河段。電站布置位置見圖1。

3.1.2 安裝間高程選擇

水電站廠房、廠區(qū)按20年一遇洪水設(shè)計，50年一遇洪水校核，根據(jù)本工程地形條件，為了合理確定安裝間高程，初擬以下4種方案：方案1安裝間高程同發(fā)電機層地面高程（215.15m），與廠區(qū)間設(shè)混凝土連接路，連接路臨河側(cè)設(shè)漿砌石防洪墻；方案2安裝間高程按10年一遇洪水標準設(shè)計（220.09m），與廠區(qū)間設(shè)混凝土連接路，連接路臨河側(cè)設(shè)漿砌石防洪墻；方案3安裝間高程按20年一遇洪水標準設(shè)計（223.12m），與廠區(qū)間設(shè)混凝土連接路，連接路臨河側(cè)設(shè)漿砌石防洪墻；方案4安裝間高程按50年一遇洪水標準設(shè)計（225.97m），與廠區(qū)間設(shè)混凝土連接路。以上4種方案漿砌石防洪墻、混凝土連接路和由于安裝間抬高而增加的廠房投資對比見表2。方案1具有管理和運行方便的優(yōu)點，但由于安裝間高程遠低于廠房處50年一遇洪水位，需要修筑較高的防洪墻，造成防洪墻投資較大，最終該方案投資也較大。方案2雖在方案1的基礎(chǔ)上一定程度抬高了安裝間高程，降低了防洪墻高度，但由于此時防洪墻仍較高，由于安裝間抬高廠房投資也有所增加，方案2投資低于方案1。方案3在方案2的基礎(chǔ)上繼續(xù)抬高安裝間高程，有效地降低了防洪墻高度，雖然由于安裝間抬高廠房投資較方案2增加，該方案總投資相對較低。方案4不需要修筑防洪墻，連接路路基土方填筑較大，由于土方填筑單價較小，加上由于安裝間抬高廠房投資的增加，總投資比方案3略微增。但此時總廠房總高度太大，管理和運行較為不便，不作為推薦方案。綜合以上分析，安裝間高程按方案3確較為合適，最終確定為223.45m。

3.2 工程總體布置方案

門子哨水電站裝機容量4600kW，屬?。?）型水電站，工程等別為V等，主要建筑物均按5級建筑物設(shè)計。本工程主要建筑物包括攔河壩、沖砂閘、進水口、引水閘、引水隧洞、壓力前池，進水閘、壓力管道、廠房及尾水建筑物等。

3.2.1 引水樞紐

引水樞紐包括攔河壩、沖砂閘、進水口、引水閘等建筑物。

攔河壩布置于深槽，壩長110m，最大壩高8.07m，正常蓄水位222.5m，分上下兩部分壩體，底部為鋼筋混凝土石料壩（壩體內(nèi)為硬巖石料，表層為鋼筋混凝土），壩頂高程218.7m，頂部為4m高橡膠壩，壩頂高程222.7m。

沖砂閘緊鄰攔河壩右側(cè)布置，閘室為開敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共2孔，單孔凈寬5m，底板頂面高程217.0m，閘墩頂高程223.3m。墩頂上部設(shè)排架柱、工作橋和啟閉機室。

進水口位于河道右岸，順水流方向長10m，鋼筋混凝土矩形槽結(jié)構(gòu)，上游底高程216.0m，底寬15m，下游底高程215.4m，底寬7m。為防止河內(nèi)推移質(zhì)進入引水隧洞，在進口漸變段前端設(shè)攔砂坎和攔污柵。

進水口后為涵洞式引水閘，閘室段全長12m，垂直水流方向?qū)?m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單孔布置，凈寬7m，閘底板高程215.4m，結(jié)合河道右岸現(xiàn)狀地形，墩頂上設(shè)置豎井，豎井上布置啟閉機室。

為保證枯水季節(jié)河道不斷流，在沖砂閘和橡膠壩之間導(dǎo)流墻內(nèi)，預(yù)埋泄水鋼管，設(shè)閥門井控制下泄流量，保證河道不斷流。

3.2.2 引水隧洞

引水隧洞長682m，城門洞型，設(shè)計縱坡1/2000，設(shè)計水深6.98m，底寬7m，拱頂圓弧半徑4.04m，圓心角120°，隧洞總高9.02m，斷面面積59.03m2。隧洞沿線以灰?guī)r為主，未發(fā)現(xiàn)明顯斷裂破碎帶，按無襯砌隧洞設(shè)計，進出口采用0.25m厚鋼筋混凝土襯砌，洞頂進行回填灌漿。局部巖石破碎段，開挖后錨噴混凝土。

3.2.3 廠房及進水建筑物

廠房及進水建筑物包括壓力前池，進水閘、壓力管道、廠房等。

壓力前池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順水流方向長25m，上游底高程215.05m，底寬7m，下游底高程211.55m，底寬20m。

進水閘為涵洞式，閘室長10m，垂直水流方向?qū)?4m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共3孔，閘孔尺寸分別為5.5m×3m、6m×3.5m、4.5m×2.5m（寬×高）。閘底板高程214.55m，墩頂高程223.75m。排沙閘布置在壓力前池進水閘底板下方，豎井式，側(cè)向進水，后接隧洞，末端為尾水渠下游灤河。

壓力管道為鋼筋混凝土箱涵，總長15.54m，矩形結(jié)構(gòu)，壓力箱涵進口底高程為214.55m。壓力管道選用單元供水，包括1臺大機組、1臺中機組和1臺小機組，3孔箱涵進口尺寸分別于進水閘閘孔尺寸匹配，出口底高程為206.98m，壓力管道中部為漸變段，長6.9m。

廠房包括主廠房和副廠房。主廠房按50年一遇洪水標準設(shè)計，226.3m高程以下外墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，安裝間處設(shè)鋼制防水門。主廠房長39.02m，寬12.90m，廠房內(nèi)布置3臺立式軸流水輪發(fā)電機組，大機組布置于中部，中、小機組分別布置于大機組左右兩側(cè)，大中機組間距8.25m，大小機組間距7.75m，裝機高程208.45m，發(fā)電機層地面高程215.15m。安裝間布置于廠房左側(cè)，地面高程為223.45m。

副廠房位于主廠房上游壓力管道左側(cè)，長29.08m，寬9.04m，分兩層布置；1層地面高程與安裝間相同，2層與廠區(qū)相通。

3.2.4 尾水建筑物

尾水建筑物包括尾水閘、尾水池和尾水渠。

尾水閘為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與電站地下結(jié)構(gòu)為一整體。閘室順水流方向長5m，底板高程204.25m，墩頂高程210.95mm。尾水口尺寸自左向右依次為5.434m×3m、5.920m×3m、4.576m×3m（寬×高），3個尾水口均設(shè)鋼閘門。尾水閘末端接鋼筋混凝土尾水池。尾水池順水流方向長14.75m，為1∶5反向坡，底高程204.25～207.20m。尾水池兩岸為鋼筋混凝土岸坡，坡比為1∶2，底部為鋼筋混凝土護底。尾水池末端接尾水渠。尾水渠渠首寬度為22.70m，渠底漸寬折向下游灤河河底。尾水渠采用岸坡式漿砌石斷面，渠底高程為207.2m，設(shè)計縱坡1/3000。

3.2.5 廠區(qū)

廠區(qū)位于攔河壩壩址下游約5.2km灤河左岸，包括主副廠房、進廠道路等，管理房位于廠區(qū)內(nèi)。升壓占位于前池左側(cè)，地面高程為227.25m，廠區(qū)內(nèi)布置1臺S11-6300/11主變及11kV出線構(gòu)架。

4.調(diào)度運用原則

門子哨電站利用灤河來水發(fā)電，受上游調(diào)蓄和下游水庫的雙重影響，引水樞紐的攔蓄和泄水建筑物的洪水調(diào)度運用初步確定“洪峰敞開泄流，首尾攔蓄發(fā)電”的策略，具體采用以下運用原則：

一是當洪水流量大于電站設(shè)計流量小于一定深度時，按發(fā)電要求正常引水發(fā)電，由攔河壩自由溢流下泄余水，保持壩前水位正常擋水位與最高溢流水位之間運用，同時準備開啟沖沙閘。

二是當洪水流量大于電站設(shè)計流量與攔河壩最大溢流流量之和時，開啟沖沙閘助泄，并在上游水位不低于正常擋水位的條件下，盡量利用沖沙閘泄流、沖砂。

三是當洪水流量大于電站設(shè)計流量、溢流壩最大溢流流量及沖沙閘泄流能力三者之和時，沖沙閘敞泄，攔河壩坍壩運用，根據(jù)水頭電站相機發(fā)電。

四是洪峰過后，當洪水流量小于電站設(shè)計流量、溢流壩最大溢流流量及沖沙閘泄流能力三者之和時，攔河壩充壩擋水，恢復(fù)電站發(fā)電運行。

5.結(jié)語

門子哨水電站是以水電為主的綜合開發(fā)利用工程，主要工程任務(wù)為生態(tài)式水電開發(fā)。通過研究電站位于水庫末梢的實際情況，確定了裝機利用方案，結(jié)合電站站址地形、地質(zhì)、交通等情況，確定了電站布置方案。門子哨水電站的建設(shè)對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展將起到有力的促進作用，啟動該類型小水電綜合開發(fā)工程是必要的，如資金、環(huán)境等條件允許，建議建設(shè)單位根據(jù)實際情況，爭取優(yōu)惠條件，通過采取協(xié)商提高電價等措施，促使該類型電站建設(shè)并投入使用。