范慶來，葛曉春，郭智俊

（浙江浙能北海水力發(fā)電有限公司，浙江青田 323709）

1 工程概況

灘坑水電站工程位于浙江省青田縣境內(nèi)的甌江支流小溪上，電站裝機容量3×200 MW，保證出力84.1 MW，年發(fā)電量9.6億kW·h，裝機年利用1 606 h。該電站由攔河壩、溢洪道、泄洪洞、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房、地面開關(guān)站等建筑物組成。攔河壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程171.0 m，最大壩高162.0 m，壩頂長507.0 m。溢洪道位于左岸，利用埡口地形開挖而成，渠首底高程142.0 m，堰頂高程148.0 m，設(shè)有6孔凈寬12 m的溢流堰。右岸布置3條引水隧洞，進口底坎高程為95.0 m，洞徑8.0 m，每條洞下游段設(shè)置高壓鋼管與水輪機相連，引水系統(tǒng)采用一洞一機布置，下平段采用鋼襯。發(fā)電廠房裝置3臺單機容量為200 MW的水輪發(fā)電機組，其尺寸為：長114.5 m，寬27.5 m，高60.5 m，出口底板高程為32.5 m。

小溪是甌江右岸的最大支流，發(fā)源于百山祖東麓，河流自西南向東北流經(jīng)沙灣、外舍、渤海、白巖等地，于石溪口匯入甌江。河流全長213 km，總流域面積3 577 km2。灘坑水電站壩址以上流域面積3 330 km2，占小溪流域總面積的93%，河道長度187 km，平均坡降0.253%，河面寬100～300 m，壩址以上流域多年平均降水量1 748.2 mm。灘坑水電站水庫校核洪水位169.15 m，總庫容41.9億m3；正常蓄水位160 m，相應(yīng)庫容35.2億m3；防洪高水位161.5 m，汛限水位156.5 m，防洪庫容3.5億m3；死水位120 m，調(diào)節(jié)庫容21.26億m3。

本工程于2004年10月31日開工建設(shè)，2005年10月實現(xiàn)工程截流，2008年4月29日下閘蓄水，2009年7月底3臺機組全部投產(chǎn)，總工期為5 a。

2 增效方案的實施

灘坑水電站建設(shè)期間，設(shè)計對下游河道清理無特別要求，保持了原有地形；另外，由于施工過程中對開挖的棄石廢渣處理不當(dāng)，造成局部地勢突兀。2008年初工程下閘蓄水前夕，經(jīng)實地測量，尾水至下游圍堰處河床高程為33.5 m，下游圍堰至下游交通橋處河床最高部位為34.78 m，最低部位為30.72 m，尾水區(qū)很多部位的河床高程都已超過尾水底板高程32.5 m。

眾所周知，水電站的發(fā)電效率與上下游水位差有很大關(guān)系，即同樣的發(fā)電流量，水頭高的情況下發(fā)每度電所需的水量比水頭低的情況所需水量少，從而使水能利用率得以提高。若下游河床淤塞，勢必壅高水電站尾水，降低水頭，使水輪機長期不能在滿出力或不能在高效區(qū)工作，損失不少電能。為解決已建水電站尾水位壅高造成發(fā)電單位水耗增大問題，必須按照設(shè)計尾水位流量關(guān)系曲線，采取有效措施（例如開挖清除尾水河道的棄碴），適度降低被壅高的尾水位。自灘坑水電站開始河床清渣以來，項目業(yè)主和設(shè)計單位就一直在考慮能否在原來下游河床的基礎(chǔ)上繼續(xù)下挖，提高上下游水位差來提高水能利用。

經(jīng)與參建各方溝通，通過設(shè)計修改通知單的形式，要求施工單位對下游河道進行清渣處理。經(jīng)過2008年3～9月將近半年的時間，施工單位對下游河道進行了開挖清渣。開挖后尾水至下游圍堰高程為32 m，自下游圍堰開始按-0.079%的坡比變化至下游交通橋的31 m，基本上使下游河床較原河床面下降了1.5 m，累計開挖砂礫石28.8萬m3，尾水區(qū)河床高程均低于尾水底板高程32.5 m，有效降低了發(fā)電時的下游尾水位。

3 增效方案的成果

下游河床高程降低后，水頭增加，耗水率降低，發(fā)電增效顯著。下面僅以灘坑水電站2009年9月8日1號機從7∶33開機至16∶47為例，介紹灘坑水電站利用降低下游河道河床底高程增效的實踐效果。

根據(jù)設(shè)計初期階段的研究報告可知，灘坑水電站一臺機滿發(fā)流量為211.3 m3/s，相應(yīng)的發(fā)電尾水位為34.45 m；三臺機組滿發(fā)流量633.9 m3/s，相應(yīng)的發(fā)電尾水位為35.70 m。本例子中，期間機組出力為198 MW，下游尾水位為33.72 m，上游平均水位為146.52 m。

3.1 河床高程未降低的設(shè)計理論耗水率

下游尾水位設(shè)計為34.35 m，凈水頭為：146.52-34.35-1=111.17 m。

當(dāng)出力為198 MW時，查出力-凈水頭-流量關(guān)系曲線得，流量為192.1 m3/s。

計算得耗水率為3.492 7 m3/kW·h。

3.2 河床高程降低后實際耗水率

下游尾水位實際為33.72 m，凈水頭為：146.52-33.72-1=111.8 m

當(dāng)出力為198 MW時，查出力-凈水頭-流量關(guān)系曲線得，發(fā)電流量為：190.75 m3/s。

計算得耗水率為：3.468 2 m3/kW·h。

3.3 計算耗水減少率

降低河床高程后，耗水減少率為：（3.4927-3.4682）/3.4927=0.7%。

上述計算為某一工況下的耗水減少率，經(jīng)不同的運行組合工況（不同水頭、不同出力、不同機組組合等）計算，發(fā)現(xiàn)通過降低河床高程，耗水均有不同程度的減少，耗水減少率在0.6%～0.9%之間。

4 經(jīng)濟效益比較

降低下游河道河床高程產(chǎn)生的經(jīng)濟效益可由河床開挖投入的成本和發(fā)電耗水率降低之間的比較得出：

對下游河道進行開挖清渣，根據(jù)施工合同，開挖砂礫石的單價為20.94元/m3，發(fā)生的總費用約為603萬元。

通過降低河床高程，耗水減少率在0.6%～0.9%之間。灘坑水電站2008、2009和2010年三年發(fā)電量分別為11 171萬kW·h、40 897萬kW·h和134 526萬kW·h（2008、2009年為初期蓄水發(fā)電期），上網(wǎng)電價0.538元/kW·h，三年增發(fā)的電量約1 100～1 600萬kW·h之間，增加發(fā)電收入590～860萬元。電站初蓄期運行的三年時間已基本收回因河床開挖投入的成本，利用降低下游河道河床高程增效的經(jīng)濟效益是非常明顯的。

5 尾水位下降后對水輪機的影響分析

尾水位下降雖然對降低耗水率有較好的效果，但對水輪機可能存在不利影響，一是水輪機的工作水頭可能超過水輪機的最高水頭，二是尾水位降低可能造成吸出高度不足而產(chǎn)生空蝕。為研究灘坑水電站本次降低河床底高程后的運行狀態(tài)是否會對水輪機產(chǎn)生不利影響，筆者作了一定的分析。

表1 降低河床高程前后耗水率比較（以灘坑水電站1號機2009年9月8日從7∶33開機至16∶47為例）Table 1:Comparison of water consumption rates before and after lowering the river bed downstream

（1）對工作水頭可能超過水輪機最高水頭的分析

以出力198 MW為例，下游尾水位設(shè)計為34.35 m，開挖后實際為33.72 m，比設(shè)計低0.63 m，水頭由111.17 m增加至111.8 m，在水輪機的工作水頭范圍內(nèi)（灘坑額定水頭、最小水頭、最大水頭分別為107 m、81 m和127 m），該運行狀態(tài)不會對水輪機產(chǎn)生不利影響。由于灘坑水電站的限汛要求，無超標(biāo)洪水發(fā)生時，水輪機組一般不會在最高水頭下運行，且本次河床降低高程非常有限，出現(xiàn)工作水頭超出運行范圍的概率極低，即便超出也非常有限，不會使水輪機進入不穩(wěn)定工況。

（2）對可能造成吸出高度不足產(chǎn)生空蝕的分析

根據(jù)電站裝置空化系數(shù)計算公式：

式中：?為水輪機安裝高程（m）；Hs為吸出高度(m)；Hva為電站水溫下的汽化壓力(m)；Hn為電站水頭(m)。

仍以出力198 MW為例,開挖之前，電站水頭Hn=111.17 m，水輪機安裝高程▽=30 m，吸出高度Hs=30-34.35=-4.35 m，電站水溫18.8℃，汽化壓力查表為0.221 m，求得σp1=0.130 4。電站水頭Hn=111.8 m，水輪機安裝高程▽=30 m，吸出高度Hs=30-33.72=-3.72 m，電站水溫18.8℃，汽化壓力查表為0.221 m，求得σp2=0.124。水輪機制造商提供的參數(shù)為：該工作水頭下臨界空化系數(shù)σc=0.074 3，開挖后電站裝置空化系數(shù)雖有略微減小，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界空化系數(shù)，因此尾水水位低于設(shè)計尾水位并不會對水輪機空蝕產(chǎn)生不利影響。

6 結(jié) 語

電站運行實際證明：灘坑水電站利用降低下游河道底高程以達到降低耗水率的實踐取得了很好的效果，是可行的，適度降低發(fā)電尾水位不會對水輪機的運行產(chǎn)生不利影響。該措施既最大限度地提高了水資源利用率，又提高了灘坑水電站的發(fā)電經(jīng)濟效益，是水電站節(jié)能增效的成功實踐。

[1]浙江省甌江灘坑水電站工程可行性研究報告[R].杭州:華東勘測設(shè)計研究院,2000.

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