伍志 李月彬 袁延良 毛祥虎 劉濤

【摘 要】近年來，國家對水資源水生態(tài)保護(hù)提出了更高要求，自然資源環(huán)境保護(hù)、河湖生態(tài)流量保障上升到國家戰(zhàn)略高度。貴州某水電站于2003年投運(yùn)，建設(shè)時無最小下泄生態(tài)流量要求，因此無專項生態(tài)流量泄放措施，不滿足現(xiàn)今生態(tài)環(huán)保要求。文章根據(jù)電站的地質(zhì)條件、樞紐建筑物布置型式及機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合電站的實際情況，對電站生態(tài)流量泄放措施進(jìn)行比較分析和研究，確定最優(yōu)的生態(tài)流量泄放改造方案。

【關(guān)鍵詞】水電站;生態(tài)流量;泄放措施;生態(tài)機(jī)組

【中圖分類號】TV213.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）03-0116-03

1 研究背景及工程概況

貴州某電站裝機(jī)容量為360 MW（3×120 MW），第一臺機(jī)組于2003年5月并網(wǎng)發(fā)電。近年來，國家對水資源水生態(tài)保護(hù)提出了更高要求，自然資源環(huán)境保護(hù)、河湖生態(tài)流量保障上升到國家戰(zhàn)略高度。

根據(jù)相關(guān)部門的生態(tài)流量監(jiān)管要求，當(dāng)電站廠址尾水位與下游電站庫水位不銜接時，電站應(yīng)按不小于13.7 m3/s瞬時流量控制下泄，要求電站應(yīng)進(jìn)一步落實最小下泄流量工程保障措施，確保壩址處最小下泄流量。電站建設(shè)較早，建設(shè)時無最小下泄流量要求，電站無專項生態(tài)流量泄放措施。

貴州某電站水庫總庫容為5.31億m3，正常蓄水位為1 086 m，屬不完全年調(diào)節(jié)水庫。電站裝機(jī)容量為360 MW（3×120 MW），是國家實施“西電東送”戰(zhàn)略首批開工建設(shè)的大型水電站，第一臺機(jī)組于2003年5月并網(wǎng)發(fā)電，年平均發(fā)電量為9.78億kW·h，年平均利用小時為2 717 h。水電站樞紐由混凝土面板堆石壩、左岸溢洪道、右岸發(fā)電引水洞和發(fā)電廠房等組成。

2 電站目前下泄生態(tài)流量的方式

根據(jù)相關(guān)部門對電站下放生態(tài)流量提出的監(jiān)管要求，最小下放生態(tài)流量為13.7 m3/s。

電站機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如下：額定出力為122.45 MW，額定水頭為92 m，額定流量為147.8 m3/s。機(jī)組正常運(yùn)行時，其過機(jī)流量均能滿足生態(tài)流量泄放的要求。但全廠停機(jī)時，無生態(tài)流量泄放措施，不能保證滿足生態(tài)需水要求。因此，為滿足生態(tài)流量的下泄要求，電站目前通過水輪機(jī)在空載或部分小負(fù)荷工況下長期運(yùn)行泄放生態(tài)流量。

水輪機(jī)在空載或低負(fù)荷工況下運(yùn)行時，超出了水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行推薦范圍，穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生了一系列問題，例如水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪多個葉片出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)流板脫落，泄水錐氣蝕嚴(yán)重，尾水管壓力脈動大，尾水管進(jìn)人門水平振動大，尾水管進(jìn)人門滲水等。因此，電站目前下放生態(tài)流量的方式存在較大的安全隱患，需尋求更加安全可靠的生態(tài)流量泄放措施[1]。

3 生態(tài)流量泄放措施

水電站生態(tài)流量泄放措施的選擇應(yīng)遵循因地制宜、安全可靠、技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)適用的原則。根據(jù)電站不同開發(fā)方式和樞紐布置特點(diǎn)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案比較，選擇適合電站的泄流設(shè)備設(shè)施。生態(tài)流量泄放設(shè)施的改造或增設(shè)應(yīng)符合國家有關(guān)設(shè)計、施工、運(yùn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

常見的生態(tài)流量泄放措施有增設(shè)生態(tài)流量泄放管、新建生態(tài)電站、改造閘門、增設(shè)虹吸管及水泵抽水等。初步分析本電站的樞紐布置型式、地質(zhì)條件及機(jī)組的運(yùn)行情況，綜合考慮方案的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，增設(shè)生態(tài)流量泄放管、閘門改造及增設(shè)虹吸管方案施工難度過大或無實施條件，水泵抽水方案每年要消耗大量的電能且運(yùn)行檢修維護(hù)工作增加，經(jīng)濟(jì)性較差，因此排除上述幾個方案。根據(jù)電站的實際情況，初步確定了兩個可行的方案，分別為水輪機(jī)寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行整體改造方案和新建生態(tài)電站方案。

3.1 水輪機(jī)寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行整體改造

近年來，我國在混流式水輪發(fā)電機(jī)組研發(fā)方面已經(jīng)走在世界前列，模型轉(zhuǎn)輪的研發(fā)技術(shù)水平和水輪機(jī)的設(shè)計制造能力都有了很大的提高[2]。在水力試驗方面，我國已建成覆蓋混流式、軸流式、可逆式（水泵水輪機(jī)）、貫流式、沖擊式機(jī)組水力開發(fā)的專用水力試驗臺。所有試驗臺均具有自動化程度高和測試精度高的特點(diǎn)，綜合測量誤差處于國際先進(jìn)水平，部分試驗臺的測試精度達(dá)到國際領(lǐng)先水平，完全具備按照國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各種性能試驗的能力。

國內(nèi)部分新建及改造電站的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，通過采用最新的水輪機(jī)設(shè)計制造技術(shù)，對全套水輪機(jī)部件針對電站實際情況進(jìn)行“量體裁衣”式設(shè)計，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，特別是低負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定性，基本實現(xiàn)了“寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行”。

參考國內(nèi)新建及改造混流式水輪發(fā)電機(jī)組實現(xiàn)“寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行”的成功案例，采用最新的水輪機(jī)設(shè)計制造技術(shù)，重點(diǎn)針對水輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時的穩(wěn)定性，結(jié)合電站的實際運(yùn)行情況，有針對性地進(jìn)行模型轉(zhuǎn)輪研發(fā)及水輪機(jī)設(shè)計制造，使整體改造后的水輪機(jī)滿足在低負(fù)荷下長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求，電站通過機(jī)組長期低負(fù)荷運(yùn)行下放生態(tài)流量的方案基本可行。

由于混流式水輪機(jī)的固有特性，水輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時，與設(shè)計工況偏離較大，轉(zhuǎn)輪的繞流及出流條件將發(fā)生較大變化，水輪機(jī)的效率及穩(wěn)定性相對于設(shè)計工況仍會下降明顯。國內(nèi)雖有混流式水輪機(jī)通過改造實現(xiàn)“寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行”的成功案例，但該技術(shù)的實施及應(yīng)用仍處于起步階段，可參照的應(yīng)用實例數(shù)量有限，并且每個電站的實際情況及邊界條件不盡相同，因此如果采用水輪機(jī)整體改造方案，仍需針對電站的實際情況開展進(jìn)一步的研究，確保水輪機(jī)改造的效果[3]。

根據(jù)貴州某水電站2016年的機(jī)組效率試驗報告顯示，機(jī)組帶10 MW負(fù)荷時，綜合效率僅為35%，因此通過水輪機(jī)整體改造，雖然解決了水輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行下放生態(tài)流量時的穩(wěn)定性問題，但是低負(fù)荷運(yùn)行時機(jī)組綜合效率非常低，水能不能充分利用。

3.2 新建生態(tài)電站

在電站合適位置新建生態(tài)電站，大機(jī)停機(jī)時，通過新建的生態(tài)小機(jī)下放生態(tài)流量。該方案可以解決原機(jī)組水輪機(jī)存在的問題及安全隱患，同時保證生態(tài)流量的泄放，由于下放生態(tài)流量時，生態(tài)機(jī)組運(yùn)行在較優(yōu)的工況，因此生態(tài)機(jī)組運(yùn)行的綜合效率較高，對水能的利用更加充分，能產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.1 生態(tài)電站裝機(jī)容量

生態(tài)機(jī)組裝機(jī)容量確定時，考慮電站特征水位及原機(jī)組運(yùn)行方式保持不變。在此前提下，結(jié)合生態(tài)流量的下泄要求進(jìn)行裝機(jī)容量的擬定。

根據(jù)水庫特征水位及運(yùn)行方式保持不變，計算生態(tài)機(jī)組工作水頭范圍為112～75.68 m，生態(tài)小機(jī)組加權(quán)平均工作水頭為98.12 m，初擬生態(tài)小機(jī)額定水頭為98 m，需下放的生態(tài)流量為13.7 m3/s，新建生態(tài)電站裝機(jī)容量為14 MW。

3.2.2 生態(tài)電站工程布置

考慮地形地質(zhì)條件、施工布置、建筑物協(xié)調(diào)布置等因素，結(jié)合已有建筑物（原引水發(fā)電系統(tǒng)和2#導(dǎo)流洞）的布置情況，在原引水隧洞和2#導(dǎo)流洞之間新建地下廠房，利用原引水隧洞作為引水通道，原2#導(dǎo)流洞作為尾水通道的布置方案，新建生態(tài)電站樞紐平面布置如圖1所示。該方案樞紐布置及地質(zhì)條件無重大制約因素，利用原電站引水發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)水口及導(dǎo)流洞作為引水及尾水通道，技術(shù)可行且有利于節(jié)約投資。

3.2.3 生態(tài)電站機(jī)組型式及裝機(jī)臺數(shù)

由于生態(tài)電站主要任務(wù)為泄放生態(tài)流量，一般情況下只在電站大機(jī)停機(jī)時運(yùn)行，生態(tài)機(jī)組的檢修可考慮在大機(jī)發(fā)電時進(jìn)行，生態(tài)電站裝機(jī)臺數(shù)的選擇應(yīng)在滿足生態(tài)流量泄放及機(jī)組檢修的前提下使電站的運(yùn)行、檢修及維護(hù)工作盡量簡便，根據(jù)本電站裝機(jī)容量、水頭范圍，結(jié)合樞紐布置，初步推薦本生態(tài)電站裝設(shè)1臺單機(jī)容量為14 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。同時，為保證大機(jī)停機(jī)、生態(tài)機(jī)組事故檢修時生態(tài)流量的泄放，生態(tài)機(jī)組旁設(shè)置1根旁通管，旁通管上設(shè)置1個生態(tài)流量閥，保證生態(tài)流量的泄放。

新建生態(tài)電站裝機(jī)容量為14 MW，水頭范圍為75.68～112 m，根據(jù)生態(tài)電站的水頭段，新建生態(tài)電站采用立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

3.2.4 發(fā)電廠房布置

地下廠房總尺寸（長×寬×高）為41.5 m×14.5 m×27.2 m，從近壩側(cè)到遠(yuǎn)壩側(cè)依次布置主機(jī)間、安裝間（副廠房布置在安裝間下部）。主機(jī)間內(nèi)安裝1臺14 MW水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬機(jī)電設(shè)備，機(jī)組安裝高程為970.5 m，主機(jī)間段總長為22.0 m;為便于結(jié)構(gòu)布置、使設(shè)備布置更加緊湊，保證上下游側(cè)通道暢通，并減少廠房跨度，參考已建類似工程經(jīng)驗，機(jī)組中心線與上、下游側(cè)開挖巖體間距分別為8.5 m和6.0 m。廠內(nèi)安裝80 t/20 t雙小車橋式起重機(jī)，吊運(yùn)轉(zhuǎn)子的主要通道設(shè)在發(fā)電機(jī)層上游側(cè)，軌頂高程為987.7 m。吊車梁型式為巖壁式。廠房巖錨吊車梁層以上跨度為15.5 m，吊車梁層以下廠房跨度為14.5 m。廠房布置從下至上依次為尾水管層、操作廊道層、技術(shù)供水設(shè)備層、水輪機(jī)層、發(fā)電機(jī)層、吊車梁層。圖2為生態(tài)電站廠房縱剖面布置。

4 生態(tài)流量泄放措施技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析

根據(jù)以上對電站生態(tài)流量泄放措施的研究，初步確定了水輪機(jī)寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行整體改造和新建生態(tài)電站兩個方案，以下對兩個方案進(jìn)行對比分析。

4.1 技術(shù)可行性對比分析

根據(jù)前述分析，通過水輪機(jī)整體改造，實現(xiàn)“寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行”，機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行下泄生態(tài)流量的方案基本可行。但由于此項技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用的案例仍然有限，考慮到本電站水頭變幅較大，水輪機(jī)整體改造效果存在一定的不確定性，因此仍需針對電站的具體情況進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

新建生態(tài)電站，大機(jī)停機(jī)時，通過新建的生態(tài)小機(jī)下放生態(tài)流量，可以解決生態(tài)流量的泄放問題，經(jīng)分析論證，利用原引水隧洞及原右岸2#導(dǎo)流洞新建生態(tài)電站的方案，無重大制約因素，該方案能避免利用大機(jī)下放生態(tài)流量帶來的安全隱患，同時水量得到充分利用，方案技術(shù)可行[4]。

4.2 經(jīng)濟(jì)性對比分析

經(jīng)統(tǒng)計分析，新建生態(tài)機(jī)組下放13.7 m3/s生態(tài)流量時，年運(yùn)行小時數(shù)約5 400 h，下放生態(tài)流量時生態(tài)機(jī)組水輪機(jī)平均效率約91.5%，發(fā)電機(jī)平均效率約96.5%，機(jī)組綜合效率約88.3%，經(jīng)計算，生態(tài)機(jī)組下放13.7 m3/s的生態(tài)流量，年發(fā)電量為6 277萬kW·h。

根據(jù)相關(guān)文件，結(jié)合電站實際運(yùn)行情況的統(tǒng)計，電站在枯水期水庫來水量較少時，機(jī)組通過帶10 MW負(fù)荷保證生態(tài)流量的下放。120 MW機(jī)組帶10 MW負(fù)荷運(yùn)行時，水輪機(jī)嚴(yán)重偏離設(shè)計工況，水輪機(jī)效率下降嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)效率也有明顯下降，水輪發(fā)電機(jī)組綜合效率很低，機(jī)組綜合效率約35%，考慮兩個方案下放生態(tài)流量水量相同，經(jīng)計算，120 MW機(jī)組通過帶10 MW的負(fù)荷下放生態(tài)流量，年發(fā)電量為2 532.8萬kW·h。

經(jīng)初步對比分析，新建生態(tài)電站方案的總投資高于水輪機(jī)整體改造方案，新建生態(tài)電站的一次性投資較高;但通過新建生態(tài)電站下放生態(tài)流量的年發(fā)電量高于通過原機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行下放生態(tài)流量的發(fā)電量，生態(tài)電站下放生態(tài)流量產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益較高[5]。

5 結(jié)論

水輪機(jī)寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行整體改造方案，僅對原水輪機(jī)進(jìn)行改造，無新建工程設(shè)施，電站的水工建筑物包括引水系統(tǒng)、廠房結(jié)構(gòu)等基本維持不變，或僅作局部修改、加強(qiáng)及修補(bǔ)。施工難度不大，通過水輪機(jī)整體改造實現(xiàn)“寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行”下泄生態(tài)流量的方案基本可行。但是低負(fù)荷運(yùn)行時機(jī)組的綜合效率較低，對水能的利用不充分，并且該技術(shù)的實施及應(yīng)用仍處于起步階段，可參照的應(yīng)用實例數(shù)量有限，仍需針對電站的實際情況，開展進(jìn)一步的研究，確保水輪機(jī)改造的效果。

經(jīng)分析研究，新建生態(tài)電站方案的地質(zhì)條件及樞紐布置無重大制約因素，可徹底解決生態(tài)流量的下放問題，并且對水能的利用較充分，能產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益，方案可行，但該方案的一次性投資較高，若實施需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案，提高方案的經(jīng)濟(jì)性。

綜合比較，推薦采用新建生態(tài)電站作為生態(tài)流量泄放措施。

參 考 文 獻(xiàn)

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