石頭河水庫壩后水電站增效擴容及改造技術(shù)合理性探析

(陜西省石頭河水庫灌溉管理局，陜西 眉縣 722300)

石頭河水庫壩后水電站增效擴容及改造技術(shù)合理性探析

陳利鋒

(陜西省石頭河水庫灌溉管理局，陜西 眉縣 722300)

石頭河水庫樞紐工程位于陜西省眉縣西南15km的石頭河干流上，為Ⅱ等大(2)工程，利用石頭河水庫落差，修建了壩后水電站，壩后水電站位于寶雞市眉縣斜峪關(guān)，是一座壩后引水式電站，建成于1991年，裝機四臺，總裝機容量18 500 kW 。壩后水電站自1991年建成運行以來，幾臺機組已先后出現(xiàn)機電設(shè)備磨損及老化現(xiàn)象家中以及設(shè)備效能低下等問題。運行可靠性逐年減弱，安全隱患明顯增多，已對電站運行造成嚴重威脅。通過對壩后水電站增效擴容的必要性及設(shè)計方案進行分析論證，確定增效擴容設(shè)計方案主要對原尾水池和尾水渠進行改造，經(jīng)水力計算，尾水渠及尾水池加寬0.75 m和1.0 m時，池頂高程還須加高0.21～0.3 m和0.15～0.2 m。壩后水電站增效擴容改造的實施后，提高了水電站運行的經(jīng)濟性，達到了良好的效果。 為同類工程提供參考。

壩后水電站；增效擴容；設(shè)計方案；分析

1 石頭河水庫概況

石頭河水庫樞紐工程位于陜西省眉縣西南15 km的石頭河干流上，工程任務(wù)以供水、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電。壩址位于斜峪關(guān)以上1.5 km的溫家山，控制流域面積673 km2。設(shè)計多年平均徑流3.974億 m3，多年平均流量12.6 m3/s。根據(jù)工程規(guī)模、效益和重要性，確定工程級別為Ⅱ等大(2)工程，地震設(shè)防烈度為8度。樞紐工程由攔河壩、溢洪道、輸水洞、泄洪洞及壩后電站等組成。石頭河水庫利用水庫落差和渠道落差，先后修建了三座電站。石頭河水庫利用水庫落差和渠道落差，先后修建了三座電站。其中利用石頭河水庫落差，修建了壩后水電站，利用石頭河水庫總干渠向北、西兩干渠供水的渠道落差，修建了斜峪關(guān)電站，利用石頭河水庫東干渠湯峪陡坡的渠道落差，修建了湯峪水電站。

壩后水電站位于寶雞市眉縣斜峪關(guān)，是一座壩后引水式電站，建成于1991年，裝機四臺，總裝機容量18 500 kW 。其中1#、2#、3#機組為立軸混流式水輪發(fā)電機組，設(shè)計年發(fā)電量5 600萬 kW·h，年利用小時3 400 h；1#機組容量6 500 kW，設(shè)計水頭52 m，設(shè)計流量15.8 m3/s；2#、3#機組容量5 000 kW，設(shè)計水頭80 m，設(shè)計流量8.15 m3/s ；4#機組為臥軸混流式水輪發(fā)電機組，容量2 000 kW，設(shè)計年發(fā)電量1 005萬 kW·h，年利用小時5 025 h，機組設(shè)計水頭58 m，設(shè)計流量4.18 m3/s 。

2 壩后水電站運行中存在問題

壩后水電站自1991年建成運行以來，幾臺機組已先后出現(xiàn)機電設(shè)備磨損及老化現(xiàn)象家中以及設(shè)備效能低下等問題。運行可靠性逐年減弱，安全隱患明顯增多，已對電站運行造成嚴重威脅。

(1)1#機組由于水庫運行方式和功能變化，加之引紅濟石調(diào)水工程建成后，水庫長時間運行于高水位，超出1#機組適用水頭，造成機組閑置；1#發(fā)電機出現(xiàn)定子線圈短路、絕緣老化、部分磁極損壞、推力瓦燒瓦等現(xiàn)象。

(2)壩后電站2#、3#機組分別于1994年、2001年更換轉(zhuǎn)輪，目前水輪機效率仍然比較低(水輪機額定效率82%，機組綜合效率約76%，低于81%)，汽蝕嚴重。主變運行34年，效率低，能耗大，存在嚴重技術(shù)缺陷和安全隱患，加之1#機組改造后容量不足；35kV輸電線路已運行35年，遠遠超過線路規(guī)定使用年限，送電設(shè)施老化嚴重，加之“5.12”地震也對線路造成了嚴重破壞。該線路共有58基電桿，桿身不同程度出現(xiàn)裂紋，金具、拉線等銹蝕嚴重，且線路運行環(huán)境惡劣、維護困難，一直帶病運行，線路安全存在巨大隱患。

(3)高壓開關(guān)柜不能滿足“五防”要求，開關(guān)漏油、卡阻拒動現(xiàn)象頻繁，嚴重影響機電設(shè)備安全運行，自動化落后，繼電保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理、靈敏度低、穩(wěn)定性差、維護不便，不能滿足安全運行和自動化要求需要。

(4)1#～3#主閥漏水嚴重，接力器嚴重漏油，蝶閥鎖錠損壞，設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；電站無尾水閘門，不利于檢修；壓力管道銹蝕嚴重，已嚴重影響安全運行。

(5)10 kV線路和0.4 kV線路運行30年，拉線、金具嚴重銹蝕，砼桿身出現(xiàn)裂紋，線路架空導(dǎo)線型號不一致，損耗大；四臺用電變壓器為損耗較大的SJ1型變壓器，屬淘汰產(chǎn)品，需要更換。

3 壩后水電站增效擴容的必要性分析

石頭河水庫建庫初期，水庫功能主要是以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等。隨著石頭河水庫向西安供水工程的建成，工程任務(wù)為在滿足下游河道生態(tài)用水量情況下，以城市供水為主，同時兼顧灌溉及發(fā)電，石頭河水庫電站增效擴容是非常必要的。

(1)水庫水位的變化使得1#機組適應(yīng)水頭已不能滿足水庫運行方式的變化。由于引紅濟石調(diào)水進入石頭河水庫，石頭河水庫高水位運行時間將大大增加。壩后電站1#機組適應(yīng)水頭已不能滿足水庫運行方式的變化，如果1#機還按原設(shè)計水頭運行，將造成機組出力不足，機組閑置。

(2)設(shè)備陳舊老化，機組效率低，自動化水平低，能耗高、浪費嚴重；電站主要設(shè)備運行20余年時間，在機組主機、輔機、勵磁、保護及監(jiān)控、自動化元件、廠房通風(fēng)采暖等主要方面，設(shè)備陳舊落后，老化嚴重，效率和自動化程度低，故障率高，部分設(shè)備和設(shè)施已接近使用年限或超期服役，壓力鋼管等金屬部件銹蝕嚴重，設(shè)備噪音超標(biāo)，特別是發(fā)電機等主要電氣設(shè)備的保護，主要為老式繼電器元件，靈敏度低，可靠性差，而且零配件購置困難，給設(shè)備的檢修維護帶來困難；一些零部件因無生產(chǎn)廠家而難以更換，多數(shù)已接近報廢標(biāo)準(zhǔn)，且能源消耗極高。

(3)電站的變壓器、電動機和廠用負荷，絕大多數(shù)為高耗能產(chǎn)品，主變壓器和廠用變壓器均采用S系列電力變壓器，高壓開關(guān)均采用油斷路器，高壓隔離開關(guān)均采用手動機械操作機構(gòu)，這些設(shè)備經(jīng)過30多年的運行，存在可靠性降低、故障率高、維護量逐年增大、設(shè)備自身能耗加大等一系列問題。

(4)工作人員勞動強度大，工作和安全生產(chǎn)條件差，機組自動化程度低，主要為手動操作，設(shè)備利用效率低，事故率高。

(5)國家產(chǎn)業(yè)政策的客觀要求。國家提倡建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，倡導(dǎo)建立能源節(jié)約機制和環(huán)境保護機制，要求全國農(nóng)村水電站必須進行技術(shù)改造以達到“無人值班、少人值守”的要求，提高自動化水平、可靠性和安全性。對石頭河水電站的高能耗、高污染、高浪費以及故障高的設(shè)備進行改造是國家有關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的客觀要求。

綜上所述，

4 壩后水電站增效擴容改造方案設(shè)計

壩后電站的改造主要針對水輪發(fā)電機組主要設(shè)備和附屬設(shè)備的更新改造，不改變原引水系統(tǒng)和廠房內(nèi)的建筑布局，增加了1#機組運行水頭，改變了機組閑置的現(xiàn)狀，提高了機組運行的效率。改造后輸水洞分流進入廠房的流量由原來的27.96 m3/s增加到30.33 m3/s，流量增大2.37 m3/s，經(jīng)對原尾水池和尾水渠的過流能力進行復(fù)核，不滿足現(xiàn)狀運行要求，因此主要對原尾水池和尾水渠進行改造。

壩后電站的改造主要針對水輪發(fā)電機組主要設(shè)備和附屬設(shè)備的更新改造，不改變原引水系統(tǒng)和廠房內(nèi)的建筑布局，增加了1#機組運行水頭，改變了機組閑置的現(xiàn)狀，提高了機組運行的效率。改造后輸水洞分流進入廠房的流量由原來的27.96 m3/s增加到30.33 m3/s，流量增大2.37 m3/s，經(jīng)對原尾水池和尾水渠的過流能力進行復(fù)核，不滿足現(xiàn)狀運行要求，因此須對原尾水池和尾水渠進行改造。

4.1 尾水池和尾水渠現(xiàn)狀

尾水池凈寬18.274 m，長13.82 m，側(cè)向與尾水渠相接。尾水池從廠縱0+015.5 m～廠縱0+025.32 m為1:3倒坡段，用以連接尾水閘底高程707.867 m，從廠縱0+025.32 m～廠縱0+029.32 m為平底段，底板高程711.14 m，池頂高程左側(cè)717.3 m，右側(cè)714.55 m，下游側(cè)部分高程715.10 m,部分714.88 m。尾水渠全長85.85 m，從尾0+000～尾0+018.76 m為矩形斷面明渠，底寬4.0 m，從尾0+018.76 m～尾0+023.76 m為5 m寬橋，渠道斷面仍為4.0 m寬矩形，之后為5 m扭面，從尾0+028.76 m～尾0+085.85 m為梯形斷面明渠，底寬3.0 m，坡比1:0.5，尾水渠進口底高程711.64 m，出口高程711.43 m，渠底比降1/400。

4.2 尾水池下游水位計算

2012年2月16日，石頭河壩后電站管理局實測尾水池水尺處水位713.35 m，此時機組過流量為9.5 m3/s。在該引水流量下，對尾水池不同糙率情況下渠道末端正常水深分別進行計算，結(jié)果見表1。

表1 不同糙率時渠道末端正常水深

以渠道末端正常水深為起始水深，利用能量方程，推求尾水池水尺處水面高程，計算結(jié)果見表2。

表2 不同糙率時尾水池水尺處水面高程 m

從表2可見，相比之下糙率n=0.016時，尾水池水尺處水面高程與實測水面高程相對較接近。考慮渠道運行多年，淤積等原因的影響，濾定渠道糙率n=0.016。2004年渠道曾經(jīng)過流28 m3/s時，當(dāng)時渠道水面已經(jīng)到交通橋橋面板上，高程為713.78 m，經(jīng)水面線推求，當(dāng)Q=28 m3/s、糙率n=0.016時，該樁號的水面高程為713.759 m，與實際水面基本吻合。因此最終濾定渠道糙率n=0.016。Q=30.33 m3/s時尾水池及尾水渠水面線計算結(jié)果見表3。

4.3 尾水池及尾水渠改造方案確定

根據(jù)表3水面線計算結(jié)果，電站最大過流量增大到30.33 m3/s時，尾水池及下游尾水渠過流能力不同程度的不足，因此過水?dāng)嗝嫘韪脑旒哟?，改造總的原則為工程量省，工期短。

現(xiàn)狀尾水池平面布置成90°彎道，池內(nèi)壅水較嚴重，經(jīng)水力計算，尾水渠及尾水池加寬0.75 m和1.0 m時，池頂高程還須加高0.21～0.3 m和0.15～0.2 m，說明僅加寬尾水池上部寬度，很難再降低池內(nèi)水深，尾水池不僅要加寬還須加高，斷面擴寬工程量大并且影響工程運行，損失電量，不經(jīng)濟，因此考慮加高尾水池和尾水渠側(cè)墻以滿足過流能力，加高側(cè)墻后，當(dāng)流量在27.96 m3/s以下時，尾水池內(nèi)水位和原來基本一致，不影響發(fā)電量，當(dāng)流量在27.96 m3/s到30.33 m3/s時池內(nèi)水面超過原設(shè)計值，會損失一些電量，水庫僅在7-9月份汛期，水庫出現(xiàn)棄水情況下，1#機和2#、3#可同時運行，會出現(xiàn)這種情況，因而損失的電量很小，可以忽略不計。

表3 尾水池及尾水渠水面線計算結(jié)果 m

5 結(jié)語

通過壩后水電站增效擴容改造的實施，提高了水電站運行的經(jīng)濟性，達到了良好的效果?？墒闺娬鞠到y(tǒng)合理的進行調(diào)度，保持高水頭運行，使機組在高效率區(qū)運行，電站增效擴容不僅增加了效益，節(jié)約了能源，更重要的是提高了電站運行可靠性，可以防止不正常工作狀態(tài)下發(fā)展成事故，又可使發(fā)生事故的設(shè)備免遭更嚴重的破壞，增效擴容方案實施后，降低了運行和維護人員的勞動強度，改善生活條件，提高工作效率， 將有利于石頭河水庫灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境的改善， 提高了項目區(qū)生存環(huán)境質(zhì)量，保障國民經(jīng)濟和社會發(fā)展，電站增效擴容項目建設(shè)將帶動社會增加就業(yè)人員、繁榮經(jīng)濟、提高社會福利、精神文化生活。

[1]張新萍，胡靜，等.陜西省石頭河水庫水電站增效擴容改造工程初步設(shè)計報告[R].陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院.2012.

[2]李瑾，汪海波. 淺談臥龍臺電站增效擴容改造方案. 黑龍江科技信息.2013.(26):142.

[3]李健晗. 石頭河水庫功能變化與1號水輪機增效改造研究.中國農(nóng)村水利水電.2014.(8):110-115.

TV738

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1004-1184(2017)05-0182-02

2017-05-14

陳利鋒(1980-)，男，陜西眉縣人，助理工程師，主要從事水力發(fā)電運行技術(shù)指導(dǎo)工作。