壩后式生態(tài)機(jī)組布置設(shè)計(jì)方案

吳 韜，袁文娟

(水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江？杭州？310012)

0 引 言

為了解決小水電站廠壩間減脫水引起的河流生態(tài)問題，需要通過泄放生態(tài)流量來保障河湖基本生態(tài)、生活用水，不僅能解決生態(tài)環(huán)保問題，同時(shí)也推進(jìn)了生態(tài)文明建設(shè)和小水電綠色發(fā)展。對(duì)于引水式和混合式電站，通常需要在壩址處進(jìn)行生態(tài)流量的泄放，大部分的泄放措施是通過大壩放空管進(jìn)行生態(tài)流量的泄放；但為了提高生態(tài)流量的綜合利用功能，在發(fā)揮生態(tài)效益的同時(shí)能發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，小部分建設(shè)單位通常會(huì)在壩后設(shè)置生態(tài)流量機(jī)組[1]。

1 工程概況

某水庫電站地處皖河流域潛水干流上游，屬于混合式電站，水庫集雨面積209 km2，多年平均徑流量2.14億m3，總庫容1 074萬m3，是以防洪、發(fā)電為主，結(jié)合灌溉、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。水庫正常蓄水位322.0 m，相應(yīng)庫容709.72萬m3；死水位298.0 m，相應(yīng)庫容143.9萬m3；調(diào)節(jié)庫容為565.82萬m3，庫容系數(shù)為2.6%，屬不完全年調(diào)節(jié)(季調(diào)節(jié))水庫。

水庫樞紐工程由水庫攔河壩、溢洪道和泄洪洞等組成。大壩為漿砌石拋物線型雙曲拱壩，壩頂高程330.50 m，壩基高程266.00 m，最大壩高64.50 m，壩頂軸線長(zhǎng)185.50 m；壩頂開敞式溢洪道堰頂高程322 m，凈寬66.4 m，高坎挑流消能；壩體中部有排沙管，中心線高程為282.00 m，鑄鐵管結(jié)構(gòu)，管徑為1.0 m，出口為DN1000 mm鋼管及閘閥。DN1000 mm閘閥前設(shè)有DN250 mm旁通閘閥，作為生態(tài)流量的泄放設(shè)施，生態(tài)流量具有44.5～28.5 m的毛水頭，水能未得到充分利用。

2 生態(tài)流量的確定

根據(jù)水利部《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造河流生態(tài)修復(fù)指導(dǎo)意見》，幾種生態(tài)基流計(jì)算方法如表1所示。

表1 生態(tài)基流選擇計(jì)算方法表

該水電站壩址以上集水面積為209 km2(≥50 km2)，根據(jù)生態(tài)流量分類核定原則，采用多年平均流量法(10%)進(jìn)行核定。生態(tài)流量計(jì)算公式如下：

Q參證/F參證=Q核定/F核定

式中，Q參證為參證水文站生態(tài)流量(m3/s)；F參證為參證水文站控制集水面積(km2)；Q核定為核定斷面生態(tài)流量(m3/s)；F核定為核定斷面控制集水面積(km2)。

根據(jù)上式計(jì)算的生態(tài)流量核定值：Q核=0.376 m3/s×(209 km2/137 km2)=0.573 6 m3/s，可在大壩排沙管出口增設(shè)不小于DN200 mm旁通閘閥泄放生態(tài)流量。

3 機(jī)組容量的選擇

該電站的“一站一策”實(shí)施方案指出：取水口生態(tài)流量泄放具有一定水頭，后期可考慮增設(shè)生態(tài)機(jī)組。目前已在大壩排沙管出口增設(shè)了DN250 mm旁通閘閥泄放生態(tài)流量，但泄放流量受到水庫水位影響波動(dòng)較大，無法有效控制生態(tài)流量?！耙徽疽徊摺睂?shí)施方案(修編本)中也建議對(duì)生態(tài)流量泄放設(shè)施和監(jiān)測(cè)設(shè)施進(jìn)行改造，進(jìn)一步提出增設(shè)生態(tài)流量機(jī)組，利用機(jī)組出力換算生態(tài)流量。

3.1 水庫特征水位

水庫正常蓄水位322.0 m，汛期限制水位318.0 m，設(shè)計(jì)洪水位328.48 m，校核洪水位330.45 m，最低發(fā)電水位306.0 m。

3.2 機(jī)組運(yùn)行水頭

陳肖依等[2]在對(duì)小水電站生態(tài)流量泄放對(duì)電能損失率的影響進(jìn)行分析后得出結(jié)論，生態(tài)流量的泄放對(duì)小水電的發(fā)電損失率一般在10%～20%，因此生態(tài)機(jī)組通常在水頭范圍內(nèi)均恒定地泄放生態(tài)流量。在選擇機(jī)組參數(shù)時(shí)應(yīng)該關(guān)注的是下泄流量的保證值，需要對(duì)水運(yùn)行水頭范圍內(nèi)的下泄流量進(jìn)行核算；故生態(tài)流量機(jī)組的額定水頭意義并不大，但作為水輪機(jī)的主要參數(shù)可以按照生態(tài)機(jī)組運(yùn)行水頭的變幅來擬定。

本水庫運(yùn)行水頭范圍約為43.18～27.18 m，水頭變幅并不大，可以將加權(quán)平均水頭的90%～95%作為額定水頭來選擇水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑和額定轉(zhuǎn)速；同時(shí)要復(fù)核最大和最小水頭時(shí)下泄流量是否滿足生態(tài)流量要求。另外，還要關(guān)注水輪機(jī)的穩(wěn)定性，盡量使水輪機(jī)在較優(yōu)工況區(qū)運(yùn)行。

本水庫壩后式生態(tài)機(jī)組的運(yùn)行模式為在水庫最低發(fā)電水位306.0 m以上時(shí)優(yōu)先發(fā)電，以滿足下游生態(tài)用水需要。

引水系統(tǒng)水頭損失包括局部水頭損失與沿程水頭損失之和，生態(tài)機(jī)組引用流量Q=0.58 m3/s時(shí)，最大水頭損失為1.36 m。生態(tài)機(jī)組正常尾水位277.46 m，機(jī)組的毛水頭為44.54～28.54 m，水輪機(jī)運(yùn)行水頭范圍約為43.18～27.18 m。根據(jù)僅有的2020年1月1日至2020年12月31日實(shí)測(cè)的水庫水位數(shù)據(jù)計(jì)算，水庫年平均水位314.22 m，平均水頭為35.4 m。對(duì)于生態(tài)流量水電站來說，水輪機(jī)在電站整個(gè)水頭運(yùn)行范圍內(nèi)都要保證幾乎恒定的下泄生態(tài)流量。機(jī)組運(yùn)行范圍較為特別，初步擬定生態(tài)機(jī)組的額定水頭為35.00 m。

3.3 機(jī)組容量的選擇

生態(tài)機(jī)組在水庫水位變化的情況下需要按核定的生態(tài)流量0.58 m3/s恒定運(yùn)行。當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)行水頭為43.18 m時(shí)，機(jī)組最大出力為199 kW；當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)行水頭為27.18 m時(shí)，機(jī)組最小出力為129 kW。因此，推薦生態(tài)機(jī)組裝機(jī)容量為200 kW，額定水頭為35.00 m，額定流量為0.58 m3/s，機(jī)組24 h發(fā)電下泄生態(tài)流量，滿足下游生態(tài)用水需求。

生態(tài)機(jī)組多年平均出力為169 kW，年發(fā)電量為148萬kW·h，正常運(yùn)行的年利用小時(shí)數(shù)約為7 400 h。生態(tài)機(jī)組運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過電纜傳輸至原水庫電站水電站中控室和有關(guān)環(huán)保監(jiān)控機(jī)構(gòu)，可對(duì)出力和下泄流量進(jìn)行在線監(jiān)控[3]。

4 布置方式

4.1 站址的選擇

作為生態(tài)機(jī)組，其場(chǎng)址應(yīng)盡可能靠近大壩。為了保證生態(tài)機(jī)組廠房安全，要避開壩頂溢洪道棄水時(shí)挑流拋落的影響。大壩下游兩岸較陡，其中左岸陡于右岸，左岸無建廠房的地形條件，只能在右岸選址。根據(jù)壩后右岸的地形條件，初選了2個(gè)廠址方案進(jìn)行比較。廠址選擇方案對(duì)比如表2所示，廠址位置如圖1所示。

圖1 壩后生態(tài)機(jī)組廠址方案

表2 廠址選擇方案對(duì)比表

廠址1選在右岸邊緊貼壩后，現(xiàn)地面高程275～283 m，為大壩開挖范圍內(nèi)。廠址2選在泄洪洞出口左側(cè)的臺(tái)地，距大壩約70 m，現(xiàn)地面高程約283～285 m，均為基巖。

在廠址1，機(jī)組可布置在開挖邊坡與壩體之間，安裝場(chǎng)布置于283 m的臺(tái)地上，不用開挖巖石，壓力鋼管短，利用水頭高；但場(chǎng)地狹小，廠房要設(shè)防洪墻。

在廠址2，由于不方便巖石開挖，機(jī)組只能布置在285 m臺(tái)地上，機(jī)組安裝高程高，利用水頭低，壓力鋼管長(zhǎng)；但場(chǎng)地開闊，廠房地面在校核洪水位以上，不用設(shè)防洪墻。

考慮到2個(gè)廠址方案的投資相近，施工難度差不多，但廠址1的利用水頭多4 m，即發(fā)電量多12%，因此推薦廠址1方案。

4.2 機(jī)組型式的選擇

裝機(jī)容量較小的混流式水輪發(fā)電機(jī)組一般采用臥式機(jī)組，但本廠房建設(shè)的位置比較狹小，對(duì)于廠房的尺寸有一定的要求；并且臥式機(jī)組的蝸殼在濕度和溫度較高時(shí)會(huì)有大量的冷凝水，影響機(jī)組的使用壽命；因此本生態(tài)機(jī)組采用立式整裝混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

立式整裝水輪發(fā)電機(jī)組可采用直錐形尾水管和彎管型尾水管。直錐形尾水管廠房開挖比較深，但可利用的水頭比彎管型尾水管大。對(duì)于本生態(tài)機(jī)組，機(jī)組的進(jìn)出水在同一個(gè)方向，采用彎管型尾水管不利于廠房的布置；并且因?yàn)橐ＷC尾水管淹沒高度的要求，可利用的水頭較?。灰虼吮旧鷳B(tài)機(jī)組采用立式整裝混流式直錐型尾水管水輪發(fā)電機(jī)組，詳見圖2。

圖2 立式整裝混流式直錐型尾水管水輪發(fā)電機(jī)組

5 結(jié) 語

壩后式生態(tài)流量電站主要是為了解決現(xiàn)狀生態(tài)流量排放存在的問題。通過管道自由下泄生態(tài)流量，無法有效控制流量，利用視頻監(jiān)控等手段無法定量監(jiān)測(cè)流量；而生態(tài)流量機(jī)組是解決流量控制和定量監(jiān)測(cè)的有效手段。對(duì)于這類生態(tài)機(jī)組應(yīng)按無人值守要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且站址的選擇比較重要；不僅要避開大壩泄洪影響區(qū)還要兼顧生態(tài)流量的泄放，在方案論證設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮生態(tài)機(jī)組停機(jī)時(shí)備用的泄放措施；同時(shí)合理選擇裝機(jī)容量也能更好地發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。