水电站主阀改造期间库水位控制方案优化与分析

杨向上

(安徽佛子岭水电有限公司,安徽 六安 237272)

0 前言

正常情况下,水电站主阀改造无须额外采用库水位控制措施,只需全关进口检修闸门即可切断压力钢管中水源,开展下游侧相关作业。佛子岭水库建成已近70 a,进口检修闸门门槽锈蚀严重,渗漏水量较大,由于门槽嵌入水下坝体内,只能采取水下封堵。人工水下封堵安全要求高,专业技术性强,对作业区水压力有严格限制,库水位越低越有利于施工作业[1]。淠河灌区承担40万hm2农田灌溉任务,向合肥、六安、霍山等重点城镇供水,佛子岭水库是重要水源地,库水位汛后蓄水不可能因为水电站改造而放空水库或者水位降得太低。为满足施工条件适当降低库水位必须兼顾第二年灌溉蓄水,确保农业粮食安全(淠史航灌区粮食产量占安徽全省的1/4)。针对这一系列矛盾,经过认真分析潜水作业规范、检修闸门挡水状况、水库蓄供水研判等综合因素,对库水位控制方案调整优化,并合理压缩工期,在保灌前提下适当降低水位,以高于正常检修水位下完成施工。

1 工程概况

佛子岭水库建成于1954年,享有“新中国第一坝”美称,是一座以防洪、灌溉为主,结合发电、供水等综合利用的大(2)型水利水电枢纽工程。水库坝址以上控制流域面积1 840 km2(其中磨子潭水库570 km2、白莲崖水库745 km2、佛-磨-白区间525 km2),占淠河全流域的30.7%。佛子岭水库为年调节水库,总库容4.91亿m3、调洪库容1.56亿m3、兴利库容2.71亿m3。水库承担下游20年一遇防洪任务,保护下游霍山县城和六安市130万人口、4.8万hm2耕地及沿途重要基础设施,与上游磨子潭、白莲崖水库及西淠河响洪甸水库联合运用,设计灌溉面积44万hm2,向合肥市、六安市、霍山县等沿途城镇供水。磨子潭水库是佛子岭水库的上游梯级水库,总库容3.47亿m3、调洪库容1.91亿m3。电站总装机63.1 MW,设计年发电量1.81亿kW·h,多年平均发电量1.29亿kw·h。

佛子岭水电站投运已近70 a,原有机电设备老化陈旧,能耗高,效率低,安全可靠性差。为了确保电站安全运行,充分利用水能资源,维护河流健康生态,更高效发挥水库综合效益,2016年4月,依据财政部、水利部下发的文件精神,省水利厅、财政厅批复佛子岭、磨子潭水电站增效扩容改造工程,总投资13 806万元,是全国最大的“十三五”农村小水电增效扩容改造项目,工程任务主要包括：对水轮发电机组选型更换,更新主变主阀,改建开关站,配置计算机监控系统,增设河流生态流量监视装置及加固生产厂房等,其中,主阀阀体锈蚀机构不灵,不能快速关闭,存在极大安全隐患,为第一项改造工作任务[2]。

2 库水位控制方案可行性

佛子岭、磨子潭、白莲崖、响洪甸四大水库既串联又并联的水库群,增加了水库群向下游淠河灌区供水调度的灵活性,缓解了供水矛盾,提高了供水效益。4库多年平均径流总量26.8亿m3,兴利总库容17.5亿m3,多年向下游平均供水量13.57亿m3,通过合理调配,基本满足各部门用水需求。

2.1 检修闸门现状

佛子岭大坝主体为钢筋混凝土连拱坝,18#垛内引水钢管安装1#、2#、3#水轮发电机组,19#垛内引水钢管安装4#、5#机组,钢管直径均为φ1.975 m,进口检修闸门为潜孔式平面定轮钢闸门,底槛高程86.39 m,结构示意见图1。

图1 佛子岭18#、19#垛发电钢管进口检修门结构

佛子岭18#、19#垛发电钢管进口检修门主要参数：

孔口尺寸(b×h)：1.9 m×3.64 m(斜高)

底槛高程：86.39 m

设计水位：上游112.56 m,下游无水

校核水位：上游115.56 m,下游无水

启闭机：100 kN固定式卷扬启闭机

运行条件：静水启闭

磨子潭大坝为混凝土双支墩肋墩坝,9#垛内引水钢管安装1#、2#、3#机组,钢管直径φ3.4 m,进口中心高程152.0 m,主要设计参数如下,结构示意见图2。

图2 磨子潭9#垛发电钢管进口检修门结构

磨子潭9#垛发电钢管进口检修门主要参数：

孔口尺寸(b×h)：3.0 m×4.5 m(斜高)

底槛高程：151.056 m

设计水位：上游203.93 m,下游无水

启闭机：2×160 kN固定式卷扬启闭机

运行条件：静水启闭

施工前佛子岭水位119.50 m,磨子潭水位179.81 m。为了对主阀进行改造,需全关进口检修闸门,但由于闸门渗漏水量过大无法开展相关作业。经测量,佛子岭18#、19#垛检修闸门渗漏水量约1.6 m3/s和1.7 m3/s,磨子潭9#垛渗漏水量约1.9 m3/s。提起闸门检查门体密封后进行了处理,渗漏情况未明显改善,进入钢管难以靠近查看,远处隐见呈多点喷射状态,水下摄像发现门槽锈蚀汽蚀严重。

2.2 主阀施工条件

主阀更换施工期间,进口检修门成为保护厂房的唯一挡水屏障[3],必须工作正常才能确保人员、厂房及设备安全。基于门槽埋入水下坝体内,不可能放空水库,大幅度降低库水位至门槽佛子岭86.39 m、磨子潭151.056 m以下也不可取,只能考虑适当降低库水位采取水下封堵方式解决渗漏问题,为主阀改造创造施工条件。

从检修闸门设计参数角度出发,需将佛子岭库水位降至该闸门的设计水位112.56 m以下,最高不得高于校核挡水位115.56 m,若超过该水位,则进口检修闸门的档水可靠性得不到保障,磨子潭检修闸门设计水位203.93 m,远高于实际库水位,挡水条件较好。

水下人工封堵方面,超30 m水头下潜作业属“重潜”,而且随着深度增加会产生“高压神经综合症”现象,操作安全性大幅降低。据此测算,若以最大潜水深度30 m控制,作业深度按底槛以下1 m计,再留约2 m安全裕量,则佛子岭库水位需降至113.39 m,磨子潭库水位需降至178.056 m。

由于佛子岭水库在水资源调度上的特殊地位,应充分考虑来水偏枯对灌区的用水影响。综合上述考量,将佛子岭库水位降至115 m左右、磨子潭库水位降至178 m左右比较可行,总体水位降幅不大,安全有保障也能满足相关施工要求。同时,为水库尽早回蓄,须进一步合理优化压缩工期,所有改造工程限于季节性枯水期结束前完成。经再三排演倒推,拟定佛子岭计划工期为2017年1月5日至3月25日,其中闸门封堵时间为2017年1月5日至1月20日;磨子潭计划工期为2016年12月15日至2017年2月28日,闸门封堵时间为2016年12月15日至12月30日。

2.3 供水影响

2.3.1 施工期供水影响

2016年11月25日8时,佛子岭、磨子潭、白莲崖水库水位分别为119.50 m、179.81 m、198.28 m。依据白莲崖水库建成蓄水并参与三库联合调度运行以来2010至2016年每年10～5月逐旬平均进库水量统计资料(见表1),就上游水库可能来水情况进行预测。根据工期计划安排,2016年12月15日前磨子潭水库水位降至178 m并维持至2016年12月30日,之后按省防汛抗旱指挥部要求187 m控制,2017年1月5日前佛子岭水库水位降至115 m并维持至2017年3月25日,期间保持白莲崖水库水位不超过202 m,计算3水库需出库流量(见表2),对水位调控期间下游供水进行测算。

表1 佛子岭、磨子潭、白莲崖水库进库水量统计 万m3

表2 佛子岭、磨子潭、白莲崖水库出库流量统计

据表2计算,在降水位期间,佛子岭水库出库流量约30 m3/s,水位维持阶段出库流量约20 m3/s,6#、7#机组单机设计流量32.2 m3/s,发电降水完全满足要求;磨子潭水库在降水位和维持水位期间,需出库约13 m3/s和不足4 m3/s,极端天气还可启用泄洪设施;白莲崖水库出库流量约10 m3/s。所以,3水库都可以实现充分利用宝贵水资源发电降水,降水位期间有4个月时间可保证20～30 m3/s流量向下游持续供水。

2.3.2 施工后供水预测

根据省防汛抗旱指挥部下达的2016年汛期调度运用计划,佛子岭水库2016年11月16日-2017年3月31日按120 m控制,2017年4月1日-2017年6月14日按124 m控制。磨子潭水库2016年9月16日-2017年6月14日库水位按187 m控制。

按照施工计划,佛子岭工程2017年3月25日完成后开始蓄水,115 m水位对应水库蓄水量为2.07亿m3,水位～库容关系见表3。磨子潭封堵工程2016年12月30日完成后开始回蓄,178 m对应水库蓄水量为1.27亿m3。按照淠河灌区确定水源工程调度的总原则,灌溉需水首先由塘坝供给,然后是反调节水库、大型水库(其中优先使用佛子岭水库供水,不够时再利用响洪甸水库供水)、抽水补给站供给,水库放水原则是发电服从灌溉[4],结合电站主阀施工工期安排,水位调控期间充分利用发电供水、充蓄灌区水库塘坝。由于维持水位期间佛子岭仍持续向下游供水,并且,前期降水位时已经泄放约0.9亿m3水,所以,此期间对供水影响不大,重点应考量3水库工程结束后蓄水情况及测算第二年对各单位供水影响(见表4)。

表3 佛子岭、磨子潭、白莲崖水库水位～库容关系

表4 佛子岭、磨子潭、白莲崖水库蓄水计算情况

为了相对准确预测降雨来水情况,根据佛子岭区域水文及农业灌溉特点,选取80%和50%保证率算法按4月1日作为节点测算。根据表4计算结果,按80%保证率来水预测,至2017年4月1日,佛子岭、磨子潭、白莲崖水库水位分别能达115.80 m、186.90 m、202.0 m,3水库总蓄水量为5.67亿m3,比其多年平均蓄水量4.85亿m3多0.82亿m3,比近10 a平均蓄水量5.68亿m3少0.01亿m3;按50%保证率来水预测,3水库水位分别能达117.45 m、187.0 m、202.0 m,总蓄水量为5.94亿m3,比多年平均4.85亿m3多1.09亿m3,比近10 a平均多0.26亿m3。

根据灌区供水预测,2017年4月1日初步进入灌溉期后,三水库总蓄水量比多年平均蓄水量多蓄0.8～1.1亿m3,与近10a平均相比持平或偏多,能充分保障下游灌区水源需求。因此,对2017年淠河灌区整体供水形势不会造成大的影响,在极端条件下可通过淠河灌区另一水源工程——多年调节大(1)型水库响洪甸水库加大放水量及协调省淠史杭总局做好统筹调度,适度发挥包括梅山水库、董铺水库、大房郢水库在内的各水库联合调度作用,满足下游用水需求。

3 工程实施

库水位控制方案经专家评审后报经上级主管部门审批同意执行。2016年12月12日,佛子岭、磨子潭相继按约90 m3/s和55 m3/s开始发电,由于磨子潭只有一道发电钢管,闸门全关后就不能发电放水,故采用预放方式腾出适度库容,2016年12月14日水位降至177.51m,2017年1月5日佛子岭库水位降至114.89 m。在库水位降到预定值完成各项安全措施后,由专业潜水员开始水下作业,磨子潭9#垛检修闸门于2016年12月29日完成潜水封堵,佛子岭18#垛、19#垛检修闸门也于2017年1月18日和1月22日陆续完成封堵,经检查,各闸门渗漏水量显著减少,再在主阀上游侧安设充气气囊,打开钢管排水孔,彻底消除了渗漏水影响,保证了主阀拆除、安装、调试工作在计划工期内全部结束。

主阀改造期间,各参建单位深知施工条件来之不易,提前制定细化方案预案,积极联系主阀及时供应,增加人力资源配置平行作业,“白加黑”“5+2”加班加点,克服重重困难,终于在计划工期内顺利完成了各项工作任务,磨子潭主阀于2017年2月26日完成安装,佛子岭主阀分别于2017年3月22日和3月24日调试结束,为电站增效扩容改造工程后续工作提供保障,其中,在处理磨子潭2#、3#机主阀时还发现并彻底处理了连接段管壁厚度不够的重大安全隐患。

施工期间佛子岭利用6#、7#机发电维持库水位,至2017年3月25日工程结束,降水位和维持水位期间佛子岭累计向下游供水约1.35亿m3,发电量1 297万kW·h,磨子潭发电量187万kW·h。2017年4月1日,佛子岭水库水位达到115.63 m,实际蓄水量约2.15亿m3,磨子潭水库水位达到184.52 m,实际蓄水量1.69亿m3。2017年佛子岭水电站完成发电量1.75亿kW·h,实现全年发电目标,与此同时,佛子岭水库充分发挥水库群联调优势,持续向下游供水,保障了城市供水和农业灌溉,未对市民生活和粮食生产造成不良影响。

4 结语

佛子岭水电站增效扩容改造工程顺利实施后,机组性能得到显著改善,能耗明显降低,效率大幅提高,专用生态流量机组极大改善了下游河流生态,主变等机电设备更换一新,新配置的计算机监控系统智能可靠,多年安全隐患顽疾彻底消除,是一件利国利民利企的大好事。

为满足工程改造施工条件,在坚持灌区调度总原则的基础上,依据已有水文统计资料分析水库进出水量,预测可能来水情况,综合作出科学研判,以水库年度运用计划为轴线优化后的库水位控制方案,充分发挥联合调度优势,结合发电降水创效益,不仅为解决复杂条件下水电站改造问题探索出一条新路子,也对今后类似工程中灌溉结合发电具有现实借鉴意义。