贵州某电站生态流量泄放措施分析

伍志 李月彬 袁延良 毛祥虎 刘涛

【摘 要】近年来，国家对水资源水生态保护提出了更高要求，自然资源环境保护、河湖生态流量保障上升到国家战略高度。贵州某水电站于2003年投运，建设时无最小下泄生态流量要求，因此无专项生态流量泄放措施，不满足现今生态环保要求。文章根据电站的地质条件、枢纽建筑物布置型式及机组的运行状态，结合电站的实际情况，对电站生态流量泄放措施进行比较分析和研究，确定最优的生態流量泄放改造方案。

【关键词】水电站;生态流量;泄放措施;生态机组

【中图分类号】TV213.4 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）03-0116-03

1 研究背景及工程概况

贵州某电站装机容量为360 MW（3×120 MW），第一台机组于2003年5月并网发电。近年来，国家对水资源水生态保护提出了更高要求，自然资源环境保护、河湖生态流量保障上升到国家战略高度。

根据相关部门的生态流量监管要求，当电站厂址尾水位与下游电站库水位不衔接时，电站应按不小于13.7 m3/s瞬时流量控制下泄，要求电站应进一步落实最小下泄流量工程保障措施，确保坝址处最小下泄流量。电站建设较早，建设时无最小下泄流量要求，电站无专项生态流量泄放措施。

贵州某电站水库总库容为5.31亿m3，正常蓄水位为1 086 m，属不完全年调节水库。电站装机容量为360 MW（3×120 MW），是国家实施“西电东送”战略首批开工建设的大型水电站，第一台机组于2003年5月并网发电，年平均发电量为9.78亿kW·h，年平均利用小时为2 717 h。水电站枢纽由混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道、右岸发电引水洞和发电厂房等组成。

2 电站目前下泄生态流量的方式

根据相关部门对电站下放生态流量提出的监管要求，最小下放生态流量为13.7 m3/s。

电站机组主要技术参数如下：额定出力为122.45 MW，额定水头为92 m，额定流量为147.8 m3/s。机组正常运行时，其过机流量均能满足生态流量泄放的要求。但全厂停机时，无生态流量泄放措施，不能保证满足生态需水要求。因此，为满足生态流量的下泄要求，电站目前通过水轮机在空载或部分小负荷工况下长期运行泄放生态流量。

水轮机在空载或低负荷工况下运行时，超出了水轮机的稳定运行推荐范围，稳定性降低，产生了一系列问题，例如水轮机转轮多个叶片出现裂纹，导水机构导流板脱落，泄水锥气蚀严重，尾水管压力脉动大，尾水管进人门水平振动大，尾水管进人门渗水等。因此，电站目前下放生态流量的方式存在较大的安全隐患，需寻求更加安全可靠的生态流量泄放措施[1]。

3 生态流量泄放措施

水电站生态流量泄放措施的选择应遵循因地制宜、安全可靠、技术合理、经济适用的原则。根据电站不同开发方式和枢纽布置特点，经技术经济方案比较，选择适合电站的泄流设备设施。生态流量泄放设施的改造或增设应符合国家有关设计、施工、运行相关标准。

常见的生态流量泄放措施有增设生态流量泄放管、新建生态电站、改造闸门、增设虹吸管及水泵抽水等。初步分析本电站的枢纽布置型式、地质条件及机组的运行情况，综合考虑方案的技术可行性和经济性，增设生态流量泄放管、闸门改造及增设虹吸管方案施工难度过大或无实施条件，水泵抽水方案每年要消耗大量的电能且运行检修维护工作增加，经济性较差，因此排除上述几个方案。根据电站的实际情况，初步确定了两个可行的方案，分别为水轮机宽负荷稳定运行整体改造方案和新建生态电站方案。

3.1 水轮机宽负荷稳定运行整体改造

近年来，我国在混流式水轮发电机组研发方面已经走在世界前列，模型转轮的研发技术水平和水轮机的设计制造能力都有了很大的提高[2]。在水力试验方面，我国已建成覆盖混流式、轴流式、可逆式（水泵水轮机）、贯流式、冲击式机组水力开发的专用水力试验台。所有试验台均具有自动化程度高和测试精度高的特点，综合测量误差处于国际先进水平，部分试验台的测试精度达到国际领先水平，完全具备按照国际标准进行各种性能试验的能力。

国内部分新建及改造电站的混流式水轮发电机组，通过采用最新的水轮机设计制造技术，对全套水轮机部件针对电站实际情况进行“量体裁衣”式设计，提高机组运行的稳定性，特别是低负荷运行的稳定性，基本实现了“宽负荷稳定运行”。

参考国内新建及改造混流式水轮发电机组实现“宽负荷稳定运行”的成功案例，采用最新的水轮机设计制造技术，重点针对水轮机低负荷运行时的稳定性，结合电站的实际运行情况，有针对性地进行模型转轮研发及水轮机设计制造，使整体改造后的水轮机满足在低负荷下长期稳定运行的要求，电站通过机组长期低负荷运行下放生态流量的方案基本可行。

由于混流式水轮机的固有特性，水轮机低负荷运行时，与设计工况偏离较大，转轮的绕流及出流条件将发生较大变化，水轮机的效率及稳定性相对于设计工况仍会下降明显。国内虽有混流式水轮机通过改造实现“宽负荷稳定运行”的成功案例，但该技术的实施及应用仍处于起步阶段，可参照的应用实例数量有限，并且每个电站的实际情况及边界条件不尽相同，因此如果采用水轮机整体改造方案，仍需针对电站的实际情况开展进一步的研究，确保水轮机改造的效果[3]。

根据贵州某水电站2016年的机组效率试验报告显示，机组带10 MW负荷时，综合效率仅为35%，因此通过水轮机整体改造，虽然解决了水轮机低负荷运行下放生态流量时的稳定性问题，但是低负荷运行时机组综合效率非常低，水能不能充分利用。

3.2 新建生态电站

在电站合适位置新建生态电站，大机停机时，通过新建的生态小机下放生态流量。该方案可以解决原机组水轮机存在的问题及安全隐患，同时保证生态流量的泄放，由于下放生态流量时，生态机组运行在较优的工况，因此生态机组运行的综合效率较高，对水能的利用更加充分，能产生更多的经济效益。

3.2.1 生态电站装机容量

生态机组装机容量确定时，考虑电站特征水位及原机组运行方式保持不变。在此前提下，结合生态流量的下泄要求进行装机容量的拟定。

根据水库特征水位及运行方式保持不变，计算生态机组工作水头范围为112～75.68 m，生态小机组加权平均工作水头为98.12 m，初拟生态小机额定水头为98 m，需下放的生态流量为13.7 m3/s，新建生态电站装机容量为14 MW。

3.2.2 生态电站工程布置

考虑地形地质条件、施工布置、建筑物协调布置等因素，结合已有建筑物（原引水发电系统和2#导流洞）的布置情况，在原引水隧洞和2#导流洞之间新建地下厂房，利用原引水隧洞作为引水通道，原2#导流洞作为尾水通道的布置方案，新建生态电站枢纽平面布置如图1所示。该方案枢纽布置及地质条件无重大制约因素，利用原电站引水发电系统的进水口及导流洞作为引水及尾水通道，技术可行且有利于节约投资。

3.2.3 生态电站机组型式及装机台数

由于生态电站主要任务为泄放生态流量，一般情况下只在电站大机停机时运行，生态机组的检修可考虑在大机发电时进行，生态电站装机台数的选择应在满足生态流量泄放及机组检修的前提下使电站的运行、检修及维护工作尽量简便，根据本电站装机容量、水头范围，结合枢纽布置，初步推荐本生态电站装设1台单机容量为14 MW的水轮发电机组。同时，为保证大机停机、生态机组事故检修时生态流量的泄放，生态机组旁设置1根旁通管，旁通管上设置1个生态流量阀，保证生态流量的泄放。

新建生态电站装机容量为14 MW，水头范围为75.68～112 m，根据生态电站的水头段，新建生态电站采用立轴混流式水轮发电机组。

3.2.4 发电厂房布置

地下厂房总尺寸（长×宽×高）为41.5 m×14.5 m×27.2 m，从近坝侧到远坝侧依次布置主机间、安装间（副厂房布置在安装间下部）。主机间内安装1台14 MW水轮发电机组及其附属机电设备，机组安装高程为970.5 m，主机间段总长为22.0 m;为便于结构布置、使设备布置更加紧凑，保证上下游侧通道畅通，并减少厂房跨度，参考已建类似工程经验，机组中心线与上、下游侧开挖岩体间距分别为8.5 m和6.0 m。厂内安装80 t/20 t双小车桥式起重机，吊运转子的主要通道设在发电机层上游侧，轨顶高程为987.7 m。吊车梁型式为岩壁式。厂房岩锚吊车梁层以上跨度为15.5 m，吊车梁层以下厂房跨度为14.5 m。厂房布置从下至上依次为尾水管层、操作廊道层、技术供水设备层、水轮机层、发电机层、吊车梁层。图2为生态电站厂房纵剖面布置。

4 生态流量泄放措施技术经济对比分析

根據以上对电站生态流量泄放措施的研究，初步确定了水轮机宽负荷稳定运行整体改造和新建生态电站两个方案，以下对两个方案进行对比分析。

4.1 技术可行性对比分析

根据前述分析，通过水轮机整体改造，实现“宽负荷稳定运行”，机组低负荷运行下泄生态流量的方案基本可行。但由于此项技术在国内应用的案例仍然有限，考虑到本电站水头变幅较大，水轮机整体改造效果存在一定的不确定性，因此仍需针对电站的具体情况进行进一步的研究。

新建生态电站，大机停机时，通过新建的生态小机下放生态流量，可以解决生态流量的泄放问题，经分析论证，利用原引水隧洞及原右岸2#导流洞新建生态电站的方案，无重大制约因素，该方案能避免利用大机下放生态流量带来的安全隐患，同时水量得到充分利用，方案技术可行[4]。

4.2 经济性对比分析

经统计分析，新建生态机组下放13.7 m3/s生态流量时，年运行小时数约5 400 h，下放生态流量时生态机组水轮机平均效率约91.5%，发电机平均效率约96.5%，机组综合效率约88.3%，经计算，生态机组下放13.7 m3/s的生态流量，年发电量为6 277万kW·h。

根据相关文件，结合电站实际运行情况的统计，电站在枯水期水库来水量较少时，机组通过带10 MW负荷保证生态流量的下放。120 MW机组带10 MW负荷运行时，水轮机严重偏离设计工况，水轮机效率下降严重，发电机效率也有明显下降，水轮发电机组综合效率很低，机组综合效率约35%，考虑两个方案下放生态流量水量相同，经计算，120 MW机组通过带10 MW的负荷下放生态流量，年发电量为2 532.8万kW·h。

经初步对比分析，新建生态电站方案的总投资高于水轮机整体改造方案，新建生态电站的一次性投资较高;但通过新建生态电站下放生态流量的年发电量高于通过原机组低负荷运行下放生态流量的发电量，生态电站下放生态流量产生的经济效益较高[5]。

5 结论

水轮机宽负荷稳定运行整体改造方案，仅对原水轮机进行改造，无新建工程设施，电站的水工建筑物包括引水系统、厂房结构等基本维持不变，或仅作局部修改、加强及修补。施工难度不大，通过水轮机整体改造实现“宽负荷稳定运行”下泄生态流量的方案基本可行。但是低负荷运行时机组的综合效率较低，对水能的利用不充分，并且该技术的实施及应用仍处于起步阶段，可参照的应用实例数量有限，仍需针对电站的实际情况，开展进一步的研究，确保水轮机改造的效果。

经分析研究，新建生态电站方案的地质条件及枢纽布置无重大制约因素，可彻底解决生态流量的下放问题，并且对水能的利用较充分，能产生更多的经济效益，方案可行，但该方案的一次性投资较高，若实施需进一步优化设计方案，提高方案的经济性。

综合比较，推荐采用新建生态电站作为生态流量泄放措施。

参 考 文 献

[1]王友春.大兴水电站生态流量泄放措施分析[J].黑龙江水利科技，2021（5）：99-101.

[2]吴文涛，黄菊萍，李然，等.去学水电站生态流量泄放措施优化研究[J].四川环境，2021，40（2）：60-67.

[3]严茂强，卢兴，印小军，等.生态流量在线监测系统及在水电站的应用[J].四川水利，2020，41（6）：146-148.

[4]陈国柱，杨杰，赵再兴.水电工程生态流量实时监测技术发展的思考[J].环境影响评价，2017，39（6）：6-8，38.

[5]李雪，彭金涛，童伟.水利水电工程生态流量研究综述[J].水电站设计，2016，32（4）：71-75.