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        利用引水建筑物進行蓄水調(diào)節(jié)

        2017-03-09 19:29:50曹建鋒
        環(huán)球市場 2017年16期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計

        曹建鋒

        清遠市水利水電勘測設(shè)計院有限公司

        利用引水建筑物進行蓄水調(diào)節(jié)

        曹建鋒

        清遠市水利水電勘測設(shè)計院有限公司

        傳統(tǒng)設(shè)計中,高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站的引水建筑物僅起引水作用,不作為蓄水建筑物。如果能利用引水建筑物進行蓄水調(diào)節(jié),在投資額增加不多的情況下,電站收益可得到大大提高。該方法對于已建電站改造和新建中低水頭、有調(diào)節(jié)電站設(shè)計亦有一定啟發(fā)。

        水電站;引水建筑物;蓄水優(yōu)化設(shè)計

        1 利用引水建筑物蓄水調(diào)節(jié)的可能性

        英德市地處粵北山區(qū),水力資源相對比較豐富。據(jù)統(tǒng)計,至2015年1月底,英德市全境內(nèi)已建和在建的水電站共329座,總裝機容量達43.5萬KW,水電已成為英德市經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。在這些電站中,高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站在數(shù)量上超過40%。

        高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站的普遍特點是河床坡降大,山勢險峻,沒有修筑高壩大庫的理想場址。此類電站一般采用低壩擋水,利用較長的明渠或無壓隧洞引水至壓力前池,水流通過壓力管進入廠房,沖擊水輪機而發(fā)電。

        一方面,高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站的擋水建筑物較低,基本上沒有庫容;另一方面,這些電站的引水建筑物往往較長,其中儲存的水量可達幾千方。如果在設(shè)計中能作出適當優(yōu)化,利用引水建筑物蓄水調(diào)節(jié),則在投資增加不多的情況下,整個電站的效益可得到大大提高。

        2 傳統(tǒng)設(shè)計

        2.1 傳統(tǒng)設(shè)計方案

        一般情況下,高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站的設(shè)計構(gòu)思如下:

        (1)采用無壓進水口進水,設(shè)簡易閘門以控制洪水時的入渠水量,洪水由溢流壩頂渲泄。

        (2)采用非自動調(diào)節(jié)渠道引水,渠道斷面沿程不變,渠頂及渠底坡降一般為1/500~1/2000,沿途隔一定距離設(shè)有側(cè)堰溢流。正常運行時,水面線是一條沿程下降線;停機時,水面線水平,渠道出口段蓄水較滿,進口段卻很淺甚至無蓄水。

        (3)采用無壓隧洞引水,隧洞斷面一般為圓拱直墻型,其尺寸沿程不變,洞底坡降常取1/500~1/2000,在支洞處設(shè)側(cè)堰泄水。隧洞的運行情況與明渠一樣,亦無蓄水功能。

        (4)采用壓力前池調(diào)壓,其旁設(shè)泄水建筑物。壓力前池的頂高等于溢流堰頂水位加安全超高,池深按最低負涌波水位時有一定淹沒深度確定。一般來說,這樣設(shè)計的壓力前池邊墻不高,在4~6m之間。

        2.2 傳統(tǒng)設(shè)計方案的缺點

        顯然,按以上構(gòu)思設(shè)計的電站,機組將長期處于欠發(fā)和停發(fā)狀態(tài),機組工況差、效率低、損耗大,且無法多發(fā)峰電。

        3 優(yōu)化設(shè)計

        3.1 優(yōu)化設(shè)計方案

        為了能使電站發(fā)揮更大的效益,我們對高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站的設(shè)計作出適當優(yōu)化。

        (1)仍采用無壓進水口進水,簡易閘門控制入渠水量,洪水由溢流壩頂渲泄。

        (2)仍采用非自動調(diào)節(jié)渠道引水,但作少許改動。渠頂改為水平,渠底坡降不變,渠道斷面向下游逐漸加大,沿途側(cè)堰頂高程相等。正常運行時,水面線仍是一條沿程下降線;停機時,水面線水平,但整條渠道從進口段到出口段均可蓄滿水,至溢流堰頂方下泄。

        (3)改無壓隧洞為微壓隧洞,隧洞斷面和底坡不變,支洞仍設(shè)側(cè)堰泄水。高水頭電站均位于山區(qū),巖層普遍由石灰?guī)r和砂巖組成,塌方地段較少,所以,洞室承受1~2m水壓完全沒問題。這樣,整條隧洞均可用來蓄水,至滿水時方開機發(fā)電。

        (4)壓力前池頂高與明渠水平,泄水建筑物與明渠側(cè)堰高程一致,池深按水位降至明渠或隧洞出口底時有一定淹沒深度確定。這樣,壓力前池邊墻高度將增加2~3m。

        3.2 優(yōu)化設(shè)計方案的優(yōu)點

        可以看出,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后,明渠、隧洞和壓力前池的投資均有所增加,但增幅不大。與此同時,由于利用明渠和隧洞的蓄水作為調(diào)節(jié)庫容使用,改無調(diào)節(jié)為日調(diào)節(jié),電站收益有了大大提高。

        4 利用引水建筑物蓄水調(diào)節(jié)實例一

        英德市石牯塘鎮(zhèn)大龍電站,裝機容量2×250KW,設(shè)計水頭372m。電站集雨面積3.01km2,主要利用東西兩條山水匯流而發(fā)電。其中,東邊水壩址處集雨面積為1.9km2,利用600m長圓拱直墻型隧洞(隧洞斷面尺寸為2m×2m,底坡1/1500)引水至壓力前池;西邊水壩址處集雨面積為1.11km2,利用1300m長矩形明渠(明渠進口斷面尺寸為0.8m×0.8m,出口尺寸0.8m×1.7m,底坡1/1500)引水至壓力前池。在技施階段,通過優(yōu)化設(shè)計,明渠可蓄水1092m3,隧洞蓄水2400m3,總蓄水量達3492m3,足夠供電站在額定出力時連續(xù)工作5.4小時(大龍電站的額定流量為0.18m3/s)。

        現(xiàn)把大龍電站優(yōu)化設(shè)計后所增加的投資與收益對比如下:

        (1)增加投資。明渠進口高度不變,出口加高0.9m,增加投資3.6萬元;隧洞由無壓變有壓,部分地質(zhì)不良處需作處理,相應增加投資2.3萬元;壓力前池頂部加高1.8m,底部加深0.6m,增加投資1.9萬元。總投資增加7.8萬元。

        (2)增加收益。優(yōu)化后,枯水期基流可以全部利用,基本無棄水,相應年平均電量(保守估計)增加8.4萬度??鄢磺匈M用,枯水期峰電價格按0.5元/度計,則年純收益增加4.2萬元。

        (3)回收年限。增加投資的回收年限為兩年,其經(jīng)濟指標十分優(yōu)越。

        5 利用引水建筑物蓄水調(diào)節(jié)實例二

        在設(shè)計高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站時,除了可以利用新建引水建筑物蓄水,在有條件的情況下,適當利用已建或廢棄的明渠和隧洞,亦能收到較好的經(jīng)濟效益。

        英德市石牯塘鎮(zhèn)寶山電站,裝機容量2×320KW,設(shè)計水頭305m,電站集雨面積3.7km2。寶山電站地處八寶山礦區(qū),山中多廢棄礦洞,每條礦洞高程不等,且互為相通。其中,最低為高程430m的一條長隧洞,洞口有大量水流出。經(jīng)實地查勘,該洞總長約2km,斷面尺寸為1.2m×1.6m~2m×2m不等,因棄用時間長,部分洞段有所塌方。技施設(shè)計時,考慮到利用430礦洞蓄水,工程布置調(diào)整如下:用明渠引水至430隧洞,壓力前池設(shè)于洞口。實際施工中,經(jīng)采用人工清渣,拖拉機運渣后,得到800m長隧洞,以之蓄水,可容3200m3,足夠供電站在額定出力時連續(xù)工作3.1小時(寶山電站的額定流量為0.285m3/s)。

        優(yōu)化后,寶山電站投資增加5.3萬元,年純收益增加3.4萬元,同樣有很高的回報率。

        6 結(jié)束語

        利用引水建筑物蓄水調(diào)節(jié)的思路推廣,對于已建的高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站,亦可以通過加高引水建筑物頂和降低壓力前池底板高程,使之達到日調(diào)節(jié)。同時,對于中低水頭、有調(diào)節(jié)水電站,此思路亦可供設(shè)計時參考。

        [1]張昌齡、潘家錚等,水工設(shè)計手冊(第7卷),水利電力出版社,1989年。

        [2]中華人民共和國水利部,水電站引水渠道及前池設(shè)計規(guī)范(SL/ T205—97)。

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