(陜西省石頭河水庫(kù)灌溉管理局，陜西 眉縣 722300)

石頭河水庫(kù)壩后水電站增效擴(kuò)容及改造技術(shù)合理性探析

陳利鋒

(陜西省石頭河水庫(kù)灌溉管理局，陜西 眉縣 722300)

石頭河水庫(kù)樞紐工程位于陜西省眉縣西南15km的石頭河干流上，為Ⅱ等大(2)工程，利用石頭河水庫(kù)落差，修建了壩后水電站，壩后水電站位于寶雞市眉縣斜峪關(guān)，是一座壩后引水式電站，建成于1991年，裝機(jī)四臺(tái)，總裝機(jī)容量18 500 kW 。壩后水電站自1991年建成運(yùn)行以來(lái)，幾臺(tái)機(jī)組已先后出現(xiàn)機(jī)電設(shè)備磨損及老化現(xiàn)象家中以及設(shè)備效能低下等問(wèn)題。運(yùn)行可靠性逐年減弱，安全隱患明顯增多，已對(duì)電站運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。通過(guò)對(duì)壩后水電站增效擴(kuò)容的必要性及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析論證，確定增效擴(kuò)容設(shè)計(jì)方案主要對(duì)原尾水池和尾水渠進(jìn)行改造，經(jīng)水力計(jì)算，尾水渠及尾水池加寬0.75 m和1.0 m時(shí)，池頂高程還須加高0.21～0.3 m和0.15～0.2 m。壩后水電站增效擴(kuò)容改造的實(shí)施后，提高了水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到了良好的效果。 為同類(lèi)工程提供參考。

壩后水電站；增效擴(kuò)容；設(shè)計(jì)方案；分析

1 石頭河水庫(kù)概況

石頭河水庫(kù)樞紐工程位于陜西省眉縣西南15 km的石頭河干流上，工程任務(wù)以供水、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電。壩址位于斜峪關(guān)以上1.5 km的溫家山，控制流域面積673 km2。設(shè)計(jì)多年平均徑流3.974億 m3，多年平均流量12.6 m3/s。根據(jù)工程規(guī)模、效益和重要性，確定工程級(jí)別為Ⅱ等大(2)工程，地震設(shè)防烈度為8度。樞紐工程由攔河壩、溢洪道、輸水洞、泄洪洞及壩后電站等組成。石頭河水庫(kù)利用水庫(kù)落差和渠道落差，先后修建了三座電站。石頭河水庫(kù)利用水庫(kù)落差和渠道落差，先后修建了三座電站。其中利用石頭河水庫(kù)落差，修建了壩后水電站，利用石頭河水庫(kù)總干渠向北、西兩干渠供水的渠道落差，修建了斜峪關(guān)電站，利用石頭河水庫(kù)東干渠湯峪陡坡的渠道落差，修建了湯峪水電站。

壩后水電站位于寶雞市眉縣斜峪關(guān)，是一座壩后引水式電站，建成于1991年，裝機(jī)四臺(tái)，總裝機(jī)容量18 500 kW 。其中1#、2#、3#機(jī)組為立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)年發(fā)電量5 600萬(wàn) kW·h，年利用小時(shí)3 400 h；1#機(jī)組容量6 500 kW，設(shè)計(jì)水頭52 m，設(shè)計(jì)流量15.8 m3/s；2#、3#機(jī)組容量5 000 kW，設(shè)計(jì)水頭80 m，設(shè)計(jì)流量8.15 m3/s ；4#機(jī)組為臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，容量2 000 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1 005萬(wàn) kW·h，年利用小時(shí)5 025 h，機(jī)組設(shè)計(jì)水頭58 m，設(shè)計(jì)流量4.18 m3/s 。

2 壩后水電站運(yùn)行中存在問(wèn)題

壩后水電站自1991年建成運(yùn)行以來(lái)，幾臺(tái)機(jī)組已先后出現(xiàn)機(jī)電設(shè)備磨損及老化現(xiàn)象家中以及設(shè)備效能低下等問(wèn)題。運(yùn)行可靠性逐年減弱，安全隱患明顯增多，已對(duì)電站運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。

(1)1#機(jī)組由于水庫(kù)運(yùn)行方式和功能變化，加之引紅濟(jì)石調(diào)水工程建成后，水庫(kù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于高水位，超出1#機(jī)組適用水頭，造成機(jī)組閑置；1#發(fā)電機(jī)出現(xiàn)定子線(xiàn)圈短路、絕緣老化、部分磁極損壞、推力瓦燒瓦等現(xiàn)象。

(2)壩后電站2#、3#機(jī)組分別于1994年、2001年更換轉(zhuǎn)輪，目前水輪機(jī)效率仍然比較低(水輪機(jī)額定效率82%，機(jī)組綜合效率約76%，低于81%)，汽蝕嚴(yán)重。主變運(yùn)行34年，效率低，能耗大，存在嚴(yán)重技術(shù)缺陷和安全隱患，加之1#機(jī)組改造后容量不足；35kV輸電線(xiàn)路已運(yùn)行35年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)線(xiàn)路規(guī)定使用年限，送電設(shè)施老化嚴(yán)重，加之“5.12”地震也對(duì)線(xiàn)路造成了嚴(yán)重破壞。該線(xiàn)路共有58基電桿，桿身不同程度出現(xiàn)裂紋，金具、拉線(xiàn)等銹蝕嚴(yán)重，且線(xiàn)路運(yùn)行環(huán)境惡劣、維護(hù)困難，一直帶病運(yùn)行，線(xiàn)路安全存在巨大隱患。

(3)高壓開(kāi)關(guān)柜不能滿(mǎn)足“五防”要求，開(kāi)關(guān)漏油、卡阻拒動(dòng)現(xiàn)象頻繁，嚴(yán)重影響機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行，自動(dòng)化落后，繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理、靈敏度低、穩(wěn)定性差、維護(hù)不便，不能滿(mǎn)足安全運(yùn)行和自動(dòng)化要求需要。

(4)1#～3#主閥漏水嚴(yán)重，接力器嚴(yán)重漏油，蝶閥鎖錠損壞，設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；電站無(wú)尾水閘門(mén)，不利于檢修；壓力管道銹蝕嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響安全運(yùn)行。

(5)10 kV線(xiàn)路和0.4 kV線(xiàn)路運(yùn)行30年，拉線(xiàn)、金具嚴(yán)重銹蝕，砼桿身出現(xiàn)裂紋，線(xiàn)路架空導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)不一致，損耗大；四臺(tái)用電變壓器為損耗較大的SJ1型變壓器，屬淘汰產(chǎn)品，需要更換。

3 壩后水電站增效擴(kuò)容的必要性分析

石頭河水庫(kù)建庫(kù)初期，水庫(kù)功能主要是以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等。隨著石頭河水庫(kù)向西安供水工程的建成，工程任務(wù)為在滿(mǎn)足下游河道生態(tài)用水量情況下，以城市供水為主，同時(shí)兼顧灌溉及發(fā)電，石頭河水庫(kù)電站增效擴(kuò)容是非常必要的。

(1)水庫(kù)水位的變化使得1#機(jī)組適應(yīng)水頭已不能滿(mǎn)足水庫(kù)運(yùn)行方式的變化。由于引紅濟(jì)石調(diào)水進(jìn)入石頭河水庫(kù)，石頭河水庫(kù)高水位運(yùn)行時(shí)間將大大增加。壩后電站1#機(jī)組適應(yīng)水頭已不能滿(mǎn)足水庫(kù)運(yùn)行方式的變化，如果1#機(jī)還按原設(shè)計(jì)水頭運(yùn)行，將造成機(jī)組出力不足，機(jī)組閑置。

(2)設(shè)備陳舊老化，機(jī)組效率低，自動(dòng)化水平低，能耗高、浪費(fèi)嚴(yán)重；電站主要設(shè)備運(yùn)行20余年時(shí)間，在機(jī)組主機(jī)、輔機(jī)、勵(lì)磁、保護(hù)及監(jiān)控、自動(dòng)化元件、廠(chǎng)房通風(fēng)采暖等主要方面，設(shè)備陳舊落后，老化嚴(yán)重，效率和自動(dòng)化程度低，故障率高，部分設(shè)備和設(shè)施已接近使用年限或超期服役，壓力鋼管等金屬部件銹蝕嚴(yán)重，設(shè)備噪音超標(biāo)，特別是發(fā)電機(jī)等主要電氣設(shè)備的保護(hù)，主要為老式繼電器元件，靈敏度低，可靠性差，而且零配件購(gòu)置困難，給設(shè)備的檢修維護(hù)帶來(lái)困難；一些零部件因無(wú)生產(chǎn)廠(chǎng)家而難以更換，多數(shù)已接近報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，且能源消耗極高。

(3)電站的變壓器、電動(dòng)機(jī)和廠(chǎng)用負(fù)荷，絕大多數(shù)為高耗能產(chǎn)品，主變壓器和廠(chǎng)用變壓器均采用S系列電力變壓器，高壓開(kāi)關(guān)均采用油斷路器，高壓隔離開(kāi)關(guān)均采用手動(dòng)機(jī)械操作機(jī)構(gòu)，這些設(shè)備經(jīng)過(guò)30多年的運(yùn)行，存在可靠性降低、故障率高、維護(hù)量逐年增大、設(shè)備自身能耗加大等一系列問(wèn)題。

(4)工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作和安全生產(chǎn)條件差，機(jī)組自動(dòng)化程度低，主要為手動(dòng)操作，設(shè)備利用效率低，事故率高。

(5)國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的客觀(guān)要求。國(guó)家提倡建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)，倡導(dǎo)建立能源節(jié)約機(jī)制和環(huán)境保護(hù)機(jī)制，要求全國(guó)農(nóng)村水電站必須進(jìn)行技術(shù)改造以達(dá)到“無(wú)人值班、少人值守”的要求，提高自動(dòng)化水平、可靠性和安全性。對(duì)石頭河水電站的高能耗、高污染、高浪費(fèi)以及故障高的設(shè)備進(jìn)行改造是國(guó)家有關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的客觀(guān)要求。

綜上所述，

4 壩后水電站增效擴(kuò)容改造方案設(shè)計(jì)

壩后電站的改造主要針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組主要設(shè)備和附屬設(shè)備的更新改造，不改變?cè)到y(tǒng)和廠(chǎng)房?jī)?nèi)的建筑布局，增加了1#機(jī)組運(yùn)行水頭，改變了機(jī)組閑置的現(xiàn)狀，提高了機(jī)組運(yùn)行的效率。改造后輸水洞分流進(jìn)入廠(chǎng)房的流量由原來(lái)的27.96 m3/s增加到30.33 m3/s，流量增大2.37 m3/s，經(jīng)對(duì)原尾水池和尾水渠的過(guò)流能力進(jìn)行復(fù)核，不滿(mǎn)足現(xiàn)狀運(yùn)行要求，因此主要對(duì)原尾水池和尾水渠進(jìn)行改造。

壩后電站的改造主要針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組主要設(shè)備和附屬設(shè)備的更新改造，不改變?cè)到y(tǒng)和廠(chǎng)房?jī)?nèi)的建筑布局，增加了1#機(jī)組運(yùn)行水頭，改變了機(jī)組閑置的現(xiàn)狀，提高了機(jī)組運(yùn)行的效率。改造后輸水洞分流進(jìn)入廠(chǎng)房的流量由原來(lái)的27.96 m3/s增加到30.33 m3/s，流量增大2.37 m3/s，經(jīng)對(duì)原尾水池和尾水渠的過(guò)流能力進(jìn)行復(fù)核，不滿(mǎn)足現(xiàn)狀運(yùn)行要求，因此須對(duì)原尾水池和尾水渠進(jìn)行改造。

4.1 尾水池和尾水渠現(xiàn)狀

尾水池凈寬18.274 m，長(zhǎng)13.82 m，側(cè)向與尾水渠相接。尾水池從廠(chǎng)縱0+015.5 m～廠(chǎng)縱0+025.32 m為1:3倒坡段，用以連接尾水閘底高程707.867 m，從廠(chǎng)縱0+025.32 m～廠(chǎng)縱0+029.32 m為平底段，底板高程711.14 m，池頂高程左側(cè)717.3 m，右側(cè)714.55 m，下游側(cè)部分高程715.10 m,部分714.88 m。尾水渠全長(zhǎng)85.85 m，從尾0+000～尾0+018.76 m為矩形斷面明渠，底寬4.0 m，從尾0+018.76 m～尾0+023.76 m為5 m寬橋，渠道斷面仍為4.0 m寬矩形，之后為5 m扭面，從尾0+028.76 m～尾0+085.85 m為梯形斷面明渠，底寬3.0 m，坡比1:0.5，尾水渠進(jìn)口底高程711.64 m，出口高程711.43 m，渠底比降1/400。

4.2 尾水池下游水位計(jì)算

2012年2月16日，石頭河壩后電站管理局實(shí)測(cè)尾水池水尺處水位713.35 m，此時(shí)機(jī)組過(guò)流量為9.5 m3/s。在該引水流量下，對(duì)尾水池不同糙率情況下渠道末端正常水深分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同糙率時(shí)渠道末端正常水深

以渠道末端正常水深為起始水深，利用能量方程，推求尾水池水尺處水面高程，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同糙率時(shí)尾水池水尺處水面高程 m

從表2可見(jiàn)，相比之下糙率n=0.016時(shí)，尾水池水尺處水面高程與實(shí)測(cè)水面高程相對(duì)較接近。考慮渠道運(yùn)行多年，淤積等原因的影響，濾定渠道糙率n=0.016。2004年渠道曾經(jīng)過(guò)流28 m3/s時(shí)，當(dāng)時(shí)渠道水面已經(jīng)到交通橋橋面板上，高程為713.78 m，經(jīng)水面線(xiàn)推求，當(dāng)Q=28 m3/s、糙率n=0.016時(shí)，該樁號(hào)的水面高程為713.759 m，與實(shí)際水面基本吻合。因此最終濾定渠道糙率n=0.016。Q=30.33 m3/s時(shí)尾水池及尾水渠水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

4.3 尾水池及尾水渠改造方案確定

根據(jù)表3水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果，電站最大過(guò)流量增大到30.33 m3/s時(shí)，尾水池及下游尾水渠過(guò)流能力不同程度的不足，因此過(guò)水?dāng)嗝嫘韪脑旒哟螅脑炜偟脑瓌t為工程量省，工期短。

現(xiàn)狀尾水池平面布置成90°彎道，池內(nèi)壅水較嚴(yán)重，經(jīng)水力計(jì)算，尾水渠及尾水池加寬0.75 m和1.0 m時(shí)，池頂高程還須加高0.21～0.3 m和0.15～0.2 m，說(shuō)明僅加寬尾水池上部寬度，很難再降低池內(nèi)水深，尾水池不僅要加寬還須加高，斷面擴(kuò)寬工程量大并且影響工程運(yùn)行，損失電量，不經(jīng)濟(jì)，因此考慮加高尾水池和尾水渠側(cè)墻以滿(mǎn)足過(guò)流能力，加高側(cè)墻后，當(dāng)流量在27.96 m3/s以下時(shí)，尾水池內(nèi)水位和原來(lái)基本一致，不影響發(fā)電量，當(dāng)流量在27.96 m3/s到30.33 m3/s時(shí)池內(nèi)水面超過(guò)原設(shè)計(jì)值，會(huì)損失一些電量，水庫(kù)僅在7-9月份汛期，水庫(kù)出現(xiàn)棄水情況下，1#機(jī)和2#、3#可同時(shí)運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)這種情況，因而損失的電量很小，可以忽略不計(jì)。

表3 尾水池及尾水渠水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果 m

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)壩后水電站增效擴(kuò)容改造的實(shí)施，提高了水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到了良好的效果?？墒闺娬鞠到y(tǒng)合理的進(jìn)行調(diào)度，保持高水頭運(yùn)行，使機(jī)組在高效率區(qū)運(yùn)行，電站增效擴(kuò)容不僅增加了效益，節(jié)約了能源，更重要的是提高了電站運(yùn)行可靠性，可以防止不正常工作狀態(tài)下發(fā)展成事故，又可使發(fā)生事故的設(shè)備免遭更嚴(yán)重的破壞，增效擴(kuò)容方案實(shí)施后，降低了運(yùn)行和維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善生活條件，提高工作效率， 將有利于石頭河水庫(kù)灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境的改善， 提高了項(xiàng)目區(qū)生存環(huán)境質(zhì)量，保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，電站增效擴(kuò)容項(xiàng)目建設(shè)將帶動(dòng)社會(huì)增加就業(yè)人員、繁榮經(jīng)濟(jì)、提高社會(huì)福利、精神文化生活。

[1]張新萍，胡靜，等.陜西省石頭河水庫(kù)水電站增效擴(kuò)容改造工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.2012.

[2]李瑾，汪海波. 淺談臥龍臺(tái)電站增效擴(kuò)容改造方案. 黑龍江科技信息.2013.(26):142.

[3]李健晗. 石頭河水庫(kù)功能變化與1號(hào)水輪機(jī)增效改造研究.中國(guó)農(nóng)村水利水電.2014.(8):110-115.

TV738

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1004-1184(2017)05-0182-02

2017-05-14

陳利鋒(1980-)，男，陜西眉縣人，助理工程師，主要從事水力發(fā)電運(yùn)行技術(shù)指導(dǎo)工作。