石头河水库坝后水电站增效扩容及改造技术合理性探析

(陕西省石头河水库灌溉管理局，陕西 眉县 722300)

石头河水库坝后水电站增效扩容及改造技术合理性探析

陈利锋

(陕西省石头河水库灌溉管理局，陕西 眉县 722300)

石头河水库枢纽工程位于陕西省眉县西南15km的石头河干流上，为Ⅱ等大(2)工程，利用石头河水库落差，修建了坝后水电站，坝后水电站位于宝鸡市眉县斜峪关，是一座坝后引水式电站，建成于1991年，装机四台，总装机容量18 500 kW 。坝后水电站自1991年建成运行以来，几台机组已先后出现机电设备磨损及老化现象家中以及设备效能低下等问题。运行可靠性逐年减弱，安全隐患明显增多，已对电站运行造成严重威胁。通过对坝后水电站增效扩容的必要性及设计方案进行分析论证，确定增效扩容设计方案主要对原尾水池和尾水渠进行改造，经水力计算，尾水渠及尾水池加宽0.75 m和1.0 m时，池顶高程还须加高0.21～0.3 m和0.15～0.2 m。坝后水电站增效扩容改造的实施后，提高了水电站运行的经济性，达到了良好的效果。 为同类工程提供参考。

坝后水电站；增效扩容；设计方案；分析

1 石头河水库概况

石头河水库枢纽工程位于陕西省眉县西南15 km的石头河干流上，工程任务以供水、灌溉为主，结合发电。坝址位于斜峪关以上1.5 km的温家山，控制流域面积673 km2。设计多年平均径流3.974亿 m3，多年平均流量12.6 m3/s。根据工程规模、效益和重要性，确定工程级别为Ⅱ等大(2)工程，地震设防烈度为8度。枢纽工程由拦河坝、溢洪道、输水洞、泄洪洞及坝后电站等组成。石头河水库利用水库落差和渠道落差，先后修建了三座电站。石头河水库利用水库落差和渠道落差，先后修建了三座电站。其中利用石头河水库落差，修建了坝后水电站，利用石头河水库总干渠向北、西两干渠供水的渠道落差，修建了斜峪关电站，利用石头河水库东干渠汤峪陡坡的渠道落差，修建了汤峪水电站。

坝后水电站位于宝鸡市眉县斜峪关，是一座坝后引水式电站，建成于1991年，装机四台，总装机容量18 500 kW 。其中1#、2#、3#机组为立轴混流式水轮发电机组，设计年发电量5 600万 kW·h，年利用小时3 400 h；1#机组容量6 500 kW，设计水头52 m，设计流量15.8 m3/s；2#、3#机组容量5 000 kW，设计水头80 m，设计流量8.15 m3/s ；4#机组为卧轴混流式水轮发电机组，容量2 000 kW，设计年发电量1 005万 kW·h，年利用小时5 025 h，机组设计水头58 m，设计流量4.18 m3/s 。

2 坝后水电站运行中存在问题

坝后水电站自1991年建成运行以来，几台机组已先后出现机电设备磨损及老化现象家中以及设备效能低下等问题。运行可靠性逐年减弱，安全隐患明显增多，已对电站运行造成严重威胁。

(1)1#机组由于水库运行方式和功能变化，加之引红济石调水工程建成后，水库长时间运行于高水位，超出1#机组适用水头，造成机组闲置；1#发电机出现定子线圈短路、绝缘老化、部分磁极损坏、推力瓦烧瓦等现象。

(2)坝后电站2#、3#机组分别于1994年、2001年更换转轮，目前水轮机效率仍然比较低(水轮机额定效率82%，机组综合效率约76%，低于81%)，汽蚀严重。主变运行34年，效率低，能耗大，存在严重技术缺陷和安全隐患，加之1#机组改造后容量不足；35kV输电线路已运行35年，远远超过线路规定使用年限，送电设施老化严重，加之“5.12”地震也对线路造成了严重破坏。该线路共有58基电杆，杆身不同程度出现裂纹，金具、拉线等锈蚀严重，且线路运行环境恶劣、维护困难，一直带病运行，线路安全存在巨大隐患。

(3)高压开关柜不能满足“五防”要求，开关漏油、卡阻拒动现象频繁，严重影响机电设备安全运行，自动化落后，继电保护系统结构不合理、灵敏度低、稳定性差、维护不便，不能满足安全运行和自动化要求需要。

(4)1#～3#主阀漏水严重，接力器严重漏油，蝶阀锁锭损坏，设备经常出现卡死现象；电站无尾水闸门，不利于检修；压力管道锈蚀严重，已严重影响安全运行。

(5)10 kV线路和0.4 kV线路运行30年，拉线、金具严重锈蚀，砼杆身出现裂纹，线路架空导线型号不一致，损耗大；四台用电变压器为损耗较大的SJ1型变压器，属淘汰产品，需要更换。

3 坝后水电站增效扩容的必要性分析

石头河水库建库初期，水库功能主要是以灌溉为主，兼顾防洪、发电等。随着石头河水库向西安供水工程的建成，工程任务为在满足下游河道生态用水量情况下，以城市供水为主，同时兼顾灌溉及发电，石头河水库电站增效扩容是非常必要的。

(1)水库水位的变化使得1#机组适应水头已不能满足水库运行方式的变化。由于引红济石调水进入石头河水库，石头河水库高水位运行时间将大大增加。坝后电站1#机组适应水头已不能满足水库运行方式的变化，如果1#机还按原设计水头运行，将造成机组出力不足，机组闲置。

(2)设备陈旧老化，机组效率低，自动化水平低，能耗高、浪费严重；电站主要设备运行20余年时间，在机组主机、辅机、励磁、保护及监控、自动化元件、厂房通风采暖等主要方面，设备陈旧落后，老化严重，效率和自动化程度低，故障率高，部分设备和设施已接近使用年限或超期服役，压力钢管等金属部件锈蚀严重，设备噪音超标，特别是发电机等主要电气设备的保护，主要为老式继电器元件，灵敏度低，可靠性差，而且零配件购置困难，给设备的检修维护带来困难；一些零部件因无生产厂家而难以更换，多数已接近报废标准，且能源消耗极高。

(3)电站的变压器、电动机和厂用负荷，绝大多数为高耗能产品，主变压器和厂用变压器均采用S系列电力变压器，高压开关均采用油断路器，高压隔离开关均采用手动机械操作机构，这些设备经过30多年的运行，存在可靠性降低、故障率高、维护量逐年增大、设备自身能耗加大等一系列问题。

(4)工作人员劳动强度大，工作和安全生产条件差，机组自动化程度低，主要为手动操作，设备利用效率低，事故率高。

(5)国家产业政策的客观要求。国家提倡建设资源节约型和环境友好型社会，倡导建立能源节约机制和环境保护机制，要求全国农村水电站必须进行技术改造以达到“无人值班、少人值守”的要求，提高自动化水平、可靠性和安全性。对石头河水电站的高能耗、高污染、高浪费以及故障高的设备进行改造是国家有关产业政策的客观要求。

综上所述，

4 坝后水电站增效扩容改造方案设计

坝后电站的改造主要针对水轮发电机组主要设备和附属设备的更新改造，不改变原引水系统和厂房内的建筑布局，增加了1#机组运行水头，改变了机组闲置的现状，提高了机组运行的效率。改造后输水洞分流进入厂房的流量由原来的27.96 m3/s增加到30.33 m3/s，流量增大2.37 m3/s，经对原尾水池和尾水渠的过流能力进行复核，不满足现状运行要求，因此主要对原尾水池和尾水渠进行改造。

坝后电站的改造主要针对水轮发电机组主要设备和附属设备的更新改造，不改变原引水系统和厂房内的建筑布局，增加了1#机组运行水头，改变了机组闲置的现状，提高了机组运行的效率。改造后输水洞分流进入厂房的流量由原来的27.96 m3/s增加到30.33 m3/s，流量增大2.37 m3/s，经对原尾水池和尾水渠的过流能力进行复核，不满足现状运行要求，因此须对原尾水池和尾水渠进行改造。

4.1 尾水池和尾水渠现状

尾水池净宽18.274 m，长13.82 m，侧向与尾水渠相接。尾水池从厂纵0+015.5 m～厂纵0+025.32 m为1:3倒坡段，用以连接尾水闸底高程707.867 m，从厂纵0+025.32 m～厂纵0+029.32 m为平底段，底板高程711.14 m，池顶高程左侧717.3 m，右侧714.55 m，下游侧部分高程715.10 m,部分714.88 m。尾水渠全长85.85 m，从尾0+000～尾0+018.76 m为矩形断面明渠，底宽4.0 m，从尾0+018.76 m～尾0+023.76 m为5 m宽桥，渠道断面仍为4.0 m宽矩形，之后为5 m扭面，从尾0+028.76 m～尾0+085.85 m为梯形断面明渠，底宽3.0 m，坡比1:0.5，尾水渠进口底高程711.64 m，出口高程711.43 m，渠底比降1/400。

4.2 尾水池下游水位计算

2012年2月16日，石头河坝后电站管理局实测尾水池水尺处水位713.35 m，此时机组过流量为9.5 m3/s。在该引水流量下，对尾水池不同糙率情况下渠道末端正常水深分别进行计算，结果见表1。

表1 不同糙率时渠道末端正常水深

以渠道末端正常水深为起始水深，利用能量方程，推求尾水池水尺处水面高程，计算结果见表2。

表2 不同糙率时尾水池水尺处水面高程 m

从表2可见，相比之下糙率n=0.016时，尾水池水尺处水面高程与实测水面高程相对较接近。考虑渠道运行多年，淤积等原因的影响，滤定渠道糙率n=0.016。2004年渠道曾经过流28 m3/s时，当时渠道水面已经到交通桥桥面板上，高程为713.78 m，经水面线推求，当Q=28 m3/s、糙率n=0.016时，该桩号的水面高程为713.759 m，与实际水面基本吻合。因此最终滤定渠道糙率n=0.016。Q=30.33 m3/s时尾水池及尾水渠水面线计算结果见表3。

4.3 尾水池及尾水渠改造方案确定

根据表3水面线计算结果，电站最大过流量增大到30.33 m3/s时，尾水池及下游尾水渠过流能力不同程度的不足，因此过水断面需改造加大，改造总的原则为工程量省，工期短。

现状尾水池平面布置成90°弯道，池内壅水较严重，经水力计算，尾水渠及尾水池加宽0.75 m和1.0 m时，池顶高程还须加高0.21～0.3 m和0.15～0.2 m，说明仅加宽尾水池上部宽度，很难再降低池内水深，尾水池不仅要加宽还须加高，断面扩宽工程量大并且影响工程运行，损失电量，不经济，因此考虑加高尾水池和尾水渠侧墙以满足过流能力，加高侧墙后，当流量在27.96 m3/s以下时，尾水池内水位和原来基本一致，不影响发电量，当流量在27.96 m3/s到30.33 m3/s时池内水面超过原设计值，会损失一些电量，水库仅在7-9月份汛期，水库出现弃水情况下，1#机和2#、3#可同时运行，会出现这种情况，因而损失的电量很小，可以忽略不计。

表3 尾水池及尾水渠水面线计算结果 m

5 结语

通过坝后水电站增效扩容改造的实施，提高了水电站运行的经济性，达到了良好的效果。可使电站系统合理的进行调度，保持高水头运行，使机组在高效率区运行，电站增效扩容不仅增加了效益，节约了能源，更重要的是提高了电站运行可靠性，可以防止不正常工作状态下发展成事故，又可使发生事故的设备免遭更严重的破坏，增效扩容方案实施后，降低了运行和维护人员的劳动强度，改善生活条件，提高工作效率， 将有利于石头河水库灌区的生态环境的改善， 提高了项目区生存环境质量，保障国民经济和社会发展，电站增效扩容项目建设将带动社会增加就业人员、繁荣经济、提高社会福利、精神文化生活。

[1]张新萍，胡静，等.陕西省石头河水库水电站增效扩容改造工程初步设计报告[R].陕西省水利电力勘测设计研究院.2012.

[2]李瑾，汪海波. 浅谈卧龙台电站增效扩容改造方案. 黑龙江科技信息.2013.(26):142.

[3]李健晗. 石头河水库功能变化与1号水轮机增效改造研究.中国农村水利水电.2014.(8):110-115.

TV738

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1004-1184(2017)05-0182-02

2017-05-14

陈利锋(1980-)，男，陕西眉县人，助理工程师，主要从事水力发电运行技术指导工作。