引水式水电站生态小机建设的可行性研究

刘基兴，朱战齐，胡德秀

（1.大唐石泉水力发电厂，陕西石泉 725200；2.西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048）

引水式水电站生态小机建设的可行性研究

刘基兴1，朱战齐1，胡德秀2

（1.大唐石泉水力发电厂，陕西石泉 725200；2.西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048）

为了满足环保要求，解决老水电站没有设置生态流量放流孔的问题，结合某水电站实际情况，利用工程现有条件，在不影响电站的安全运行和防汛要求、不改变电站原有功能和运行方式的前提下，利用原工程遗留的施工支洞开展安装生态小机的可行性研究。结果表明该电站可进行生态小机的安装，并在安装之后可为电站每年增加经济效益556.53万元、减少损失523.2万元，该方案为老水电厂满足环保要求提供了思路。

生态流量；生态小机；施工支洞

1 生态机组安装的必要性

2015年1月1日起施行的《中华人民共和国环境保护法》将保护环境作为一项国家的基本国策。按照“环境保护坚持保护优先、预防为主、综合治理、公众参与、损害担责”的原则。国家在重点生态功能区、生态环境敏感区和脆弱区等区域划定生态保护红线，实行严格保护。国家环境保护部、能源局2014年5月10日颁布了《关于深化落实水电开发生态环境保护措施的通知》，要求水电企业合理确定生态流量，认真落实生态流量泄放措施。

按照《中华人民共和国环境保护法》第三十一条规定：“国家建立、健全生态保护补偿制度。国家加大对生态保护地区的财政转移支付力度。有关地方人民政府应当落实生态保护补偿资金，确保其用于生态保护补偿。国家指导受益地区和生态保护地区人民政府通过协商或者按照市场规则进行生态保护补偿。”通过建设生态小机，既可以保护下游生态环境，又可以通过政府协调，争取生态电价，提高企业经济效益。

无生态流量放水孔的电站，经常会造成下游河道断流，河床干枯，这不仅对河流的生态环境造成了破坏，还对下游的生活供水、农业用水、航运、水产等造成一定的影响。因此，必须设置专门的生态流量放水孔，确保机组停运后的下游河段不断流，并满足环保要求。

据统计，截止2006年底，全国已建和在建的小水电站4万多座，其基本都是2000年以前设计的，由于当时环保要求不严格，大部分电站没有生态放流孔或生态机组，生态流量基本无法保障。因此，如何解决老水电站的生态流量问题，并满足环保要求就显得十分必要。

2 某水电站安装生态小机方案研究

2.1 可行性分析

关于深化落实水电开发生态环境保护措施的通知和长江水利委员会《汉江干流综合规划》的要求，某电站要确保生态流量不小于40 m3/s，但在设计和扩建过程中没有预留生态流量排放孔，因此不满足目前的环保要求。此电站的机组在0～30 MW振动区无法安全稳定的运行，而在30 MW以上区间运行将使得机组流量大于87 m3/s，导致耗水率增大，每年因此而损失的电量600万kW·h以上。

某电站的扩机工程引水隧洞位于左岸山体中，分为上平段、压力斜井段、岔管段和4、5号支管段，有两条施工支洞与其相接。386支洞与引水洞中部相接，总长约155 m，纵坡段坡降-4.5%；进口端位于引水隧洞上平段的末端，其断面为方圆形，下部为7.2 m×3.41 m的矩形，顶部为半径是4.14 m的圆形，总高为5.5 m，断面底部高程为381 m，堵头长20 m；出口位于386进厂公路库房上游侧388平台4号变处。369支洞与引水洞分岔后的转弯段相接，总长约109 m，纵坡段坡降-12%；进口端位于引水隧洞岔管段分往5号机渐变段处，为方圆形断面，断面尺寸5.2 m×5.48 m，底部高程356.8 m，堵头长30 m；出口位于369进厂公路5号机下游侧约100 m处。

安装生态小机方案首先需要拆除扩机工程遗留在引水隧洞施工支洞中的封堵体，然后在施工支洞中设置压力钢管引水，引入岸坡地面厂房，并在厂房中安装一台满足生态流量的生态机组，最后通过尾水渠将水排入下游河道。建设生态小机同时需要满足以下3条原则：工程的兴建和施工不应对电站的安全运行和防汛带来不利的影响；工程不改变电站原有功能；工程不改变电站原有的泄洪运行方式。

2.2 386施工支洞方案

386支洞与引水隧洞上平段相接，由相接点引水，沿施工支洞布置压力钢管，管床设置支墩，出洞之后沿洞口外下游侧坡角布置，经两个平面转弯，进入厂房基坑并与蜗壳进口相接，为了减少水头损失，钢管的布置应尽可能平顺。新增引水压力钢管总长度为249 m，按明管设计，钢管管径为3.2 m，上平段长度约为188.6 m，壁厚为12 mm，后段长度约为60.4m，壁厚为16 mm。厂房布置在扩机工程下游约80 m处（库房部位）416公路与369公路之间的山坡上，厂房型式为地面厂房。该方案简称386方案。

2.2.1 钢管管径计算

根据生态流量要求，引用流量为40 m3/s，经济流速5.6 m/s，设计水头H为46.3 m，钢管糙率n取0.012，钢管长度L为249 m，电站机组的额定出力N=15 MW。引水压力钢管直径选择分别采用经济流速法、彭德舒公式、经验公式和法尔布施经验公式进行计算，计算结果见表1。

表1 压力钢管管径计算结果表Tab.1 Calculation results of steel penstock diameter

根据计算结果，参照国内外已建工程经验，最终选取压力钢管管径D=3.2 m。

2.2.2 钢管壁厚计算

抗外压稳定按《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141-2001）附录A所列方法计算：

式中：p0k为径向均布外压力标准值，本计算取0.4 N/mm2；Kc为抗外压稳定安全系数，明管取2.0；pcr为临界外压。取钢管壁厚16 mm，加劲环间距150 cm，尺寸（高×厚）为150 mm×16 mm。计算得pcr=0.86～0.91 N/mm2＞Kcp0k=0.8 N/mm2，满足抗外压稳定要求。因此，钢管壁厚度取值合理。

2.2.3 生态小机装机容量计算

根据上、下游正常水位来计算，上游水位取正常蓄水位410.0 m，下游水位取正常尾水位（5台机发电）363.7 m。设计水头为410－363.7=46.3（m）。

式中：N为机组出力，kW；Q为机组引用流量，m3/s；H为水头，m；η为水轮发电机的效率系数，对于小型水电站一般为0.6～0.8，本次取0.8。经计算，机组出力约为15 MW。

2.3 369施工支洞装机方案

369支洞与5号机发电引水管处相接，由此接入引水钢管，接入点位于下平段分岔段下游侧5号机组发电支洞第一个转弯处。压力钢管全程沿369施工支洞按明管布置，管床设置支墩。为了使压力钢管出洞后能够相对平顺接入蜗壳进口，需结合厂房基坑开挖，将369施工支洞进口向洞内扩挖，这样有利于钢管尽早出洞，扩大钢管布置空间。经洞口扩挖后，洞口向支洞方向推进约30 m，钢管提前出洞，经两个平面转弯、斜管和两个立面转弯后与蜗壳进口相接。厂房布置与386方案相似。该方案简称369方案。

引水钢管按明管设计，长度为127 m，钢管内径为3.0 m，钢管壁厚为16 mm，装机容量估算方法同方案2，机组容量15.0 MW。

2.4 方案比较

对386方案和369方案的优势和不足进行了系统的分析，并从施工布置、施工影响、钢管选择、水头损失、水资源利用率和工程投资等方面作了如下比较。

1）386方案引水接入点位于扩机工程主洞上平段，对4、5号机组运行基本无影响；369方案接入点在5号机引水支洞上，原扩机工程分岔段处4、5号机发电支洞直径均设计为6 m，使得两机组流量均等，在此引水支洞上分岔引水，同时发电的情况下，使得5号机和生态小机相互产生水力干扰，影响机组的稳定性，并可能影响5号机出力。

2）386支洞口施工时对原4、5号机组出线站有影响，需短时间停机，而369方案无影响。

3）386方案引水钢管比369方案长约122 m、钢材多146.6 t。

文献[1]对中冷回热再热三级不可逆闭式燃气轮机循环进行了功率与效率分析.本文在文献[1]的基础上，提出了中冷回热再热三级燃气轮机循环模型，在推导出实际闭式中冷回热再热燃气轮机循环功率解析式的基础上，对其输出功率进行了优化.

4）386钢管出洞后布置较为顺畅，水头损失略小；369方案钢管出洞后布置不甚顺畅，水头损失较大。

5）386方案可在洪水期发电运行，比369方案更能充分的利用洪水资源，增加经济效益。

6）386方案投资比369方案多约469万元。

综上所述，两方案技术上均可行，各有优势与不足。考虑到369方案装机后在共同发电情况下，可能会使得5号机和生态小机相互产生水力干扰，影响机组的稳定性，存在安全隐患，而386施工支洞装机方案虽然投资较大，但可以充分利用洪水资源。因此，从安全性和长期运行效益来看，建议选择386方案。

3 生态小机对原工程的影响

3.1 对1至3号机机组的影响

因生态小机工程不改变原有枢纽工程上、下游的各种特征水位，不改变枢纽工程的防洪设计标准和水库防洪度汛运行方式，而且远离1至3号机组。因此，对1至3号机组的安全运行无影响。

3.2 对扩机工程进水口的影响

扩机工程最大引用流量为262 m3/s，增建小机后最大引用流量为302 m3/s，增加约15%。进水口拦污栅采用通仓布置，增建小机后过栅毛流速仅为1.0 m/s，过栅净流速1.34 m/s（按拦污栅阻水面积按25%考虑），仍小于1.5 m/s，满足规范规定，对扩机工程进水口无影响。

3.3 对扩机工程引水隧洞的影响

扩机工程引水隧洞原最大流速为4.12 m/s，增建小机后最大流速为4.75 m/s，增幅不大，仍在混凝土衬砌流速允许范围内，对原引水隧洞基本无影响。

3.4 对扩机工程设计水头的影响

由于生态小机与扩机工程共用了154 m的引水隧洞，增加生态小机后，同时发电时的隧洞过流量加大，流速增加，导致水头损失增加，因此设计水头会有所降低。经计算，当“2台机+生态小机”运行时，4、5号机的水头损失增加0.11 m；当“一台机+生态小机”运行时无影响。

3.5 对4、5号机组水力波动的影响

由于生态小机与扩机工程有约154 m的共用段，在同时发电工况下，该段引用流量增大，流速增大，致使∑LiVi增大，可能会导致4、5号机组突然甩负荷情况下引水隧洞及机组压力升高过大而带来安全隐患。对此，利用上述设置调压室的判断公式来计算TW是否超标来分析。经计算，未增建生态小机时，TW=2.88 s；增建生态小机后TW=3.04 s，均小于4 s，满足规范要求。说明增建生态小机后，当出现机组突然出现甩负荷时，初步判断引水隧洞内的水力波动不大，隧洞及机组的压力升高也不大，对原有扩机工程影响甚微。

4 工程布置

4.1 引水系统布置

生态小机引水系统采用压力钢管从386施工支洞与引水洞连接处接入，隧洞中心线高程384.6 m。将该处施工支洞封堵段及该处部分隧洞拆除来连接压力钢管，形成引水分岔段。沿施工支洞布置压力钢管，管床设置支墩。为了钢管出洞后穿越386公路，应在洞口之前将钢管下弯，并布置斜管、下弯管、下平段及平面弯管，接入厂房上游侧进厂、设置蝶阀后连接蜗壳进口。压力钢管长度约238 m，采用明管设计，洞内为明管敷设，洞外经开挖埋入路下和坡内，跨386公路部分埋深不小于2 m。工程总体平面布置如图1所示。

图1 生态小机工程平面布置图Fig.1 Layout plan of the ecological small machine project

4.2 厂房布置

根据现场地形地质条件，生态小机厂房位置布置在扩机厂房下游侧约80 m处的凹形边坡（库房处）下部，厂房型式与扩机厂房类似。厂顶采用2 m厚的叠合式钢筋砼厚板结构，可作为386进厂公路的一部分，满足汽-10级过车要求。厂房纵向总长26 m，跨度14 m，高度39.37 m。厂内安装一台HLD260-LJ-386立轴混流式水轮机，金属蜗壳，单机容量15 MW。发电机层高程368 m，水轮机层高程364 m，水轮机安装高程359.5 m，为一洞一机引水，采用筒阀布置。由于校核尾水位较高，主机间及卸货间临河侧尾水平台上部结构采用封闭式厚墙结构，起到挡水、防水作用，保护机电设备安全。尾水平台宽11.7 m，除做为尾水门机（可与扩机工程共用）外，还可做为369进厂公路的一部分，满足大厂和扩机工程交通要求。

考虑到扩机工程及老厂均布置有较大的安装间，生态小机可不布置安装间，仅布置卸货间。卸货间布置在主机间左侧（下游侧），长10 m，用于机电设备的临时卸货停放，而机组检修可在扩机工程安装间进行，厂内布置QD100/32/10t-14 A3单小车桥式起重机1台。跨度14 m，负责厂内所有设备的吊运工作。卸货间进厂大门需布置成密闭防水门，大门尺寸（宽×高）为4.2 m×5.4 m，门顶上方布置2×150 kN进厂大门固定卷扬机一台。

副厂房布置在主厂房与山坡之间，布置为厂用变、电缆夹层、厂用盘、保护盘、中控室、计算机室、排风机房、通讯房和蓄电池室；尾水副厂房2层，主要布置风机、空压机、储气罐、储油罐、励磁变、电压互感器柜、断路器和母线通道等。

5 效益分析

近5 a平均有弃水的洪水历时约1 087.8 h，按此计算的年发电量为1 631.7万kW·h；每场洪水平均腾库按24 h，年平均腾库时间105.6 h，由此计算的年发电量为158.4万kW·h；同样在满足平均出库流量为40 m3/s的生态流量情况下，15 MW机组比1～5号机组单台运行更经济，耗水率更小，预计每年可增加发电量65万kW·h。合计平均年增发电量约1 855.1万kW·h，按照0.3元/（kW·h）计算，年产生经济效益556.53万元。

利用机组发电满足生态流量的最小流量为87 m3/s，非汛期6个月在满足系统运行需要的同时满足生态流量要求，会造成水库低水位运行，水位将由409 m左右降至405 m左右，减小4 m，耗水率增加0.91 m3/（kW·h），月平均损失电量为100万kW·h，年损失电量为600万kW·h，按照0.3元/（kW·h）计算，减少经济损失180万元。在陕西电网计划实行发供电独立结算时，当某电站机组全停时，厂用电按照0.5元/（kW·h），某电站年厂用电约1 300万kW·h，在1～5号机组全停时，利用生态小机带厂用，每年可为企业节约343.2万元。

生态小机工程不仅满足了某电站下泄流量不小于40 m3/s的要求，更重要的是解决了河道需要生态流量的问题，保护了下游河道的生态环境，满足了国家对企业的环保要求，使企业可以依法经营。

6 结论

安装生态小机是电站安全、经济运行的需要、是增加系统备用及调峰容量的需要、更是满足下游河道环保的需要；安装生态小机可以使全厂装机配置更加合理，应对多种用途机组调度更加灵活，可以充分利洪水资源，更大地发挥电站综合利用功能。

通过全面分析比较，选择了386施工支洞安装生态小机，并对该方案的可行性和工程布置进行了全面的研究。该方案与扩机工程共用进水口及154 m的引水隧洞，确定了合适的钢管规格和尺寸，并对管线的布置进行了合理的规划，最后对厂房及其它设备进行了相应的选择和布置。

经初步分析计算，安装生态小机后，可使全厂每年增加发电效益1 855.1万kW·h，增加经济效益556.53万元，收益明显；工程建设后，对大厂及扩机工程的安全生产、防洪度汛运行无影响；该工程投资同新建电站比减少了大坝、引水隧洞建设和工程移民费用，投资工程指标较为优越。

[1]水利电力部十五局设计院.石泉水电站设计报告[R].安康，1978.

[2]能源部西北勘测设计院.石泉扩机工程初步设计报告[R].安康，1991.

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[10]申显柱，李晓彬.董箐水电站压力钢管设计[C].中国水力发电工程学会水工及水电站建筑物专业委会，中国水利学会水工结构专业委会，水电站压力管道信息网，中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室.北京：中国水力发电工程学会水工及水电站建筑物专业委会，2014.

（编辑 李沈）

Feasibility of the Construction of Ecological Small Machine of Diversion Type Hydropower Station

LIU Jixing1，ZHU Zhanqi2，HU Dexiu2
（1.Datang Shiquan Hydropower Plant，Shiquan 725200，Shaanxi，China；2.Institute of Resources and Hydro-Electric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

In order to meet the requirements of environmental protection and address the problem that the old hydropower station is designed without setting up ecological flow releasing hole，based on the actual situation of a hydropower station and the present conditions of the project，under the premises that the safe operation of the power station and the flood control requirements of the station are not affected and the original function and operation mode of the station are not changed，the feasibility study of the installation of the ecological small machine the is conducted using the remaining construction adit of original project.The study shows that the power station can meet the requirements of installing the ecological small machine，and the installation of the machine can increase the economic benefit by 5.565 3 million yuan and reduce the loss by 5.232 million yuan each year.The scheme provides a train of thought for old hydropower plants to satisfy the requirement of environmental protection.

ecological flow；ecological small machine；construction adit

国家自然科学基金（41301597）；陕西省教育厅基金（13JK0848）资助项目。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（41301597）；Fund of Department of Education of Shaanxi Province（13JK0848）.

1674-3814（2016）10-0137-05

TM612

A

2016-01-26。

刘基兴（1964—），男，工程师，主要从事水库调度、水工工作。