半坑水电站的生态改造

董鼎华

(重庆交通大学，重庆市 400060)

1 概 述

半坑水电站位于浙江省天台县平桥镇半坑水库下游,属于乌岩溪，距天台县城25 km,于1972年开工兴建,1980年机组陆续投产运行。半坑水电站是通过半坑水库蓄水，采用放水隧洞和压力钢管引上游水库蓄水来发电的引水式电站。该水电站现有水轮发电机组1台,总装机容量为160 kW，水轮机型号为XJ02—W—42/1×10，发电机型号为SFW160—8/740。电站原有机组近3 a平均实际年发电量为35万kW·h，电送入平桥镇变电所。

半坑水电站属于引水式电站，根据《水利水电枢纽工程等级划分和洪水标准》(SL 252—2017)、《防洪标准》(GB 50201—2014),其工程等别为Ⅴ等，相应水工建筑物级别为5级(含取水建筑物、引水建筑物、电站厂房、升压站和泄水建筑物等)。根据工程等级，相应洪水标准为：取水建筑物、引水建筑物、厂房及泄水建筑物按20年一遇洪水设计，按50年一遇洪水校核。

2 现状存在问题调查及分析

2.1 水资源综合利用不够全面充分

由于历史条件制约，该小水电站建设时对水资源的综合利用方面考虑不够全面充分，主要是对群众生活用水、环境生态用水需求考虑不足。随着社会经济发展和群众生活水平及要求的提高，差距和矛盾越来越大；而电站建设时缺少相应放水及流量监控设施，不进行适当改造和调整运行方式将难以满足这些需求。

2.2 河道水环境生态问题逐步显现

小水电的开发势必要建设河道拦蓄水工程，不可避免对河道水文情势造成较大影响，这些影响有利有弊。蓄水工程径流的调节控制有利于水资源的充分利用，但其建设将使上游水位抬高和下游河段水位流量发生变化，蓄水拦河工程的建设也是河床纵向高程重造的过程，给生态环境特别是水环境和鱼类环境带来较大影响。从调查情况看，确实造成了部分区域局部河段的断流，出现“白滩”现象。河道的脱流减水还造成纳污能力下降，从而使河道水质变差，不仅枯水期问题突出，即使在丰水期同样存在。目前持续发展的美丽乡村已初具规模，对水环境的要求也越来越高，小水电开发引起的水文情势变化带来的河道水环境生态问题逐步凸显。

2.3 设备老旧，运行效率较低

半坑水电站的机电设备经过30多年的运行，在性能和结构方面都已老损，需经常检修。长期运行使转轮、导叶等部件遭到破坏，运行效率下降，发电机出线和接头老化发热，存在安全隐患；急需进行改造，以消除隐患，提高水能利用效率。

3 改造措施

3.1 更换老旧设备

3.1.1 水能计算

半坑水电站位于乌岩溪上，所在流域林木茂盛，植被覆盖良好，雨量充沛，多年平均降雨量1 503.2 mm，多年平均径流深862.7 mm。该电站上游设有半坑水库，水库正常库容51.10万m3。上游无电站，半坑水电站发电水量主要为上游来水。

(1)半坑水电站发电水量

半坑拦水堰集雨面积3.56 km2，多年平均来水量W0=3.56×106×862.7×10-3=307.12×104m3。查《浙江省引水式水电站多年平均引水模数与年引水率关系表》，并考虑半坑水电站引水流量、水库调蓄等因素，年发电引水率取γ=75%，则可利用发电水量：

W=γ×W0=0.75×307.12×104=230.34×104m3

(2)半坑水电站多年平均发电量

E=0.002 7WH=0.002 7×230.34×78=48.51万kW·h

图1中,Ui和Ii分别为第i个变流器输出的直流电压和电流;Ri和Iri分别为第i条线路的线路电阻和流过线路电阻的电流;IRi和IR分别为流过局部负载和公共负载的电流;Udc为公共母线电压。

(3)发电保证出力

查《浙江省分区多年平均流量模数保证率表》，可知80%的保证率q时=0.25，其发电流量为：

QP=0.25×3.56/100=0.008 9 m3/s

80%的保证出力N=9.81×0.936×0.848×0.008 9×90=6.97 kW

(4)发电机装机容量及机型选择

N=9.81×0.568×0.925×0.840×78=337.7 kW

选取SFW320—10/850型发电机,单机容量为320 kW。

(5)装机年利用小时

因此，半坑电站总装机容量320 kW，年利用小时1 516 h。

3.1.2 电站规模复核

考虑电站主要采用半坑水库来水发电，本次生态水电改造可扩大电站设计流量，设计流量如下：机组的设计流量为0.568m3/s，共1台机组。

半坑水电站是引水式水电站，其规模较小，负荷无特殊要求。本次改造对水轮机、发电机及电气设备进行更新，不改变电站运行工况，结合发电机组改造方案及机组效率计算成果，经复核计算，改造后电站装机容量为1台320 kW。

3.1.3 发电设备选择

机组总容量320 kW，同步水轮发电机单机容量为320 kW，选用水轮机型号为XJE—W—55/1×14,水轮机额定水头78 m，额定流量0.568 m3/s，额定转速650 r/min，效率84%，出力374.4 kW。配套的发电机型号为SFW320—10/850，额定转速600 r/min，效率92.5%，额定出力320 kW，额定电压0.4 kV，功率因数0.8。改造后，机组综合效率为η=84.0%×92.5%=77.7%。

3.2 增设生态泄水设施

3.2.1 生态流量确定

半坑电站下游段为脱水段，此段河段长0.7 km，集水面积1.5 km2，自然落差达25 m。

根据水利部《农村水电生态水电改造河流生态修复指导意见》，结合该流域水文特征，有Tennant法、90%保证率法、近十年最枯月平均流量法、枯水期11～3月多年平均流量法等几种生态流量计算方法。半坑电站所在流域拥有长序列水文资料，多年平均流量为0.097 m3/s，本工程生态流量根据Tennant法确定为0.02 m3/s。

3.2.2 生态修复和泄放措施

增设泄水设施，按照下游河道生态流量的需求，控制保持一定的下泄流量。结合河道治理，在脱水河段修筑堰坝，扩大河道内的积水面积，改善河道水景观。另外，还安装生态流量监控设施，对生态流量进行动态管理。

本次生态改造，拟在压力管道末端设生态泄水蝶阀1个，并设流量监测设施，生态用水采用DN150PE管接至下游河道。为了保证该河道脱水段的生态修复，正常运行发电时，管道应完全开放进行放水，不得堵塞。

4 结 语

经现场调查分析，半坑水电站存在设备老旧和下游河道脱水等急需改造的问题。通过水能计算，合理确定电站规模，选择与之匹配的高效水轮机组，并通过水文学方法预测下游需求的生态流量，在电站中增设生态泄水设施，改善了下游河道生态环境。