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        鳥兒巢水電站增容改造引區(qū)引水工程優(yōu)化設計

        2015-03-16 10:15:09彭國良
        小水電 2015年2期
        關鍵詞:水頭隧洞鳥兒

        彭國良

        (懷化市水利電力勘測設計研究院,湖南 懷化 418000)

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        鳥兒巢水電站增容改造引區(qū)引水工程優(yōu)化設計

        彭國良

        (懷化市水利電力勘測設計研究院,湖南 懷化 418000)

        在介紹有引區(qū)引水的鳥兒巢水電站增容改造及引區(qū)引水工程的設計思路與方法的基礎上,通過引區(qū)水庫調(diào)節(jié)計算,合理選擇設計引水流量,優(yōu)化引水隧洞設計,節(jié)約了工程投資,提高了電站的技術經(jīng)濟指標。圖1幅,表2個。

        水電站;增容改造;引水工程;優(yōu)化設計

        1 概 述

        鳥兒巢水電站位于湖南省沅水一級支流洞庭溪下游,由本區(qū)樞紐工程和流井潭引區(qū)引水工程兩大部分組成,工程目的是發(fā)電。本區(qū)樞紐工程于2009年投運,由混凝土砌石雙曲擋水拱壩、發(fā)電輸水系統(tǒng)、發(fā)電廠房、升壓站組成。電站引區(qū)引水工程的目的是將本區(qū)外的引區(qū)王家溪流域流井潭壩址以上徑流通過無壓隧洞、明渠引至本區(qū)上游大溪支流,匯入鳥兒巢本區(qū)水庫。該電站引區(qū)引水工程實施前,業(yè)主單位邀請多方咨詢論證:電站裝機容量為2×10 MW,偏低,可增容至2×12.5 MW。引區(qū)引水工程設計需結合電站增容改造,合理選擇設計引水流量,提高工程效益。

        2 電站增容方案

        通過復核引水系統(tǒng)水頭損失,實測尾水位,優(yōu)化水庫調(diào)度等措施,電站實際運行水頭為57~75 m,最高水頭從原設計71 m提高至75 m,平均水頭從原設計68.7 m提高至70.1 m,提高了1.4 m。

        該電站增容改造的目的在于減少汛期棄水,提高汛期水量利用率,增加發(fā)電量。汛期電站水庫處在高水位,運行水頭較高,水庫水位174~176.5 m,兩機滿發(fā),運行水頭為68.2~70.8 m,遠高于水輪機額定出10.3 MW時的額定水頭58.2 m。高水頭下水輪機最大出力及發(fā)電機出力如下所示(見表1)。

        表1 機組最大出力

        從表1可見,鳥兒巢水電站改造前水輪機隨運行水頭的提高,其出力增幅較高。在水頭為68 m時增容幅度可達20%,在水頭為70 m時增容幅度達到25%,水輪機具有較高的增容能力;電站水輪發(fā)電機組運行溫升、振動、擺度、噪聲等指標均屬優(yōu)良等級。經(jīng)復核,水輪機維持不變,發(fā)電機只需改造定子線圈和轉子磁極,機組即可增容至12.5 MW。電氣設備大部分滿足增容要求,現(xiàn)有機電設備利用較高,增容改造費用相對較低。經(jīng)水能指標等綜合比較,電站增容改造目標選擇機組容量從10 MW增容至12.5 MW,電站總裝機容量從20 MW增容至25 MW,增容幅度25%。

        3 引區(qū)引水流量選擇與隧洞設計

        3.1 流域概況

        圖1 鳥兒巢水電站本區(qū)、引區(qū)及引水工程位置示意

        3.2 引區(qū)水庫調(diào)節(jié)計算

        引區(qū)入庫流量通過引區(qū)水庫調(diào)節(jié),主要從隧洞導入本區(qū)水庫。引區(qū)無壓隧洞取水口為無閘河岸式取水口,其導入隧洞的流量決定于取水口前的水庫水位。入庫流量大于出庫流量,水庫水位上升直至與出庫流量平衡;入庫流量小于出庫流量,水庫水位下降,同樣直至與出庫流量平衡。引區(qū)水庫的調(diào)節(jié)采用逐日歷時計算。入庫流量由兩部分構成:一是左支流上游的蓮香椏水庫的出庫流量,二是右支流及蓮香椏壩址至引區(qū)擋水壩址的區(qū)間流量合成。蓮香椏水電站水庫為季調(diào)節(jié)水庫,其水能計算采用月平均流量,其出庫流量也為月平均流量,需轉換為相應時段的日均流量。

        引區(qū)水庫的調(diào)節(jié)計算如下所示:

        QiT=Vo+(V2-V1)

        (1)

        Qi=QLo+Qs

        (2)

        Vo=Vot+Vod

        (3)

        Vot=∫T1T2Qotdt≈T(Qot1+Qot2) /2

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        (4)

        Vod=∫T1T2Qoddt≈T(Qod1+Qod2) /2

        (5)

        式中,Qi為計算時段(1日)內(nèi)的平均入庫流量(m3/s);QLo為蓮香椏水庫出庫流量(m3/s);Qs為右支流及蓮香椏壩址至引區(qū)水庫壩址的區(qū)間合成流量(m3/s);T為計算時段(1日)24×3 600 s,T=T2-T1;Vo、Vot、Vod為T時段流出水庫總量、引水總量及擋水壩泄流總量(m3);V1為計算時段初始水庫庫容(m3);V2為計算時段結束水庫庫容(m3);Qot為引水流量(m3/s);Qot1、Qot2為計算時段起、止時的引水流量(m3/s);Qod為擋水壩泄水流量(m3/s);Qod1、Qod2為計算時段起、止時的擋水壩泄水流量(m3/s)。

        采用日平均流量計算時段較短,相鄰日的入庫流量變化不大,其庫水位變幅小。經(jīng)對比計算,采用近似計算方法計算的引水總量、泄水總量誤差均不到1%,可采用近似方法計算。近似計算方法編制的程序簡單、計算量小、速度快。

        3.3 設計引水流量選擇與隧洞優(yōu)化設計

        引區(qū)引水工程以無壓隧洞為主,其設計一是要合理選擇設計引水流量;二是要合理選擇無壓隧洞坡降、斷面形狀及其參數(shù)。設計引水流量是決定引水工程效益和工程投資的主要指標。

        引水隧洞為無壓隧洞,不允許出現(xiàn)流態(tài)極不穩(wěn)定、對洞室破壞嚴重的半有壓流。隧洞斷面采用拱頂角180°的半圓拱頂斷面(城門洞),底寬、高度滿足隧洞施工要求,寬度不小于2.5 m,高度不小于2.8 m。根據(jù)洞線的地質(zhì)條件,進口200 m、出口600 m作混凝土襯砌,其余隧洞底板混凝土抹平,邊墻錨固,噴混凝土漿。

        引水工程出口底板高程選定后,引水隧洞坡降小,隧洞進口底板就低,有利于增加引區(qū)水庫調(diào)節(jié)庫容,有利于增加本區(qū)樞紐工程發(fā)電量;但另一方面,坡降越小,隧洞過流能力就降低,過流斷面將加大,隧洞工程量大,其投資將加大。隧洞設計需綜合比較引水流量、隧洞坡度、斷面尺寸及相應的本區(qū)樞紐發(fā)電量,以最好的技術經(jīng)濟指標選擇引區(qū)引水流量與隧洞設計方案。引水工程優(yōu)化設計屬于多設計參數(shù)的優(yōu)化設計,數(shù)學模型建立困難,計算復雜,程序編制難度高,宜采用分步驟多方案比較。

        3.3.1 主要數(shù)學模型的建立

        (1) 隧洞引水流量與引區(qū)水庫水位關系數(shù)學模型。

        (2) 擋水壩泄水流量與引區(qū)水庫水位關系數(shù)學模型。

        (3) 隧洞設計引水流量與隧洞坡降、斷面參數(shù)之間的數(shù)學模型。

        (4) 隧洞投資與斷面參數(shù)之間的數(shù)學模型。

        3.3.2 編制計算程序

        為了準確快速計算,便于調(diào)整設計參數(shù),編制計算程序必不可少。

        3.3.3 方案優(yōu)選

        初選一組設計引水流量,通過多方案比較,找到各設計引水流量相應的優(yōu)選無壓隧洞坡度和斷面參數(shù),再綜合比較各初選設計引水流量及相應隧洞引水方案的工程投資、發(fā)電量等技術經(jīng)濟指標,擇優(yōu)選擇引水流量、隧洞坡降及隧洞斷面參數(shù)(見表2)。

        表2 引水流量與隧洞坡降及斷面參數(shù)綜合比較

        從表2可見,引水流量從14.7 m3/s增加至15.7 m3/s,相應隧洞坡降從1/1 000提高至1/800,其邊界效益在增加(相鄰方案增加的投資與效益凈現(xiàn)值大于零)。引水流量從15.7 m3/s增加至17.5 m3/s,隧洞坡降從1/800提高至1/500,其邊界效益減小。因此,引水工程設計引水流量選擇15.7m3/s,隧洞坡降1/800,隧洞底寬3.8 m,洞高3.85 m。

        4 增容及引區(qū)引水效益

        通過電站增容改造及引區(qū)引水,鳥兒巢水電站的設計發(fā)電量從5 643.9萬kW·h增加至8 777.9萬kW·h,增加發(fā)電量3 134萬kW·h,增幅55.5%。增容改造及引區(qū)引水工程靜態(tài)總投資3 961.9萬元,單位千瓦投資7 924元,單位電能投資1.26元,單位投資指標較低。工程經(jīng)濟內(nèi)部收益率28.8%,財務內(nèi)部收益率16.9%,經(jīng)濟指標優(yōu)良。

        5 主要結論

        通過采取適當?shù)脑鋈莘桨?,按引區(qū)流域水庫實際情況進行調(diào)節(jié)計算,合理選擇引區(qū)引水流量,優(yōu)化引水隧洞設計,鳥兒巢水電站增容改造及引區(qū)引水工程具有優(yōu)良的技術經(jīng)濟指標,提高了整個工程的發(fā)電效益。

        責任編輯 吳 昊

        2015-01-20

        彭國良(1974-),男,工程師,主要從事水利工程設計工作。E_mail:435630905@qq.com

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