低水头大流量电站增效扩容改造方案研究

2019-09-26肖建军康爱卿

中国农村水利水电 2019年9期

肖建军，钱圣，康爱卿

(1.湖南省怀化市水利电力勘测设计研究院，湖南怀化 418000；2.湖南省怀化市水利电力咨询监理有限公司，湖南怀化 418000；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引言

目前，我国已建成中小水电站45 000多座，装机容量达73 000 MW，年发电量达2 200多亿kWh，超过了全国水电发电量的1/5[1]。由于受当时科技和经济条件的限制，加之运行时间长，早期建成的众多中小型水电站均已出现技术水平落后、设备老化、能效逐年衰减等诸多问题。这不仅未能充分利用宝贵的水资源，而且存在诸多安全隐患[1]。鉴于此“十三五”规划期间我国大力推进中小型水电站增效扩容改造[2]。随着增效扩容项目的不断推进，我国在该工程技术领域积累了一定的工程经验，如叶永等人[3]以三背河水电站增效扩容改造为例，分析探讨了一库多站式水电站增效扩容改造，提出了充分发挥龙头水库的调节作用，使水库下游多级电站效益最大化的设计思路；田娅娟等人[4]分析了小型水电站水轮机存在的主要问题，提出了水轮机增效扩容改造的基本步骤和优化设计方法；徐锦才等人[5]介绍了机组增容改造的方法和实际应用中应注意的问题；薛鹏等人[6]将中小型水电站的改造工作进行了分类研究，认为水轮机通过合理技术改造，可以达到提高效率、增加出力、提高运行稳定性等目的；彭忠年等人[7]应用现代计算机转轮优化设计技术对爽岛水电站机组进行了技术改造有效地提高了水轮机的效率和出力；中国水利水电科学研究院机电所研发了一种高性能混流式水轮机转轮水力优化设计程序[8]，并利用该程序对南丰水电站水轮机重新进行了设计和研制，达到了增效扩容的目的；周艳辉等人[9]针对水府庙水电站原水轮机在设计和性能方面的缺陷对其进行了改造，改造后的水轮机出力及运行稳定性得到了显著提高。

综上可见，目前中小水电增效扩容的关键技术研究多聚焦于发电机组的优化，鲜有对原建筑结构形式进行改造。然而，早期建成的电站其结构形式或多或少的存在缺陷，特别是进水口的布置，易堵塞、水头损失大制约电站出力。针对这一问题，本文结合衡阳白渔潭电站增效扩容项目，提出了一种优化发电机组结合电站进水口改造，使电站增效扩容效益最大化的新思路。

1 工程概况

白渔潭水电站位于湖南省衡阳市东北部耒水下游，距耒水入湘江口15.7 km，系耒水梯级开发的最后一级，工程以发电为主，兼管航运。坝址以上流域面积11 170 km2，多年平均流量310 m3/s，多年平均径流量97.76 亿m3。水库正常蓄水位为58.00 m(吴淞高程)，汛期限制水位58.00 m，死水位57.00 m，设计洪水位64.36 m，校核洪水位65.95 m，正常蓄水位以下库容为0.36 亿m3，有效库容0.1 亿m3，总库容2.65 亿m3，为日调节水库。电站总装机现状14.4 MW，多年平均发电量0.620 0 亿kWh[10]。电站建成于20世纪60年代，鉴于当时各方面条件的限制，整个工程是在边勘察、边设计、边施工的情况下完成的，是一个典型的“三边工程”。电站主要存在以下几个问题，①经过多年运行机组设备已基本接近使用寿命，老化严重；②原电站进水口拦污栅布置不合理，导致清污难度大，易堵塞，水头损失大，严重制约电站出力；③2000年后，湘江大源渡电站发电后，抬高了本站的下游水位。现状机组与原设计水头不匹配，机组效率低。为此对白渔潭电站进行增效扩容改造势在必行。

2 改造方案

2.1 拦污栅水头损失计算方法选择

拦污栅水头损失hw工程界一般采用公式(1)开司其曼公式进行计算[11-14]，而关于水流阻力系数的计算，有两种主流算法即公式(2)开司其曼公式，和公式(3)布尔可夫——丘津娜公式。

hw=ζv2/2g

(1)

ζ=βsinα(δ/b)4/3

(2)

(3)

式中：v为栅前流速；ζ为水流阻力系数；δ为栅条厚度；b为栅条净间距；α为栅面与水平面的夹角；β为栅条断面形状系数；CV为流速系数；Cp为拦污栅结构遮挡系数(遮挡面积/设计面积)；Cs为侧收缩系数；C为水流冲击系数。

分析不难发现，公式(2)仅考虑拦污栅结构形式对水头损失的影响，对于拦污栅阻塞的情况该公式显然是不合适的。公式(3)考虑了阻塞因素，比较符合拦污工作的实际。新疆水利水电勘测设计研究院铁汉曾采用两个公式对同一项目进行计算，其得出的结论也是布尔可夫——丘津娜公式更符合实际[15]故本文采用公式(3)进行计算。

2.2 进水口改造方案

白渔潭电站，现状8个进水口前各设一个独立的半八边形笼形拦污栅单扇拦污栅高12.5 m，宽2.42 m。见图1、图3。

图2 改造后拦污栅布置图(单位：mm)Fig.2 Trashrack laout after renovation

图3 改造前后拦污栅平面布置图(单位：mm)Fig.3 Trashrack laout before and after renovation

由于河道污物较多，人工清污后效果持续性差，近年来栅前、后水位差常年维持在0.3 m左右，导致电站出力受到严重制约。因此，本次拟将原8个独立的半八边形笼形拦污栅进行拆除，在其上游4 m处新建回旋式拦污栅。改造后的拦污栅由回旋式清污机系统和拦污栅支撑框架组成。支撑体系由水下灌注桩、拦污栅墩、拦污栅墩与原坝体以及墩与墩之间的钢连接体系组成，改造后的8个进水口整体位于拦污栅之后(见图4)。

2.3 进水口改造效果分析

单机额定引用流量为53.5 m3/s，总引用流量为428 m3/s，取坝前水位为正常蓄水位，改造前过栅总面积为580 m2，改造后的过栅面积为705 m2，根据拦污栅不同阻塞率的情况对比改造前后水头损失情况。由于改造后可以通过清污机进行清污，故取阻塞率为0。

改造前后拦污栅均垂直布置α=9°，栅条厚10 mm，净间距为150 mm，通过计算得到各改造前后拦污栅水头损失随阻塞率变化的情况见表1和图5。

图4 改造后拦污栅支撑体系Fig.4 Trash support system after reconstruction

表1 改造前后各阻塞率水头损失对比表Tab.1 Comparison of head loss of each blocking rate before and after transformation

图5 改造前后各阻塞率水头损失对比图Fig.5 Comparison of head loss of each blocking rate before and after transformation

分析表1和图5不难发现，在流量一定的情况随着阻塞率的不断增加，水头损失系数急剧增大，水头损失也不断增大，当阻塞率达到45%时改造前的拦污栅水头损失高达0.345 m。如果考虑河道的水流行进流速，水头损失将进一步增大。水头损失的增加，势必使得栅前雍水增大，雍水增大，将会增加溢流坝过流量，导致电站出力不足。如果只有部分机组发电，由于水流在拦污栅后互相补充，当拦污栅的某一部分被堵塞后，其他部分仍可以过水，相比原进水口独立拦污栅结构其水头损失将进一步减小，改造后的效益将更加明显。

2.4 装机容量的选择

经水文及水头复核，受下游电站顶托影响电站平均水头为5.2 m。最大水头8 m，最小水头3 m。电站运行现状的基本参数是根据电站提供的2001-2014年电站运行统计资料分析计算所得，机组增容改造按初拟8×2 000 kW、8×2 200 kW、8×2 500 kW三个方案进行水能计算比较见表2。

由表2可见，方案Ⅱ较方案Ⅰ年新增电能267 万kWh，工程总投资增加793.2万元，增加部分投资回收年限为9.11年，差额内部收益率为8.23%，大于社会折现率8%；方案Ⅲ较方案Ⅱ年新增电能115 万kWh。工程总投资增加461.7万元，增加部分投资回收年限为12.31年，内部收益率为6.09%，小于社会折现率8%。因此方案Ⅱ的水能技术经济指标明显优于其他两个方案。因此推荐选用方案Ⅱ，亦即将现有的单机容量，增容至单机容量为2 200 kW，总装机容量为17 600 kW。

表2 水能计算方案成果对比表Tab.2 Comparison table of water energy calculation plan results

2.5 机电改造

8台水轮发电机组进行部分更新改造，1～8号机组包括水轮机转轮、导水机构、发电机定子、转子线圈等；更新1～7号机励磁装置；更新机组自动化元件及控制系统。更新6台调速器及8台油压装置。全厂公用辅助设备系统进行部分更换及增设，并配备控制监控系统，主要包括中、低压气系统及管路、供水系统及管路更换、排水系统及管路更换、消防系统及管路更换、更换及增设部分量测元件。相应的厂用变压器、工业变压器、高压柜、低压柜进行配套改造。

3 施工方案及效益分析

3.1 施工方案

根据现场情况，如采用围堰施工，修筑围堰代价较大，施工难度大，可行性小，且影响电站正常发电。目前国内水下混凝土制造技术和施工技术较为成熟。因此，本文考虑在钢护筒围堰内进行水下基础打桩，在钢护筒围堰内浇筑水下钢筋混凝土墩，然后进行钢结构支承架施工。主要方案如下：

以改造后的拦污栅墩中线为中心，左右两侧各 2.5 m 处打入Ф 630 mm 厚10 mm 钢管桩搭设钢栈桥，在栈桥面安装钻机，冲击钻孔。汽车吊固定在钢栈桥面形成吊装平台，利用该平台将用于拦污栅墩施工的圆形钢围堰垂直打入河底，在圆形钢围堰内进行施工。在浇筑混凝土之前埋设横向预留钢板、清污机滑槽纵向预留钢板。在墩柱横向两侧面用自制槽钢焊接，做成固定拦污栅框槽架。

3.2 施工工艺流程

施工准备→测量放样→搭设汽车钢栈桥→搭设钻孔平台→埋设钢护筒→钻孔桩施工→导流墩施工→钢构件固定→装模→混凝土浇筑→移钻机→……→拆除钢栈桥。

3.3 效益分析

经过改造原装机从14.4 MW增至17.6 MW，电站多年平均发电量由6 200 kWh提高到7 845 kWh，增幅达26.5%。发电效益增幅可观。水量利用系数又现状的65%提高到81.2%，大幅提高了水资源利用效率。通过相应配套设备的更新改造，机组运行更加安全可靠，电站设备的自动化水平大幅提高，运行成本降低。另外通过进水口拦污栅的改造，彻底解决了原电站拦污栅阻水严重、清污不便、电站出力受限等系列问题。