坝后式生态机组布置设计方案

吴 韬，袁文娟

(水利部农村电气化研究所，浙江？杭州？310012)

0 引 言

为了解决小水电站厂坝间减脱水引起的河流生态问题，需要通过泄放生态流量来保障河湖基本生态、生活用水，不仅能解决生态环保问题，同时也推进了生态文明建设和小水电绿色发展。对于引水式和混合式电站，通常需要在坝址处进行生态流量的泄放，大部分的泄放措施是通过大坝放空管进行生态流量的泄放；但为了提高生态流量的综合利用功能，在发挥生态效益的同时能发挥经济效益，小部分建设单位通常会在坝后设置生态流量机组[1]。

1 工程概况

某水库电站地处皖河流域潜水干流上游，属于混合式电站，水库集雨面积209 km2，多年平均径流量2.14亿m3，总库容1 074万m3，是以防洪、发电为主，结合灌溉、养殖等综合利用的中型水库。水库正常蓄水位322.0 m，相应库容709.72万m3；死水位298.0 m，相应库容143.9万m3；调节库容为565.82万m3，库容系数为2.6%，属不完全年调节(季调节)水库。

水库枢纽工程由水库拦河坝、溢洪道和泄洪洞等组成。大坝为浆砌石抛物线型双曲拱坝，坝顶高程330.50 m，坝基高程266.00 m，最大坝高64.50 m，坝顶轴线长185.50 m；坝顶开敞式溢洪道堰顶高程322 m，净宽66.4 m，高坎挑流消能；坝体中部有排沙管，中心线高程为282.00 m，铸铁管结构，管径为1.0 m，出口为DN1000 mm钢管及闸阀。DN1000 mm闸阀前设有DN250 mm旁通闸阀，作为生态流量的泄放设施，生态流量具有44.5～28.5 m的毛水头，水能未得到充分利用。

2 生态流量的确定

根据水利部《农村水电增效扩容改造河流生态修复指导意见》，几种生态基流计算方法如表1所示。

表1 生态基流选择计算方法表

该水电站坝址以上集水面积为209 km2(≥50 km2)，根据生态流量分类核定原则，采用多年平均流量法(10%)进行核定。生态流量计算公式如下：

Q参证/F参证=Q核定/F核定

式中，Q参证为参证水文站生态流量(m3/s)；F参证为参证水文站控制集水面积(km2)；Q核定为核定断面生态流量(m3/s)；F核定为核定断面控制集水面积(km2)。

根据上式计算的生态流量核定值：Q核=0.376 m3/s×(209 km2/137 km2)=0.573 6 m3/s，可在大坝排沙管出口增设不小于DN200 mm旁通闸阀泄放生态流量。

3 机组容量的选择

该电站的“一站一策”实施方案指出：取水口生态流量泄放具有一定水头，后期可考虑增设生态机组。目前已在大坝排沙管出口增设了DN250 mm旁通闸阀泄放生态流量，但泄放流量受到水库水位影响波动较大，无法有效控制生态流量。“一站一策”实施方案(修编本)中也建议对生态流量泄放设施和监测设施进行改造，进一步提出增设生态流量机组，利用机组出力换算生态流量。

3.1 水库特征水位

水库正常蓄水位322.0 m，汛期限制水位318.0 m，设计洪水位328.48 m，校核洪水位330.45 m，最低发电水位306.0 m。

3.2 机组运行水头

陈肖依等[2]在对小水电站生态流量泄放对电能损失率的影响进行分析后得出结论，生态流量的泄放对小水电的发电损失率一般在10%～20%，因此生态机组通常在水头范围内均恒定地泄放生态流量。在选择机组参数时应该关注的是下泄流量的保证值，需要对水运行水头范围内的下泄流量进行核算；故生态流量机组的额定水头意义并不大，但作为水轮机的主要参数可以按照生态机组运行水头的变幅来拟定。

本水库运行水头范围约为43.18～27.18 m，水头变幅并不大，可以将加权平均水头的90%～95%作为额定水头来选择水轮机的转轮直径和额定转速；同时要复核最大和最小水头时下泄流量是否满足生态流量要求。另外，还要关注水轮机的稳定性，尽量使水轮机在较优工况区运行。

本水库坝后式生态机组的运行模式为在水库最低发电水位306.0 m以上时优先发电，以满足下游生态用水需要。

引水系统水头损失包括局部水头损失与沿程水头损失之和，生态机组引用流量Q=0.58 m3/s时，最大水头损失为1.36 m。生态机组正常尾水位277.46 m，机组的毛水头为44.54～28.54 m，水轮机运行水头范围约为43.18～27.18 m。根据仅有的2020年1月1日至2020年12月31日实测的水库水位数据计算，水库年平均水位314.22 m，平均水头为35.4 m。对于生态流量水电站来说，水轮机在电站整个水头运行范围内都要保证几乎恒定的下泄生态流量。机组运行范围较为特别，初步拟定生态机组的额定水头为35.00 m。

3.3 机组容量的选择

生态机组在水库水位变化的情况下需要按核定的生态流量0.58 m3/s恒定运行。当水轮机运行水头为43.18 m时，机组最大出力为199 kW；当水轮机运行水头为27.18 m时，机组最小出力为129 kW。因此，推荐生态机组装机容量为200 kW，额定水头为35.00 m，额定流量为0.58 m3/s，机组24 h发电下泄生态流量，满足下游生态用水需求。

生态机组多年平均出力为169 kW，年发电量为148万kW·h，正常运行的年利用小时数约为7 400 h。生态机组运行时各项运行数据通过电缆传输至原水库电站水电站中控室和有关环保监控机构，可对出力和下泄流量进行在线监控[3]。

4 布置方式

4.1 站址的选择

作为生态机组，其场址应尽可能靠近大坝。为了保证生态机组厂房安全，要避开坝顶溢洪道弃水时挑流抛落的影响。大坝下游两岸较陡，其中左岸陡于右岸，左岸无建厂房的地形条件，只能在右岸选址。根据坝后右岸的地形条件，初选了2个厂址方案进行比较。厂址选择方案对比如表2所示，厂址位置如图1所示。

图1 坝后生态机组厂址方案

表2 厂址选择方案对比表

厂址1选在右岸边紧贴坝后，现地面高程275～283 m，为大坝开挖范围内。厂址2选在泄洪洞出口左侧的台地，距大坝约70 m，现地面高程约283～285 m，均为基岩。

在厂址1，机组可布置在开挖边坡与坝体之间，安装场布置于283 m的台地上，不用开挖岩石，压力钢管短，利用水头高；但场地狭小，厂房要设防洪墙。

在厂址2，由于不方便岩石开挖，机组只能布置在285 m台地上，机组安装高程高，利用水头低，压力钢管长；但场地开阔，厂房地面在校核洪水位以上，不用设防洪墙。

考虑到2个厂址方案的投资相近，施工难度差不多，但厂址1的利用水头多4 m，即发电量多12%，因此推荐厂址1方案。

4.2 机组型式的选择

装机容量较小的混流式水轮发电机组一般采用卧式机组，但本厂房建设的位置比较狭小，对于厂房的尺寸有一定的要求；并且卧式机组的蜗壳在湿度和温度较高时会有大量的冷凝水，影响机组的使用寿命；因此本生态机组采用立式整装混流式水轮发电机组。

立式整装水轮发电机组可采用直锥形尾水管和弯管型尾水管。直锥形尾水管厂房开挖比较深，但可利用的水头比弯管型尾水管大。对于本生态机组，机组的进出水在同一个方向，采用弯管型尾水管不利于厂房的布置；并且因为要保证尾水管淹没高度的要求，可利用的水头较小；因此本生态机组采用立式整装混流式直锥型尾水管水轮发电机组，详见图2。

图2 立式整装混流式直锥型尾水管水轮发电机组

5 结 语

坝后式生态流量电站主要是为了解决现状生态流量排放存在的问题。通过管道自由下泄生态流量，无法有效控制流量，利用视频监控等手段无法定量监测流量；而生态流量机组是解决流量控制和定量监测的有效手段。对于这类生态机组应按无人值守要求进行设计，并且站址的选择比较重要；不仅要避开大坝泄洪影响区还要兼顾生态流量的泄放，在方案论证设计时还应考虑生态机组停机时备用的泄放措施；同时合理选择装机容量也能更好地发挥经济效益。