徑流式電站提高發(fā)電效益關(guān)鍵技術(shù)研究介紹

利用水工模型試驗(yàn)提高徑流式電站發(fā)電效益包中進(jìn)作者簡(jiǎn)介：包中進(jìn)（1963-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師徐崗作者簡(jiǎn)介：包中進(jìn)（1963-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師（浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）摘要：本文詳細(xì)分析了影響徑流式電站尾水位的主要因素，著重介紹了提高徑流式電站發(fā)電效益的主要方法――通過(guò)水工模型試驗(yàn)，優(yōu)化電站尾水渠布置，從而降低尾水位，提高發(fā)電效益。成果對(duì)類似工程具有一定的參考應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：徑流式電站發(fā)電效益提高尾水位試驗(yàn)研究1．前言浙江省的水利電力資源經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)，河道上游壩址條件較好、利用高水頭發(fā)電、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好的壩后式或混合式水電站項(xiàng)目已經(jīng)基本開(kāi)發(fā)完畢?，F(xiàn)在的水電資源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)開(kāi)始向河道中游低水頭、大流量徑流式電站項(xiàng)目轉(zhuǎn)移，越來(lái)越多的梯級(jí)開(kāi)發(fā)徑流式電站項(xiàng)目提上了建設(shè)日程。以甌江干流大溪麗水段為例，連續(xù)上馬了玉溪、開(kāi)潭、五里亭以及外雄樞紐工程等梯級(jí)開(kāi)發(fā)徑流式電站，每個(gè)電站裝機(jī)容量39~48MW，發(fā)電流量約460~680m3/s，發(fā)電水頭約7~9m，年平均發(fā)電量1.0~1.4億kw.h；又如衢江干流上在建或擬建的塔底、安仁鋪及小溪灘樞紐工程等梯級(jí)開(kāi)發(fā)徑流式電站，其裝機(jī)容量在18MW左右，發(fā)電流量約350~400m3/s，發(fā)電水頭約5~6m，年平均發(fā)電量0.6綜觀上述提到的各個(gè)徑流式水電站項(xiàng)目，其共同的特點(diǎn)是：（1）電站發(fā)電流量大、水頭低，發(fā)電水頭一般均在10m以下，屬典型的低水頭徑流式電站；（2）均為綜合利用型的樞紐工程，樞紐的整體布置直接影響電站的尾水位。對(duì)徑流式水電站，若能減小水頭損失、提高發(fā)電水頭，對(duì)提高電站出力的作用非常顯著。浙江省徑流式水電站眾多，浙江省已建、在建和擬建的徑流式電站年發(fā)電量約20億kw.h以上，采用該技術(shù)，其增幅按1%計(jì),全省每年可增加發(fā)電量2000萬(wàn)kw.h，增加經(jīng)濟(jì)效益1000萬(wàn)元。近年來(lái)，浙江省經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展與電力短缺的矛盾日益突出，嚴(yán)重制約了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。因此，通過(guò)徑流式水電站尾水渠布置的優(yōu)化研究，降低尾水位、提高發(fā)電水頭、增加電站出力，對(duì)一定程度上緩解地方電力緊張局勢(shì)、增加電站發(fā)電效益，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義。2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)在壩址條件、電站規(guī)模確定的情況下，影響電站平均出力的因素主要有以下幾個(gè)方面：（1）水輪發(fā)電機(jī)組的效率；（2）電站尾水渠尾水位的控制；（3）機(jī)組運(yùn)行組合；（4）樞紐優(yōu)化布置。上述幾個(gè)方面有相互交叉的地方，比如機(jī)組運(yùn)行組合（優(yōu)化調(diào)度）就直接和尾水渠水位有關(guān)。對(duì)于徑流式電站，因水輪發(fā)電機(jī)組的效率在很大程度上直接關(guān)系到電站的整體效益，從單位流量大、單位轉(zhuǎn)速高、效率高、土建投資省等方面考慮，一般多采用燈泡貫流式機(jī)組。故國(guó)內(nèi)外廠家、科研院所對(duì)此機(jī)型的內(nèi)部流道優(yōu)化進(jìn)行了諸多的研究，以盡可能減少水頭損失，提高水輪機(jī)效率。通過(guò)二三十年的開(kāi)發(fā)研究，目前對(duì)燈泡貫流式機(jī)組各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究已趨成熟完善，建設(shè)方、設(shè)計(jì)單位基本上可根據(jù)運(yùn)行水頭、發(fā)電流量直接選取高效率的水輪機(jī)型號(hào)。然而，在對(duì)此類電站尾水位的計(jì)算目前尚沒(méi)有可靠的計(jì)算方法，一般按照尾坎寬頂堰進(jìn)行估算。另外，對(duì)電站尾水位的控制，設(shè)計(jì)單位一般會(huì)考慮拓寬尾水渠以達(dá)到降低尾水位的目的；采取疏浚下游河道以降低上游防洪水位的方式，也能在一定程度上降低尾水位；同時(shí)為防止泄洪泥沙進(jìn)入并淤積尾水渠，在尾水渠與泄洪設(shè)施之間一般需設(shè)置攔砂坎，而攔砂坎的存在對(duì)加速尾水?dāng)U散、降低水位是不利的。因尾水渠附近水力條件復(fù)雜，理論計(jì)算中存在較大的不確定性和誤差，通常需依靠試驗(yàn)研究進(jìn)行優(yōu)化布置。目前，對(duì)徑流式電站樞紐的研究，多注重樞紐泄洪閘的防洪水位、消能設(shè)施等方面，而對(duì)下游河道不同疏浚方式對(duì)降低尾水位的作用、既能防沙又能降低尾水位的攔砂坎優(yōu)化布置、尾水渠的體形優(yōu)化布置等有關(guān)尾水渠水位控制方面的專題研究甚少。3、研究方法和內(nèi)容3.1研究方法目前確定尾水渠布置的主要方法為：理論計(jì)算分析、物理模型研究、數(shù)學(xué)模型研究。由于尾水渠水流的復(fù)雜性，常規(guī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算很難計(jì)算，因此，往往借助水工模型試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化布置。水工模型試驗(yàn)是一項(xiàng)傳統(tǒng)的經(jīng)典的模擬技術(shù)，根據(jù)相似理論，可以很好的模擬天然狀態(tài)的水流流態(tài)，為工程設(shè)計(jì)、施工、決策提供科學(xué)依據(jù)。3.2研究?jī)?nèi)容以盡可能多地降低尾水位為目標(biāo)，系統(tǒng)研究：（1）尾水渠的不同水平擴(kuò)散布置體形對(duì)尾水位的影響目前常規(guī)擴(kuò)散角度都在12°以內(nèi)，由于發(fā)電水頭、裝機(jī)容量、樞紐布置等的不同，擴(kuò)散角度也是不同的。（2）尾水渠的不同縱向底坡對(duì)尾水位的影響國(guó)內(nèi)常用的縱向底坡為1：4左右。如果水頭差小，流量也不大的情況下，較陡的底坡還能適應(yīng)，否則很容易在倒坡末端形成跌流，壅高機(jī)組流道出口尾水位，降低發(fā)電效益。（3）尾水渠與泄洪閘之間的攔砂坎布置型式對(duì)尾水位的影響由于徑流式電站常常和泄洪閘布置在一起，因此，為了防止行洪時(shí)河道泥沙進(jìn)入尾水渠，常常在尾水渠和泄洪閘之間設(shè)置攔沙坎。攔砂坎的高度很難確定，高了則影響電站運(yùn)行時(shí)水流快速擴(kuò)散以降低尾水位，低了則起不到攔沙的作用。（4）機(jī)組運(yùn)行方式對(duì)尾水位的影響徑流式電站一般布置2臺(tái)或者以上的機(jī)組，以適應(yīng)不同流量情況。在機(jī)組效率相同的情況下，不同機(jī)組運(yùn)行組合的下游尾水位不同?？梢酝ㄟ^(guò)模擬不同臺(tái)數(shù)機(jī)組運(yùn)行情況的下游水位，提出較優(yōu)的機(jī)組運(yùn)行方式。就這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，是不需要增加任何投入就可以多產(chǎn)出效益的。（5）尾水渠下游局部疏浚和淤積對(duì)尾水位的影響規(guī)律徑流式電站大都布置在河道中上游，并且為了不降低河道行洪能力，電站大都布置在河道的凹塘內(nèi)。由于山溪性洪水特性大多暴漲暴落、峰急時(shí)短，河床沖淤變化較大，大洪水后尾水渠下游的河道往往發(fā)生淤積。為保證機(jī)組出力，必須對(duì)下游一定范圍的河床進(jìn)行疏浚處理。另外，汛期過(guò)后，將有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期的平水期和枯水期，此時(shí)河床相對(duì)穩(wěn)定，這為河道疏浚提供了可能。（6）泄洪閘運(yùn)行方式對(duì)尾水位的影響徑流式電站一般沒(méi)有調(diào)節(jié)能力，常采取上游來(lái)多少水發(fā)多少水、多余水棄水的策略。而電站大都布置在河道的凹塘內(nèi)，導(dǎo)致尾水渠水流出水往往不順暢。在來(lái)流量大于機(jī)組滿發(fā)流量的情況下，需開(kāi)啟數(shù)孔或者全部開(kāi)啟泄洪閘泄洪，此時(shí)泄洪閘下泄水流對(duì)尾水渠的水流流態(tài)影響很大。通過(guò)試驗(yàn)研究，可以確定泄洪閘數(shù)孔開(kāi)啟的最佳運(yùn)行方式，保證電站機(jī)組出力。4、應(yīng)用實(shí)例采取一種或多種綜合措施，使之與樞紐工程布置整體協(xié)調(diào)并滿足其它功能需要，且不增加或少量增加工程投資的基礎(chǔ)上，如何盡可能多地降低尾水位，使效益最大化，是研究的技術(shù)關(guān)鍵所在。以下為兩個(gè)電站的部分研究成果。4.1玉溪電站玉溪水利樞紐工程位于麗水市西側(cè)龍泉溪上。樞紐建筑物有黏土心墻沙殼壩、船閘、泄洪閘（6×12m）、沖沙閘（4×12m）以及電站、左右岸取水口等。是集發(fā)電、防洪、灌溉、通航等綜合效益的浙江省重點(diǎn)水利樞紐工程。電站裝機(jī)容量39MW，相應(yīng)下游水位68.19m；水庫(kù)正常蓄水位79.10m。樞紐布置見(jiàn)下面照片。水工模型試驗(yàn)主要對(duì)沖沙、泄洪對(duì)發(fā)電的影響以及下游攔砂坎高度對(duì)發(fā)電的影響進(jìn)行了研究。部分成果為：（1）攔砂坎高度的影響當(dāng)發(fā)電正常水位79.10m。二臺(tái)機(jī)組滿發(fā)488.2m3/s時(shí)，攔砂坎頂高程從66.50m提高到67.2m，尾水渠將相應(yīng)抬高0.21m（2）泄洪對(duì)發(fā)電的影響泄洪對(duì)發(fā)電的影響，指由于泄洪時(shí)閘下局部沖刷過(guò)程中，導(dǎo)致尾水渠泥沙淤積，或者因此而加高攔砂坎高度而對(duì)正常發(fā)電帶來(lái)的影響。試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)洪水位工況：10孔開(kāi)啟泄洪、二臺(tái)機(jī)組同時(shí)發(fā)電（360m3/s）4.2開(kāi)潭電站開(kāi)潭水利樞紐位于麗水市境內(nèi)甌江干流大溪上，壩址在麗水市區(qū)東南約7km處的開(kāi)潭村下游,主體由左岸船閘、18孔泄洪閘、和右岸電站(如圖所示)等組成，是以發(fā)電和改善城市環(huán)境為主，結(jié)合改善航運(yùn)條件的水利樞紐工程。發(fā)電廠位于右岸，為徑流式水電站，主廠房全長(zhǎng)92.35m，下游側(cè)為副廠房。主廠房的右側(cè)為裝配場(chǎng)。廠房進(jìn)水口底高程為27.2m，為了使水流平順流入進(jìn)水口，在廠閘間設(shè)有砼導(dǎo)墻，導(dǎo)墻長(zhǎng)13.0m，頂高程40.0m。在進(jìn)水口上游側(cè)設(shè)有一道攔砂坎，以免泥沙進(jìn)入水輪機(jī)流道，攔砂坎頂高程38.0m。尾水出口樁號(hào)0+065.64、底板高程27.08m，以1:4倒坡與下游河道連接，1：4倒坡起始樁號(hào)0+076、坡頂樁號(hào)0+107.68，尾水渠末端河道底高程35.0m；為使尾水水流盡量平順，在尾水渠與泄洪閘消力池間設(shè)有砼導(dǎo)水墻，墻頂高程39.0m（0+065.64～0+090）～37.0m（0+090～0+116），尾水可翻過(guò)37.0m頂高程的導(dǎo)水墻進(jìn)入泄洪閘下游，以利于擴(kuò)散水流，降低尾水水位。導(dǎo)水墻左側(cè)河底高程36.0m，與尾水渠末端底高程開(kāi)潭水電站屬典型的徑流式電站，豐水年（P=10%）大于600m3/s的天數(shù)為65天，小流量運(yùn)行的日子非常普遍，正常發(fā)電尾水尾位一般都在38.0m電站尾水渠局部水工模型試驗(yàn)研究部分成果如下：（1）下游河道疏浚方案和尾水位的關(guān)系對(duì)包括原設(shè)計(jì)在內(nèi)的6組尾水渠不同疏浚方案的進(jìn)行了比較試驗(yàn)，成果如下圖所示。由圖可以看出，方案三、四、五、六都可以使電站出口水位有一定程度的降低，在尾水位38.0m時(shí)候方案六較原設(shè)計(jì)方案降低約0.08m左右。（2）倒坡與尾水位的關(guān)系結(jié)合本院基金項(xiàng)目——徑流式電站提高發(fā)電效益關(guān)鍵技術(shù)研究，選取了1：4（原設(shè)計(jì)方案）、1：6、1：8三組不同尾水渠縱向倒坡方案進(jìn)行比較試驗(yàn)，成果如圖所示，尾水位隨著坡度的改變較為明顯，在尾水位38.0m時(shí)，1：8的倒坡較原設(shè)計(jì)1：4倒坡，電站出口水位降低了約0.20m開(kāi)潭水電站屬在建工程，其中電站廠房部分已基本建成，為此對(duì)尾水渠的優(yōu)化研究具有一定的局限性。若在工程上馬前期設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行尾水渠的優(yōu)化，對(duì)提高發(fā)電效益效果將更加顯著。5、結(jié)論由于徑流式電站的發(fā)電水頭不高，下游尾水位直接關(guān)系到發(fā)電效益的正常發(fā)揮。另外，徑流式電站往往布置在河道的凹岸處，導(dǎo)致電站出流不順暢，影響發(fā)電效益。利用水工物理模型試驗(yàn)研究技術(shù)，可以優(yōu)化徑流式電站尾水渠布置型式，為