大伙房水库输水工程增设水轮发电机组对供水的影响分析

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

大伙房水库输水工程从大伙房水库取水,经管线由配水站配置给辽宁省中部地区的7个城市。经分析，大伙房水库输水工程沈阳Ⅰ配水站、沈阳Ⅱ配水站、辽阳配水站支线具有一定的富裕水头，供水流量较为均匀，拟对上述配水站进行改造，增设水轮发电机组(以下简称新增电站工程)，以达到调流、消能、发电的目的，同时增加经济效益。近年来，虽然长距离供水管线的建设越来越多，但对供水和发电结合、综合开发水能资源的研究却很少，本文结合工程实例，研究发电对供水的影响，以期为此类工程提供一定的参考和借鉴。

由于大伙房水库输水工程已成为受水七市的支撑性水源工程，充分保障输配水系统运行安全是新增电站工程的建设前提，因此，需要从供水能力、供水压力、供水波动事故率、调度运行等方面分析新增电站对供水的影响。

1 对供水能力的影响

沈阳Ⅰ、沈阳Ⅱ、辽阳配水站均是在支线增设水轮机组，水轮机和调流阀联合调节流量，各配水站设计原则一致。本文以沈阳Ⅰ配水站为例说明。沈阳Ⅰ配水站一步支线共设有三个支管，安装1个蝶阀和2个调流阀，沈阳Ⅰ新增电站工程是在已建支线调流阀室内拆卸一个调流阀，在原调流阀位安装1台卧式混流式水轮发电机组，并与机组并联增设一台DN900的液控调流阀，水轮机可以单独运行，也可以与新增调流阀并联运行调节流量，配水站支线仍保留一个检修阀、一个调流阀。液控调流阀的设置既能辅助水轮机调节流量，又能保证当机组事故甩负荷时迅速开启，补充支线流量并调节主支线压力。新增电站工程布置见图1。

图1 新增电站工程布置示意图

机组运行应首先保证供水安全可靠，即满足流量调节要求和原有的供水保证率要求。各站点不同特征水头对应的特征流量统计详见表1。经分析可得各站点各特征水头下的过流量均大于净水厂需要的过流量，所以改造方案只是减少了调流阀运行时间，对主线和支线供水能力均没有影响。

表1 水轮机各水头下过流量

2 对供水压力的影响

在长距离输水管道运行过程中，管道压力发生波动的原因主要有管道阀门开启与关闭、水泵启动或者停泵、动力故障、管道排气不畅、管道水流的汇集与分流等。其中最严重的是人为误操作、断电、关阀过快等原因造成的供水管道水锤事故，水锤波传播距离广、范围大、破坏力强、事故危害性大，会对管道、阀门和固定件造成不同程度的破坏，严重危害输水管道的运行安全。

为了保证输水安全可靠，往往会设置超压泄压阀、空气阀、安全阀、调压塔、水锤消除器等众多水力元件，通常需要根据输水管道的重要程度和水力过渡过程计算结果，采取多种防护措施联合使用的方式来保证供水安全。本工程在原有工程的基础上新增水轮发电机组，水轮发电机组事故甩负荷时会导致主管线和支管线压力升高，供水工程管道压力会产生波动。为保证供水安全，经过水力过渡过程计算分析，本工程采用调流阀和调压塔联合保护方案作为主支线压力调节保证措施。在新增机组各典型运行工况下，对供水管线压力波动情况进行分析。

2.1 新增机组正常启、停机

水轮机正常开机，调流阀逐渐减小开度，同时水轮机逐步增负荷。水轮机正常关机，机组逐步缓慢减小负荷直到停机，调流阀缓慢逐步增大开度达到需要值。机组与调流阀切换运行，缓慢接续操作，控制压力波动。因此，水轮机正常启、停机，支线供水流量稳定，系统压力波动很小，对主支线压力不造成影响。

2.2 新增机组甩负荷，调流阀开启

当机组事故甩负荷导叶关闭时，调流阀快速开启，迅速提供支线流量和调节管线压力，对于所有典型工况，新增电站蜗壳末端最大压力、机组转速最大上升率、尾水进口最小压力均满足要求，管线各节点压力波动很小，主线调压塔不溢流，对主线压力没有影响。

2.3 新增机组甩负荷，调流阀拒动

当机组处于甩负荷、调流阀发生事故拒动的最不利工况时，管线压力通过主线调压塔和支线调压塔联合调节。本次各站点主支线调压塔设置原则如下：如果站点附近已有主线调压塔，则利用原有的调压塔进行事故压力调节，不新增设调压塔；如果站点距离主线调压塔较远，则新增设一个调压塔，作为机组甩负荷时主线压力调节设施，即在沈阳Ⅱ配水站和辽阳配水站各增设一个主线调压塔。各站点在支线下游侧各设置一个调压塔作为支线压力调节设施，保证在调流阀拒动的条件下，支线不出现负压过大的有害现象。

对2016年、2020年、2025年不同水量下，机组全部甩负荷且调流阀拒动工况进行过渡过程计算可得以下结果：各站点机组过渡过程中参数(详见表2)；以沈阳Ⅱ新增电站工程为例，主线调压塔发生溢流(溢流情况详见表3)；稳压塔中最大水位变化(见图2)。

表2 过渡过程中机组参数情况

表3 过渡过程中主线调压塔溢流情况

图2 过渡过程中主线调压塔塔中最大水位变化

分析可知，蜗壳末端最大压力、机组转速最大上升率、尾水进口最小压力均满足要求，调压塔溢流对主线压力影响在正常范围内，因此供水压力的稳定可以保证。

3 对供水波动事故率的影响

增设水轮发电机组后，当机组事故甩负荷时会对供水造成一定影响，而机组发生甩负荷多数是由于输电线路故障引起，沈阳Ⅰ、沈阳Ⅱ配水站机组均以一回10kV线路T接至分线线路，辽阳配水站机组采用专用输电线路以一回10kV线路直接接至66kV高洛子变电站，沈阳Ⅰ、沈阳Ⅱ配水站机组受输电线路故障影响发生甩负荷的频率相对较高。当增设水轮发电机组后，每当输电线路发生故障断电，便会引起机组甩负荷，相应引起输水管线压力波动，对供水造成一定影响。因此，增设机组的同时也在一定程度上增加了供水波动事故率。

4 对供水工程调度运行的影响

大伙房水库输水工程受水用户较多，头部为自流供水，后部设鞍山加压泵站，沿线配置了6座双向稳压塔、4座单向稳压塔、23套调流阀、10套变频调速装置、2000余套空气阀等调压调流设施和设备，以保证系统的压力和流量波动安全。整个系统运行边界条件复杂、组合工况多，调度运行安全任务艰巨，如新增电站，工程将在一定程度上加剧复杂条件，加重调度任务。

5 结 语

综上所述，大伙房水库输水工程新增电站工程，设计上基本可行，基本可以保证大伙房输水工程供水能力和供水安全。本项目在已有供水管道上进行改造，在土地、土建施工和建筑物等方面节省了大量的投资，建设周期短，国民经济评价指标、财务指标较好，经济可行，因此，增设水轮发电机组是必要的。但是由于新增电站是在大伙房输水工程支线上建设，依附于大伙房输水工程，因此电站的运行将在一定程度上影响供水的稳定性。同时，新增电站工程将给运行调度增加一定的难度，电站的事故率也将增加供水波动事故率。建议综合考虑上述因素后，优先选择经济指标较好、事故率较低的站点增设机组，待积累一定的运行调度经验后再对其他配水站进行改造。

本工程采用水轮机与调流阀联合调流消能的设计方案，既能保证工程运行安全可靠，又能增加供水企业效益，符合国家环保、节能、增效的指导方针，目前，全国建设小水电的积极性比较高，结合供水工程开发小水电，发电小时数高、电能质量较好，符合国家发展绿色能源的方针政策，具有很好的开发研究价值。本文关于发电对供水的影响分析可为类似工程提供一定的参考和借鉴。