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。

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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