引水式水電站生態(tài)流量的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邱雄挺

（浙江浙能華光潭水力發(fā)電有限公司，浙江 杭州 311322）

0 引言

水電站生態(tài)流量對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、綠色發(fā)展、農(nóng)田灌溉、民生用水等發(fā)揮著至關(guān)重要作用。早期，國(guó)內(nèi)建造的水電站基本未配備生態(tài)流量下泄設(shè)施，水電站的節(jié)流斷水對(duì)下游的河道、生態(tài)、生物鏈、環(huán)境等造成一定程度上的破壞。如何既可持續(xù)發(fā)展，保證河道、湖泊生態(tài)水源，滿足生態(tài)水源流量要求，又避免水電站水資源浪費(fèi)造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，實(shí)現(xiàn)水電站的生態(tài)流量下泄，成為一些水電站面臨的難題。本文以華光潭二級(jí)水電站為例，介紹引水式水電站生態(tài)流量下泄的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 工程概況

華光潭二級(jí)水電站位于浙江省杭州市臨安區(qū)境內(nèi)分水江干流昌化江上游的巨溪上，二級(jí)大壩攔河壩為C15砼重力壩，發(fā)電引水系統(tǒng)位于大壩右岸，由進(jìn)水口、發(fā)電引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道等組成，全長(zhǎng)5 188 m。大壩左岸底部設(shè)一根直徑800 mm的放水管，放水管上設(shè)有1臺(tái)Φ800 mm錐形閥作為工作閥門，1臺(tái)Φ800 mm電動(dòng)伸縮蝶閥作為檢修閥門，錐形閥和蝶閥用于控制水庫放水。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 水位參數(shù)

校核洪水位（P=0.5%） 231.75 m

設(shè)計(jì)洪水位（P=2%） 230.35 m

正常蓄水位 227.70 m

死水位 227.00 m

生態(tài)流量下泄庫水位區(qū)間 220～228 m

2.2 生態(tài)流量參數(shù)

生態(tài)流量 0.269 m3/s

2.3 改造方案

放水管室長(zhǎng)約6 m，放水管中心高程213.30 m，內(nèi)徑800 mm，鋼管厚度10 mm。放水管從大壩上游側(cè)穿管至大壩下游側(cè)，大部分管道為混凝土外包，僅在放水管閥室中檢修蝶閥和錐形閥彎管處具備支管焊接條件。錐形閥彎管處增設(shè)支管會(huì)影響錐形閥放水時(shí)的水流狀態(tài)，容易造成振動(dòng)、氣蝕等不利后果，且錐形閥彎管位于室外高空，不便于安裝作業(yè)。因此考慮在檢修蝶閥下游側(cè)增設(shè)生態(tài)流量下泄支管。

大壩生態(tài)流量下泄庫水位區(qū)間為220～228 m，水位變動(dòng)幅度較大，根據(jù)生態(tài)流量下泄計(jì)算結(jié)果，支管管徑選用DN350 mm，支管中心高程214.65 m。選用DN350 mm,0.6 MPa活塞式流量調(diào)流閥作為生態(tài)流量下泄支管工作閥，調(diào)流閥配備遠(yuǎn)程控制接口。調(diào)流閥上游側(cè)設(shè)DN350 mm,0.6 MPa插入式電磁流量計(jì)，流量計(jì)配備數(shù)據(jù)傳輸接口?？紤]生態(tài)流量下泄支管、閥組定期維護(hù)檢修方便，在電磁流量計(jì)上游設(shè)置一道DN350 mm,0.6 MPa的法蘭式手動(dòng)閘閥。

生態(tài)流量下泄由PLC控制系統(tǒng)控制調(diào)流閥調(diào)節(jié)，PLC控制系統(tǒng)程序根據(jù)預(yù)設(shè)定的流量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。生態(tài)流量下泄時(shí)，流量計(jì)將檢測(cè)到的支管流量經(jīng)變送器發(fā)送信號(hào)至PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)定的流量值對(duì)調(diào)流閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出信號(hào)，進(jìn)而使調(diào)流閥執(zhí)行開度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以保證下泄設(shè)施按照預(yù)設(shè)的流量進(jìn)行泄放。

檢修蝶閥設(shè)旁通閥及空氣閥，為不影響原放水管的正常功能及流態(tài)，將支管焊接位置布置在旁通閥另一側(cè)。DN350 mm支管通過DN500 mm/DN350 mm漸變管與DN800 mm放水管連接，漸變管進(jìn)口設(shè)攔污濾網(wǎng)，防止污物進(jìn)入支管影響調(diào)流閥穩(wěn)定運(yùn)行，濾網(wǎng)孔徑要小于調(diào)流閥流道孔徑，在濾網(wǎng)正對(duì)面DN800 mm管道上開設(shè)DN150 mm法蘭式透明石英悶蓋作為觀察和濾網(wǎng)清掃口，并在濾網(wǎng)前后（放水管和漸變管位置）分別配設(shè)不銹鋼機(jī)械式壓力表以檢測(cè)濾過前后水壓。放水支管均沿墻布置并預(yù)留安裝操作空間以便日常運(yùn)行管理。支管每隔一定距離設(shè)置支撐環(huán)，支撐構(gòu)件與混凝土結(jié)構(gòu)采用化學(xué)植筋緊固連接，以保證管道、閥門等設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 生態(tài)流量放水改造方案圖

3 設(shè)備選型與安裝工藝流程

3.1 調(diào)流閥

調(diào)流閥型式為活塞式調(diào)流閥，型號(hào)HL94X-10，通徑DN350 mm，承壓0.6 MPa,調(diào)節(jié)范圍0.001～0.45 m3/s，調(diào)流閥具備自調(diào)節(jié)功能和遠(yuǎn)控功能。

3.2 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置Auma采用模塊化設(shè)計(jì)，由齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、限位開關(guān)等組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，便于調(diào)試、維護(hù)和維修。驅(qū)動(dòng)裝置為自鎖式的輸出，即使在手動(dòng)模式下仍保持自鎖。

3.3 電磁流量計(jì)

流量計(jì)為科隆插入式電磁流量計(jì)，通徑DN350 mm，承壓0.60 MPa，具備雙套數(shù)據(jù)傳輸功能，傳輸方式為RS-485數(shù)字通信信號(hào)輸出。

3.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用PLC控制，接受水電站集控中心的調(diào)度并實(shí)現(xiàn)調(diào)流閥的自控制調(diào)節(jié)，采用全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在調(diào)度中心完成生態(tài)流量下泄的監(jiān)測(cè)、調(diào)度和控制，也可現(xiàn)地控制，硬件滿足RS-485輸入輸出要求。

3.5 設(shè)備安裝工藝流程

圖2 設(shè)備安裝工藝流程圖

3.6 金屬結(jié)構(gòu)防腐

鋼管安裝前，對(duì)鋼管內(nèi)表面進(jìn)行涂料防腐處理，涂刷前用鋼絲刷將鋼管內(nèi)壁浮銹清理干凈，內(nèi)表面達(dá)到 Sa2.5級(jí)，表面粗糙度 Ra 40～70 μm，浮銹清理后使用中性清洗劑清洗管道并使之充分干燥，再涂刷防腐涂料，底層超厚漿型環(huán)氧漆瀝青防銹底漆250 μm，面層超厚漿型環(huán)氧漆瀝青面漆250 μm，且涂料需滿足飲用水衛(wèi)生要求。

鋼管安裝好后，清除鋼管外表面污物，外表面除銹等級(jí)應(yīng)達(dá)到Sa2.5級(jí)，表面表面粗糙度Ra 40～70 μm，先涂環(huán)氧富鋅底漆60 μm，再涂環(huán)氧云鐵中間漆80 μm，最后涂改性耐磨環(huán)氧漆涂料100 μm。

4 試運(yùn)行

水電站生態(tài)流量下泄設(shè)施投入運(yùn)行至今穩(wěn)定、可靠。核對(duì)現(xiàn)地流量計(jì)與現(xiàn)地控制柜、集控中心、監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái)流量顯示一致。水電站集控中心通過上位機(jī)下令設(shè)定生態(tài)下泄流量值，現(xiàn)地控制系統(tǒng)接收指令后，調(diào)流閥進(jìn)行自動(dòng)流量調(diào)節(jié)。當(dāng)二級(jí)水庫水位發(fā)生變動(dòng)時(shí)，調(diào)流閥跟蹤設(shè)定的流量值進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，使下泄流量滿足設(shè)定值要求。

5 解決難題

（1）水電站現(xiàn)有放水管錐形閥和蝶閥不具備生態(tài)流量調(diào)節(jié)功能，錐形閥作為工作閥，正常為常關(guān)，當(dāng)水庫需要放水時(shí)，打開錐形閥放水，消能方式為空中消能。蝶閥作為檢修閥門，正常為常開，當(dāng)錐形閥需要檢修時(shí)，關(guān)閉蝶閥阻斷水流便于檢修。

（2）放水管閥室布置緊湊，錐形閥與檢修蝶閥之間澆筑大體積混凝土，在Φ800 mm管道上配設(shè)流量計(jì)難以實(shí)時(shí)，且難以滿足流量計(jì)設(shè)置對(duì)流量計(jì)前后直管段的長(zhǎng)度要求。根據(jù)生態(tài)流量下泄改造要求，生態(tài)流量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，需要對(duì)生態(tài)流量下泄管配設(shè)流量計(jì)，以實(shí)現(xiàn)生態(tài)下泄流量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。通過增加旁路管減少管道通徑，從而縮短管道長(zhǎng)度，使之滿足流量計(jì)安裝技術(shù)要求。

（3）現(xiàn)裝套筒式錐形閥在不同庫水位下的流量開度線性關(guān)系不強(qiáng)，通過套筒式錐形閥前后位置變化改變過流斷面難以實(shí)現(xiàn)流量的精準(zhǔn)控制，難以滿足生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的精度要求。通過活塞式流量閥可實(shí)現(xiàn)流量的精度調(diào)節(jié)。

（4）通過控制系統(tǒng)PLC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，解決了生產(chǎn)人員從電站趕到大壩耗時(shí)長(zhǎng)的問題，集控中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瞬時(shí)流量，實(shí)時(shí)通過流量設(shè)定操作調(diào)流閥動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

6 結(jié)束語

華光潭水電站生態(tài)流量下泄設(shè)施已投入運(yùn)行，既滿足了生態(tài)流量下泄要求，又有效地控制了水庫水資源的浪費(fèi)。

為保障河湖生態(tài)用水，推進(jìn)水電站綠色發(fā)展，本文對(duì)不具備生態(tài)流量下泄要求的水電站實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量下泄具有一定的借鑒作用。