生態(tài)小水電增效擴(kuò)容改造方案探討

譚時(shí)勇，唐 薇

(寧波天成水利水電設(shè)計(jì)有限公司，浙江 寧波 315100)

1 概況

1.1 電站基本情況

龍洞口水電站是通過攔水堰壩、引水隧洞、引水閘、輸水隧洞、壓力管道等設(shè)施引河道來水發(fā)電的引水式電站。龍洞口水電站坐落于石梁鎮(zhèn)慈圣村，屬于臺州市天臺縣慈圣溪支流泄下溪，它于1998年開工興建，1998年投產(chǎn)運(yùn)行，所有制性質(zhì)為個(gè)人所有。年平均發(fā)電量約152萬kW·h，總裝機(jī)容量為1000 kW，裝有2個(gè)發(fā)電機(jī)組，至石梁供電所并網(wǎng)。

龍洞口水電站增效改造工程為引水式電站，根據(jù)中華人民共和國《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)第6.1.1條界定，其工程等別為Ⅴ等工程，引水建筑、取水樞紐、電站廠房等建筑物級別為5級。根據(jù)工程等級，相應(yīng)洪水標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)20 a一遇；廠房及升壓站的洪水標(biāo)準(zhǔn)等同取水壩的洪水標(biāo)準(zhǔn)，也采用20 a一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1.2 水文、氣象基本概況

天臺屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，降水豐沛，熱量充足。天臺年平均氣溫17.0℃，極端最高氣溫41.7℃，極端最低氣溫-9.1℃。年降水量平均值為1411.7 mm；年平均日照總時(shí)數(shù)1756.3 h。天臺地表徑流量為12.90億m3，其中始豐溪南岸區(qū)為3.53億m3，始豐溪北岸區(qū)為5.79億m3。

龍洞口電站位于天臺縣石梁鎮(zhèn)慈圣村境內(nèi)，坐落于慈圣溪支流泄上溪上游，屬于新昌江流域，距離天臺縣城約35 km，壩址以上集雨面積18.0 km2。泄上溪發(fā)源于新昌縣芹塘村以北雪里坑，出芹塘村后，至里泄上村，流至慈圣村匯流慈圣溪。電站上游河道主流長度5.8 km，匯水面積10.50 km2。電站引水跡溪之水，跡溪發(fā)源于新昌縣華頂山，出跡溪村后，經(jīng)過石滑頭流至慈圣村匯流慈圣溪。跡溪河長4.6 km，集雨面積7.50 km2。

1.3 徑流

慈圣溪是新昌江上游的一條支流，屬山溪性河流，徑流主要是由降雨形成，徑流與降水的年際、年內(nèi)變化基本同步。因設(shè)計(jì)流域內(nèi)沒有實(shí)測的徑流相關(guān)資料，本設(shè)計(jì)以新昌水文測站作為參考站，采用水文比擬法計(jì)算徑流[2]，流域的年徑流量由各分區(qū)面積之比、并考慮設(shè)計(jì)流域與參考流域降水量的差異修正縮放而得?？s放系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：K為徑流縮放系數(shù)；F設(shè)、F參分別為設(shè)計(jì)和參證流域的集雨面積，km2；P設(shè)、P參分別為設(shè)計(jì)和參證流域的降雨量，mm[3]。

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 天然徑流計(jì)算成果表

由上述計(jì)算方法求得，龍洞口水電站多年平均流量為0.715 m3/s，年徑流系數(shù)0.705。

2 現(xiàn)狀主要存在問題

2.1 設(shè)備老舊，運(yùn)行效率較低

龍洞口電站的機(jī)電設(shè)備基本都是20世紀(jì)90年代末的機(jī)型，經(jīng)過近20多年生產(chǎn)運(yùn)行，機(jī)組設(shè)備逐漸老化，事故頻繁，經(jīng)常需要維修。

2.2 水資源綜合利用不夠全面充分

機(jī)組裝機(jī)較小，豐水期時(shí)棄水較多，造成水資源白白浪費(fèi)。電站輸水隧洞較大，運(yùn)行良好，有進(jìn)行增效擴(kuò)容改造的條件，但由于資金困難，對電站改造遲遲沒有實(shí)施。水資源綜合利用不充分。

2.3 河道生態(tài)環(huán)境有所破壞

工程泄上溪攔水堰壩與廠址區(qū)間為1.04 km，為脫水河段，集水面積0.37 km2，自然落差達(dá)83 m，區(qū)間沒有較大的支流補(bǔ)水，影響了河道的生態(tài)環(huán)境。

3 電站改造方案

3.1 增效擴(kuò)容

3.1.1 水能計(jì)算

龍洞口水電站建立在慈圣溪上，取水堰壩以上集雨面積18.00 km2，所在流域植被茂密，雨水較多，據(jù)統(tǒng)計(jì)多年平均降雨量1776.4 mm。該電站上游沒有水庫和電站。

(1)龍洞口水電站發(fā)電水量

龍洞口多年平均來水量W0=18×125.27=2254.86×104m3。根據(jù)《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》查得，并考慮引水流量和2萬m3蓄水池的調(diào)節(jié)，電站發(fā)電引水率取γ=58%[4]；

可利用的發(fā)電水量W=γ×W0=0.58×2254.86×104=1307.82×104m3

(2)多年平均發(fā)電量計(jì)算

E=0.0021WH=0.0021×1315.61×104×80=221.02萬kW·h

(3)發(fā)電保證出力

QP=0.25×18/100=0.045 m3/s

80%的保證出力n=9.81×0.92×0.93×0.045×80=30.22 kW

(4)發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量及機(jī)型選擇

N=9.81×2.25×80×0.92×0.93=1510 kW

選取SFW630-6和SFW800-6型水輪機(jī)各1臺，總裝機(jī)1430 kW。

(5)裝機(jī)年利用小時(shí)

h=221.02×104/1430=1545 h

3.1.2 電站規(guī)模復(fù)核

電站發(fā)電流量：本次改造后設(shè)計(jì)流量：機(jī)組1的設(shè)計(jì)流量為0.99 m3/s，機(jī)組2的設(shè)計(jì)流量為1.26 m3/s，共2臺機(jī)組，總流量2.25 m3/s。

電站裝機(jī)規(guī)模復(fù)核：根據(jù)電站用水規(guī)模和水輪機(jī)裝機(jī)選型確定，選擇綜合效率較好的機(jī)組組合：電站裝機(jī)容量1臺630 kW+1臺800 kW，總裝機(jī)為1430 kW。

3.1.3 機(jī)組選型

水電站增效改造工程裝機(jī)1430 kW的機(jī)組，水輪機(jī)組主要參數(shù)見表2、表3。

表2 水輪機(jī)參數(shù)表

表3 發(fā)電機(jī)參數(shù)表

3.2 基礎(chǔ)設(shè)施改造

本次龍洞口水電站增效改造工程土建部分涉及攔水堰壩、水輪機(jī)基礎(chǔ)、發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)、電站廠房維修、變壓器基礎(chǔ)加固、變壓器圍墻等。

3.2.1 引水隧洞和輸水隧洞流量復(fù)核

電站引水隧洞長度1070 m，進(jìn)口高程339.1 m，出口高程338.0 m，隧洞縱坡0.001，寬2.0 m，高1.8 m，采用城門洞型，局部有襯砌，輸水隧洞正常運(yùn)行時(shí)引用跡溪徑流量0.25 m3/s，洪水期時(shí)進(jìn)口閘門關(guān)閉不引水，泄上溪自身洪水發(fā)電也用不完。

電站輸水隧洞總長度550 m，分為平洞段和斜洞段，進(jìn)口高程331.5 m，出口高程263 m，隧洞縱坡0.125，寬2.0 m，高2.0 m，采用城門洞型，局部有襯砌，襯砌斷面最小為1.5 m寬，高1.75 m。隧洞進(jìn)口閘門為直徑1.0 m的圓型閘門，輸水隧洞正常運(yùn)行過流能力1.5 m3/s～4.0 m3/s，電站改造前設(shè)計(jì)流量1.91 m3/s，改造后設(shè)計(jì)流量2.25 m3/s，隧洞過流能力完全滿足要求。隧洞目前運(yùn)行良好，不需要進(jìn)行維修加固。

3.2.2 攔水堰壩

電站上游攔水堰壩原河床底部高程320.0 m，原設(shè)計(jì)堰頂高程339.5 m，堰寬36 m，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)庫容4.5萬m3，右岸設(shè)排砂孔直徑2孔×2 m，作為河道灌溉和生態(tài)用水閘門，由于政策處理問題，堰頂高程只修建到336.0 m，堰頂寬度1 m左右，本次為了安全考慮對堰壩進(jìn)行加固，采用C25砼灌砌石進(jìn)行拼寬到5 m，堰頂高程不變。

3.2.3 廠房建筑物、升壓站建筑物

電站廠房地面式，墻體為磚混結(jié)構(gòu)，電站廠房高為6.3 m，屋頂采用鋼筋砼現(xiàn)澆板，發(fā)電機(jī)層平面尺寸分別為16.7 m×7.2 m，地面高程為258.8 m?，F(xiàn)拆除廠房內(nèi)機(jī)組設(shè)備基礎(chǔ)，按新機(jī)組設(shè)備尺寸重建基礎(chǔ)，廠房尺寸滿足要求，保持不動。現(xiàn)有升壓站不能夠滿足要求，需改建，需更換變壓器兩臺。

3.3 生態(tài)小水電設(shè)施改造

3.3.1 生態(tài)流量

泄上溪攔水堰壩與廠址區(qū)間為1.04 km脫水段，區(qū)間匯水面積0.37 km2，落差較大有83 m，區(qū)間無較大支流匯入。

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》，根據(jù)龍洞口電站所在流域附近的水文資料計(jì)算多年平均流量為0.715 m3/s，該項(xiàng)目生態(tài)流量計(jì)算采用Tennant法計(jì)算為0.1 m3/s[5]。

3.3.2 生態(tài)泄放方案

泄上溪攔水堰壩右岸，建有放水和排沙閘門，共計(jì)2孔×2 m，閘門板高3.0 m，閘門設(shè)有啟閉機(jī)房，該閘門可兼做生態(tài)流量泄放措施，不再新增放水設(shè)施。放水量可滿足生態(tài)流量要求。

跡溪攔水堰壩右岸，建有排沙閘，共計(jì)1孔×1 m，閘門板高2.0 m，閘門設(shè)有啟閉機(jī)房，該閘門可兼做生態(tài)流量泄放措施，不再新增放水設(shè)施。放水量完全可以滿足生態(tài)流量要求。

為了保證兩條河道脫水段的生態(tài)修復(fù)，正常運(yùn)行發(fā)電時(shí)，兩座閘門均應(yīng)開啟0.1 m高度進(jìn)行放水，底部澆筑0.1 m高齒墻，不得緊閉，并安裝生態(tài)流量監(jiān)測設(shè)施。

4 結(jié)語

通過龍洞口水電站增效擴(kuò)容生態(tài)改造工程方案實(shí)例的研究，從資料收集、現(xiàn)場調(diào)查到水文資料分析、水資源水能計(jì)算最后與廠家進(jìn)行機(jī)械設(shè)備選型來對電站增效擴(kuò)容。同時(shí)通過生態(tài)流量計(jì)算和現(xiàn)場條件分析，合理選擇生態(tài)泄放措施，并增加監(jiān)測設(shè)施以恢復(fù)下游河道生態(tài)環(huán)境，一舉多得。對小水電增效擴(kuò)容和生態(tài)建設(shè)有著重要的參考意義。