劉基興，朱戰(zhàn)齊，胡德秀

（1.大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西石泉 725200；2.西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048）

引水式水電站生態(tài)小機建設的可行性研究

劉基興1，朱戰(zhàn)齊1，胡德秀2

（1.大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西石泉 725200；2.西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048）

為了滿足環(huán)保要求，解決老水電站沒有設置生態(tài)流量放流孔的問題，結(jié)合某水電站實際情況，利用工程現(xiàn)有條件，在不影響電站的安全運行和防汛要求、不改變電站原有功能和運行方式的前提下，利用原工程遺留的施工支洞開展安裝生態(tài)小機的可行性研究。結(jié)果表明該電站可進行生態(tài)小機的安裝，并在安裝之后可為電站每年增加經(jīng)濟效益556.53萬元、減少損失523.2萬元，該方案為老水電廠滿足環(huán)保要求提供了思路。

生態(tài)流量；生態(tài)小機；施工支洞

1 生態(tài)機組安裝的必要性

2015年1月1日起施行的《中華人民共和國環(huán)境保護法》將保護環(huán)境作為一項國家的基本國策。按照“環(huán)境保護堅持保護優(yōu)先、預防為主、綜合治理、公眾參與、損害擔責”的原則。國家在重點生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)和脆弱區(qū)等區(qū)域劃定生態(tài)保護紅線，實行嚴格保護。國家環(huán)境保護部、能源局2014年5月10日頒布了《關(guān)于深化落實水電開發(fā)生態(tài)環(huán)境保護措施的通知》，要求水電企業(yè)合理確定生態(tài)流量，認真落實生態(tài)流量泄放措施。

按照《中華人民共和國環(huán)境保護法》第三十一條規(guī)定：“國家建立、健全生態(tài)保護補償制度。國家加大對生態(tài)保護地區(qū)的財政轉(zhuǎn)移支付力度。有關(guān)地方人民政府應當落實生態(tài)保護補償資金，確保其用于生態(tài)保護補償。國家指導受益地區(qū)和生態(tài)保護地區(qū)人民政府通過協(xié)商或者按照市場規(guī)則進行生態(tài)保護補償?！蓖ㄟ^建設生態(tài)小機，既可以保護下游生態(tài)環(huán)境，又可以通過政府協(xié)調(diào)，爭取生態(tài)電價，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

無生態(tài)流量放水孔的電站，經(jīng)常會造成下游河道斷流，河床干枯，這不僅對河流的生態(tài)環(huán)境造成了破壞，還對下游的生活供水、農(nóng)業(yè)用水、航運、水產(chǎn)等造成一定的影響。因此，必須設置專門的生態(tài)流量放水孔，確保機組停運后的下游河段不斷流，并滿足環(huán)保要求。

據(jù)統(tǒng)計，截止2006年底，全國已建和在建的小水電站4萬多座，其基本都是2000年以前設計的，由于當時環(huán)保要求不嚴格，大部分電站沒有生態(tài)放流孔或生態(tài)機組，生態(tài)流量基本無法保障。因此，如何解決老水電站的生態(tài)流量問題，并滿足環(huán)保要求就顯得十分必要。

2 某水電站安裝生態(tài)小機方案研究

2.1 可行性分析

關(guān)于深化落實水電開發(fā)生態(tài)環(huán)境保護措施的通知和長江水利委員會《漢江干流綜合規(guī)劃》的要求，某電站要確保生態(tài)流量不小于40 m3/s，但在設計和擴建過程中沒有預留生態(tài)流量排放孔，因此不滿足目前的環(huán)保要求。此電站的機組在0～30 MW振動區(qū)無法安全穩(wěn)定的運行，而在30 MW以上區(qū)間運行將使得機組流量大于87 m3/s，導致耗水率增大，每年因此而損失的電量600萬kW·h以上。

某電站的擴機工程引水隧洞位于左岸山體中，分為上平段、壓力斜井段、岔管段和4、5號支管段，有兩條施工支洞與其相接。386支洞與引水洞中部相接，總長約155 m，縱坡段坡降-4.5%；進口端位于引水隧洞上平段的末端，其斷面為方圓形，下部為7.2 m×3.41 m的矩形，頂部為半徑是4.14 m的圓形，總高為5.5 m，斷面底部高程為381 m，堵頭長20 m；出口位于386進廠公路庫房上游側(cè)388平臺4號變處。369支洞與引水洞分岔后的轉(zhuǎn)彎段相接，總長約109 m，縱坡段坡降-12%；進口端位于引水隧洞岔管段分往5號機漸變段處，為方圓形斷面，斷面尺寸5.2 m×5.48 m，底部高程356.8 m，堵頭長30 m；出口位于369進廠公路5號機下游側(cè)約100 m處。

安裝生態(tài)小機方案首先需要拆除擴機工程遺留在引水隧洞施工支洞中的封堵體，然后在施工支洞中設置壓力鋼管引水，引入岸坡地面廠房，并在廠房中安裝一臺滿足生態(tài)流量的生態(tài)機組，最后通過尾水渠將水排入下游河道。建設生態(tài)小機同時需要滿足以下3條原則：工程的興建和施工不應對電站的安全運行和防汛帶來不利的影響；工程不改變電站原有功能；工程不改變電站原有的泄洪運行方式。

2.2 386施工支洞方案

386支洞與引水隧洞上平段相接，由相接點引水，沿施工支洞布置壓力鋼管，管床設置支墩，出洞之后沿洞口外下游側(cè)坡角布置，經(jīng)兩個平面轉(zhuǎn)彎，進入廠房基坑并與蝸殼進口相接，為了減少水頭損失，鋼管的布置應盡可能平順。新增引水壓力鋼管總長度為249 m，按明管設計，鋼管管徑為3.2 m，上平段長度約為188.6 m，壁厚為12 mm，后段長度約為60.4m，壁厚為16 mm。廠房布置在擴機工程下游約80 m處（庫房部位）416公路與369公路之間的山坡上，廠房型式為地面廠房。該方案簡稱386方案。

2.2.1 鋼管管徑計算

根據(jù)生態(tài)流量要求，引用流量為40 m3/s，經(jīng)濟流速5.6 m/s，設計水頭H為46.3 m，鋼管糙率n取0.012，鋼管長度L為249 m，電站機組的額定出力N=15 MW。引水壓力鋼管直徑選擇分別采用經(jīng)濟流速法、彭德舒公式、經(jīng)驗公式和法爾布施經(jīng)驗公式進行計算，計算結(jié)果見表1。

表1 壓力鋼管管徑計算結(jié)果表Tab.1 Calculation results of steel penstock diameter

根據(jù)計算結(jié)果，參照國內(nèi)外已建工程經(jīng)驗，最終選取壓力鋼管管徑D=3.2 m。

2.2.2 鋼管壁厚計算

抗外壓穩(wěn)定按《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》（DL/T 5141-2001）附錄A所列方法計算：

式中：p0k為徑向均布外壓力標準值，本計算取0.4 N/mm2；Kc為抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，明管取2.0；pcr為臨界外壓。取鋼管壁厚16 mm，加勁環(huán)間距150 cm，尺寸（高×厚）為150 mm×16 mm。計算得pcr=0.86～0.91 N/mm2＞Kcp0k=0.8 N/mm2，滿足抗外壓穩(wěn)定要求。因此，鋼管壁厚度取值合理。

2.2.3 生態(tài)小機裝機容量計算

根據(jù)上、下游正常水位來計算，上游水位取正常蓄水位410.0 m，下游水位取正常尾水位（5臺機發(fā)電）363.7 m。設計水頭為410－363.7=46.3（m）。

式中：N為機組出力，kW；Q為機組引用流量，m3/s；H為水頭，m；η為水輪發(fā)電機的效率系數(shù)，對于小型水電站一般為0.6～0.8，本次取0.8。經(jīng)計算，機組出力約為15 MW。

2.3 369施工支洞裝機方案

369支洞與5號機發(fā)電引水管處相接，由此接入引水鋼管，接入點位于下平段分岔段下游側(cè)5號機組發(fā)電支洞第一個轉(zhuǎn)彎處。壓力鋼管全程沿369施工支洞按明管布置，管床設置支墩。為了使壓力鋼管出洞后能夠相對平順接入蝸殼進口，需結(jié)合廠房基坑開挖，將369施工支洞進口向洞內(nèi)擴挖，這樣有利于鋼管盡早出洞，擴大鋼管布置空間。經(jīng)洞口擴挖后，洞口向支洞方向推進約30 m，鋼管提前出洞，經(jīng)兩個平面轉(zhuǎn)彎、斜管和兩個立面轉(zhuǎn)彎后與蝸殼進口相接。廠房布置與386方案相似。該方案簡稱369方案。

引水鋼管按明管設計，長度為127 m，鋼管內(nèi)徑為3.0 m，鋼管壁厚為16 mm，裝機容量估算方法同方案2，機組容量15.0 MW。

2.4 方案比較

對386方案和369方案的優(yōu)勢和不足進行了系統(tǒng)的分析，并從施工布置、施工影響、鋼管選擇、水頭損失、水資源利用率和工程投資等方面作了如下比較。

1）386方案引水接入點位于擴機工程主洞上平段，對4、5號機組運行基本無影響；369方案接入點在5號機引水支洞上，原擴機工程分岔段處4、5號機發(fā)電支洞直徑均設計為6 m，使得兩機組流量均等，在此引水支洞上分岔引水，同時發(fā)電的情況下，使得5號機和生態(tài)小機相互產(chǎn)生水力干擾，影響機組的穩(wěn)定性，并可能影響5號機出力。

2）386支洞口施工時對原4、5號機組出線站有影響，需短時間停機，而369方案無影響。

3）386方案引水鋼管比369方案長約122 m、鋼材多146.6 t。

文獻[1]對中冷回熱再熱三級不可逆閉式燃氣輪機循環(huán)進行了功率與效率分析.本文在文獻[1]的基礎(chǔ)上，提出了中冷回熱再熱三級燃氣輪機循環(huán)模型，在推導出實際閉式中冷回熱再熱燃氣輪機循環(huán)功率解析式的基礎(chǔ)上，對其輸出功率進行了優(yōu)化.

4）386鋼管出洞后布置較為順暢，水頭損失略小；369方案鋼管出洞后布置不甚順暢，水頭損失較大。

5）386方案可在洪水期發(fā)電運行，比369方案更能充分的利用洪水資源，增加經(jīng)濟效益。

6）386方案投資比369方案多約469萬元。

綜上所述，兩方案技術(shù)上均可行，各有優(yōu)勢與不足。考慮到369方案裝機后在共同發(fā)電情況下，可能會使得5號機和生態(tài)小機相互產(chǎn)生水力干擾，影響機組的穩(wěn)定性，存在安全隱患，而386施工支洞裝機方案雖然投資較大，但可以充分利用洪水資源。因此，從安全性和長期運行效益來看，建議選擇386方案。

3 生態(tài)小機對原工程的影響

3.1 對1至3號機機組的影響

因生態(tài)小機工程不改變原有樞紐工程上、下游的各種特征水位，不改變樞紐工程的防洪設計標準和水庫防洪度汛運行方式，而且遠離1至3號機組。因此，對1至3號機組的安全運行無影響。

3.2 對擴機工程進水口的影響

擴機工程最大引用流量為262 m3/s，增建小機后最大引用流量為302 m3/s，增加約15%。進水口攔污柵采用通倉布置，增建小機后過柵毛流速僅為1.0 m/s，過柵凈流速1.34 m/s（按攔污柵阻水面積按25%考慮），仍小于1.5 m/s，滿足規(guī)范規(guī)定，對擴機工程進水口無影響。

3.3 對擴機工程引水隧洞的影響

擴機工程引水隧洞原最大流速為4.12 m/s，增建小機后最大流速為4.75 m/s，增幅不大，仍在混凝土襯砌流速允許范圍內(nèi)，對原引水隧洞基本無影響。

3.4 對擴機工程設計水頭的影響

由于生態(tài)小機與擴機工程共用了154 m的引水隧洞，增加生態(tài)小機后，同時發(fā)電時的隧洞過流量加大，流速增加，導致水頭損失增加，因此設計水頭會有所降低。經(jīng)計算，當“2臺機+生態(tài)小機”運行時，4、5號機的水頭損失增加0.11 m；當“一臺機+生態(tài)小機”運行時無影響。

3.5 對4、5號機組水力波動的影響

由于生態(tài)小機與擴機工程有約154 m的共用段，在同時發(fā)電工況下，該段引用流量增大，流速增大，致使∑LiVi增大，可能會導致4、5號機組突然甩負荷情況下引水隧洞及機組壓力升高過大而帶來安全隱患。對此，利用上述設置調(diào)壓室的判斷公式來計算TW是否超標來分析。經(jīng)計算，未增建生態(tài)小機時，TW=2.88 s；增建生態(tài)小機后TW=3.04 s，均小于4 s，滿足規(guī)范要求。說明增建生態(tài)小機后，當出現(xiàn)機組突然出現(xiàn)甩負荷時，初步判斷引水隧洞內(nèi)的水力波動不大，隧洞及機組的壓力升高也不大，對原有擴機工程影響甚微。

4 工程布置

4.1 引水系統(tǒng)布置

生態(tài)小機引水系統(tǒng)采用壓力鋼管從386施工支洞與引水洞連接處接入，隧洞中心線高程384.6 m。將該處施工支洞封堵段及該處部分隧洞拆除來連接壓力鋼管，形成引水分岔段。沿施工支洞布置壓力鋼管，管床設置支墩。為了鋼管出洞后穿越386公路，應在洞口之前將鋼管下彎，并布置斜管、下彎管、下平段及平面彎管，接入廠房上游側(cè)進廠、設置蝶閥后連接蝸殼進口。壓力鋼管長度約238 m，采用明管設計，洞內(nèi)為明管敷設，洞外經(jīng)開挖埋入路下和坡內(nèi)，跨386公路部分埋深不小于2 m。工程總體平面布置如圖1所示。

圖1 生態(tài)小機工程平面布置圖Fig.1 Layout plan of the ecological small machine project

4.2 廠房布置

根據(jù)現(xiàn)場地形地質(zhì)條件，生態(tài)小機廠房位置布置在擴機廠房下游側(cè)約80 m處的凹形邊坡（庫房處）下部，廠房型式與擴機廠房類似。廠頂采用2 m厚的疊合式鋼筋砼厚板結(jié)構(gòu)，可作為386進廠公路的一部分，滿足汽-10級過車要求。廠房縱向總長26 m，跨度14 m，高度39.37 m。廠內(nèi)安裝一臺HLD260-LJ-386立軸混流式水輪機，金屬蝸殼，單機容量15 MW。發(fā)電機層高程368 m，水輪機層高程364 m，水輪機安裝高程359.5 m，為一洞一機引水，采用筒閥布置。由于校核尾水位較高，主機間及卸貨間臨河側(cè)尾水平臺上部結(jié)構(gòu)采用封閉式厚墻結(jié)構(gòu)，起到擋水、防水作用，保護機電設備安全。尾水平臺寬11.7 m，除做為尾水門機（可與擴機工程共用）外，還可做為369進廠公路的一部分，滿足大廠和擴機工程交通要求。

考慮到擴機工程及老廠均布置有較大的安裝間，生態(tài)小機可不布置安裝間，僅布置卸貨間。卸貨間布置在主機間左側(cè)（下游側(cè)），長10 m，用于機電設備的臨時卸貨停放，而機組檢修可在擴機工程安裝間進行，廠內(nèi)布置QD100/32/10t-14 A3單小車橋式起重機1臺?？缍?4 m，負責廠內(nèi)所有設備的吊運工作。卸貨間進廠大門需布置成密閉防水門，大門尺寸（寬×高）為4.2 m×5.4 m，門頂上方布置2×150 kN進廠大門固定卷揚機一臺。

副廠房布置在主廠房與山坡之間，布置為廠用變、電纜夾層、廠用盤、保護盤、中控室、計算機室、排風機房、通訊房和蓄電池室；尾水副廠房2層，主要布置風機、空壓機、儲氣罐、儲油罐、勵磁變、電壓互感器柜、斷路器和母線通道等。

5 效益分析

近5 a平均有棄水的洪水歷時約1 087.8 h，按此計算的年發(fā)電量為1 631.7萬kW·h；每場洪水平均騰庫按24 h，年平均騰庫時間105.6 h，由此計算的年發(fā)電量為158.4萬kW·h；同樣在滿足平均出庫流量為40 m3/s的生態(tài)流量情況下，15 MW機組比1～5號機組單臺運行更經(jīng)濟，耗水率更小，預計每年可增加發(fā)電量65萬kW·h。合計平均年增發(fā)電量約1 855.1萬kW·h，按照0.3元/（kW·h）計算，年產(chǎn)生經(jīng)濟效益556.53萬元。

利用機組發(fā)電滿足生態(tài)流量的最小流量為87 m3/s，非汛期6個月在滿足系統(tǒng)運行需要的同時滿足生態(tài)流量要求，會造成水庫低水位運行，水位將由409 m左右降至405 m左右，減小4 m，耗水率增加0.91 m3/（kW·h），月平均損失電量為100萬kW·h，年損失電量為600萬kW·h，按照0.3元/（kW·h）計算，減少經(jīng)濟損失180萬元。在陜西電網(wǎng)計劃實行發(fā)供電獨立結(jié)算時，當某電站機組全停時，廠用電按照0.5元/（kW·h），某電站年廠用電約1 300萬kW·h，在1～5號機組全停時，利用生態(tài)小機帶廠用，每年可為企業(yè)節(jié)約343.2萬元。

生態(tài)小機工程不僅滿足了某電站下泄流量不小于40 m3/s的要求，更重要的是解決了河道需要生態(tài)流量的問題，保護了下游河道的生態(tài)環(huán)境，滿足了國家對企業(yè)的環(huán)保要求，使企業(yè)可以依法經(jīng)營。

6 結(jié)論

安裝生態(tài)小機是電站安全、經(jīng)濟運行的需要、是增加系統(tǒng)備用及調(diào)峰容量的需要、更是滿足下游河道環(huán)保的需要；安裝生態(tài)小機可以使全廠裝機配置更加合理，應對多種用途機組調(diào)度更加靈活，可以充分利洪水資源，更大地發(fā)揮電站綜合利用功能。

通過全面分析比較，選擇了386施工支洞安裝生態(tài)小機，并對該方案的可行性和工程布置進行了全面的研究。該方案與擴機工程共用進水口及154 m的引水隧洞，確定了合適的鋼管規(guī)格和尺寸，并對管線的布置進行了合理的規(guī)劃，最后對廠房及其它設備進行了相應的選擇和布置。

經(jīng)初步分析計算，安裝生態(tài)小機后，可使全廠每年增加發(fā)電效益1 855.1萬kW·h，增加經(jīng)濟效益556.53萬元，收益明顯；工程建設后，對大廠及擴機工程的安全生產(chǎn)、防洪度汛運行無影響；該工程投資同新建電站比減少了大壩、引水隧洞建設和工程移民費用，投資工程指標較為優(yōu)越。

[1]水利電力部十五局設計院.石泉水電站設計報告[R].安康，1978.

[2]能源部西北勘測設計院.石泉擴機工程初步設計報告[R].安康，1991.

[3]中華人民共和國經(jīng)濟貿(mào)易委員會DL/T.水電站壓力鋼管設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2002.

[4]劉袁.引水式電站裝機容量的確定[J].西北水電，2015（6）:69-71.LIU Yuan.The determination of water diversion type power station capacity[J].Journal of Northwest Hydroelectric Power，2015（6）：69-71（in Chinese）.

[5]廖仁強，李偉，向光紅.烏東德水電站樞紐布置方案研究[J].人民長江，2009（23）:5-6，20，103.LIAO Renqiang，LI Wei，XIANG Guanghong.Wudongde hydropower station hub layout research[J].The People of Yangtze River，2009（23）:5-6，20，103（in Chinese）.

[6]余企南，張一平.水電站進水口的布置和構(gòu)造[J].西北水電技術(shù)，1985（S1）:1-30.YU Qinan，ZHANG Yiping.The water intake of hydropower station layout and structure[J].Journal of Northwest Hydroelectric Power Technology，1985（S1）:1-30（in Chinese）.

[7]朱爾明，傅建臣.李家峽水電站雙排機組廠房布置研究與設計[J].水利水電技術(shù)，1999（10）:19-22.ZHU Erming，F(xiàn)U Jianchen.Double row of Lijiaxia hydropower station research and design[J].Journal of Water Resources and Hydropower Technology，1999（10）:19-22（in Chinese）.

[8]劉永智，師廣山，王偉.甘再水電站PH1引水發(fā)電系統(tǒng)設計方案的優(yōu)化調(diào)整[J].西北水電，2011（S2）:16-17.LIU Yongzhi，SHI Guangshan，WANG Wei，Ganzai hydropower station PH1 diversion system design scheme optimization adjustment[J].Journal of Northwest Hydroelectric Power，2011（S2）:16-17（in Chinese）.

[9]羅真行，漆文邦，徐凱.某小型水電站引水系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].西北水電，2014（5）:34-37.LUO Zhenxing，QI Wenbang，XU Kai.A small hydropowerstation waterdiversion system optimization design[J].Journal of Northwest Hydroelectric Power，2014（5）:34-37（in Chinese）.

[10]申顯柱，李曉彬.董箐水電站壓力鋼管設計[C].中國水力發(fā)電工程學會水工及水電站建筑物專業(yè)委會，中國水利學會水工結(jié)構(gòu)專業(yè)委會，水電站壓力管道信息網(wǎng)，中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室.北京：中國水力發(fā)電工程學會水工及水電站建筑物專業(yè)委會，2014.

（編輯 李沈）

Feasibility of the Construction of Ecological Small Machine of Diversion Type Hydropower Station

LIU Jixing1，ZHU Zhanqi2，HU Dexiu2
（1.Datang Shiquan Hydropower Plant，Shiquan 725200，Shaanxi，China；2.Institute of Resources and Hydro-Electric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

In order to meet the requirements of environmental protection and address the problem that the old hydropower station is designed without setting up ecological flow releasing hole，based on the actual situation of a hydropower station and the present conditions of the project，under the premises that the safe operation of the power station and the flood control requirements of the station are not affected and the original function and operation mode of the station are not changed，the feasibility study of the installation of the ecological small machine the is conducted using the remaining construction adit of original project.The study shows that the power station can meet the requirements of installing the ecological small machine，and the installation of the machine can increase the economic benefit by 5.565 3 million yuan and reduce the loss by 5.232 million yuan each year.The scheme provides a train of thought for old hydropower plants to satisfy the requirement of environmental protection.

ecological flow；ecological small machine；construction adit

國家自然科學基金（41301597）；陜西省教育廳基金（13JK0848）資助項目。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（41301597）；Fund of Department of Education of Shaanxi Province（13JK0848）.

1674-3814（2016）10-0137-05

TM612

A

2016-01-26。

劉基興（1964—），男，工程師，主要從事水庫調(diào)度、水工工作。