董鼎華

(重慶交通大學，重慶市 400060)

1 概 述

半坑水電站位于浙江省天臺縣平橋鎮(zhèn)半坑水庫下游,屬于烏巖溪，距天臺縣城25 km,于1972年開工興建,1980年機組陸續(xù)投產運行。半坑水電站是通過半坑水庫蓄水，采用放水隧洞和壓力鋼管引上游水庫蓄水來發(fā)電的引水式電站。該水電站現有水輪發(fā)電機組1臺,總裝機容量為160 kW，水輪機型號為XJ02—W—42/1×10，發(fā)電機型號為SFW160—8/740。電站原有機組近3 a平均實際年發(fā)電量為35萬kW·h，電送入平橋鎮(zhèn)變電所。

半坑水電站屬于引水式電站，根據《水利水電樞紐工程等級劃分和洪水標準》(SL 252—2017)、《防洪標準》(GB 50201—2014),其工程等別為Ⅴ等，相應水工建筑物級別為5級(含取水建筑物、引水建筑物、電站廠房、升壓站和泄水建筑物等)。根據工程等級，相應洪水標準為：取水建筑物、引水建筑物、廠房及泄水建筑物按20年一遇洪水設計，按50年一遇洪水校核。

2 現狀存在問題調查及分析

2.1 水資源綜合利用不夠全面充分

由于歷史條件制約，該小水電站建設時對水資源的綜合利用方面考慮不夠全面充分，主要是對群眾生活用水、環(huán)境生態(tài)用水需求考慮不足。隨著社會經濟發(fā)展和群眾生活水平及要求的提高，差距和矛盾越來越大；而電站建設時缺少相應放水及流量監(jiān)控設施，不進行適當改造和調整運行方式將難以滿足這些需求。

2.2 河道水環(huán)境生態(tài)問題逐步顯現

小水電的開發(fā)勢必要建設河道攔蓄水工程，不可避免對河道水文情勢造成較大影響，這些影響有利有弊。蓄水工程徑流的調節(jié)控制有利于水資源的充分利用，但其建設將使上游水位抬高和下游河段水位流量發(fā)生變化，蓄水攔河工程的建設也是河床縱向高程重造的過程，給生態(tài)環(huán)境特別是水環(huán)境和魚類環(huán)境帶來較大影響。從調查情況看，確實造成了部分區(qū)域局部河段的斷流，出現“白灘”現象。河道的脫流減水還造成納污能力下降，從而使河道水質變差，不僅枯水期問題突出，即使在豐水期同樣存在。目前持續(xù)發(fā)展的美麗鄉(xiāng)村已初具規(guī)模，對水環(huán)境的要求也越來越高，小水電開發(fā)引起的水文情勢變化帶來的河道水環(huán)境生態(tài)問題逐步凸顯。

2.3 設備老舊，運行效率較低

半坑水電站的機電設備經過30多年的運行，在性能和結構方面都已老損，需經常檢修。長期運行使轉輪、導葉等部件遭到破壞，運行效率下降，發(fā)電機出線和接頭老化發(fā)熱，存在安全隱患；急需進行改造，以消除隱患，提高水能利用效率。

3 改造措施

3.1 更換老舊設備

3.1.1 水能計算

半坑水電站位于烏巖溪上，所在流域林木茂盛，植被覆蓋良好，雨量充沛，多年平均降雨量1 503.2 mm，多年平均徑流深862.7 mm。該電站上游設有半坑水庫，水庫正常庫容51.10萬m3。上游無電站，半坑水電站發(fā)電水量主要為上游來水。

(1)半坑水電站發(fā)電水量

半坑攔水堰集雨面積3.56 km2，多年平均來水量W0=3.56×106×862.7×10-3=307.12×104m3。查《浙江省引水式水電站多年平均引水模數與年引水率關系表》，并考慮半坑水電站引水流量、水庫調蓄等因素，年發(fā)電引水率取γ=75%，則可利用發(fā)電水量：

W=γ×W0=0.75×307.12×104=230.34×104m3

(2)半坑水電站多年平均發(fā)電量

E=0.002 7WH=0.002 7×230.34×78=48.51萬kW·h

圖1中,Ui和Ii分別為第i個變流器輸出的直流電壓和電流;Ri和Iri分別為第i條線路的線路電阻和流過線路電阻的電流;IRi和IR分別為流過局部負載和公共負載的電流;Udc為公共母線電壓。

(3)發(fā)電保證出力

查《浙江省分區(qū)多年平均流量模數保證率表》，可知80%的保證率q時=0.25，其發(fā)電流量為：

QP=0.25×3.56/100=0.008 9 m3/s

80%的保證出力N=9.81×0.936×0.848×0.008 9×90=6.97 kW

(4)發(fā)電機裝機容量及機型選擇

N=9.81×0.568×0.925×0.840×78=337.7 kW

選取SFW320—10/850型發(fā)電機,單機容量為320 kW。

(5)裝機年利用小時

因此，半坑電站總裝機容量320 kW，年利用小時1 516 h。

3.1.2 電站規(guī)模復核

考慮電站主要采用半坑水庫來水發(fā)電，本次生態(tài)水電改造可擴大電站設計流量，設計流量如下：機組的設計流量為0.568m3/s，共1臺機組。

半坑水電站是引水式水電站，其規(guī)模較小，負荷無特殊要求。本次改造對水輪機、發(fā)電機及電氣設備進行更新，不改變電站運行工況，結合發(fā)電機組改造方案及機組效率計算成果，經復核計算，改造后電站裝機容量為1臺320 kW。

3.1.3 發(fā)電設備選擇

機組總容量320 kW，同步水輪發(fā)電機單機容量為320 kW，選用水輪機型號為XJE—W—55/1×14,水輪機額定水頭78 m，額定流量0.568 m3/s，額定轉速650 r/min，效率84%，出力374.4 kW。配套的發(fā)電機型號為SFW320—10/850，額定轉速600 r/min，效率92.5%，額定出力320 kW，額定電壓0.4 kV，功率因數0.8。改造后，機組綜合效率為η=84.0%×92.5%=77.7%。

3.2 增設生態(tài)泄水設施

3.2.1 生態(tài)流量確定

半坑電站下游段為脫水段，此段河段長0.7 km，集水面積1.5 km2，自然落差達25 m。

根據水利部《農村水電生態(tài)水電改造河流生態(tài)修復指導意見》，結合該流域水文特征，有Tennant法、90%保證率法、近十年最枯月平均流量法、枯水期11～3月多年平均流量法等幾種生態(tài)流量計算方法。半坑電站所在流域擁有長序列水文資料，多年平均流量為0.097 m3/s，本工程生態(tài)流量根據Tennant法確定為0.02 m3/s。

3.2.2 生態(tài)修復和泄放措施

增設泄水設施，按照下游河道生態(tài)流量的需求，控制保持一定的下泄流量。結合河道治理，在脫水河段修筑堰壩，擴大河道內的積水面積，改善河道水景觀。另外，還安裝生態(tài)流量監(jiān)控設施，對生態(tài)流量進行動態(tài)管理。

本次生態(tài)改造，擬在壓力管道末端設生態(tài)泄水蝶閥1個，并設流量監(jiān)測設施，生態(tài)用水采用DN150PE管接至下游河道。為了保證該河道脫水段的生態(tài)修復，正常運行發(fā)電時，管道應完全開放進行放水，不得堵塞。

4 結 語

經現場調查分析，半坑水電站存在設備老舊和下游河道脫水等急需改造的問題。通過水能計算，合理確定電站規(guī)模，選擇與之匹配的高效水輪機組，并通過水文學方法預測下游需求的生態(tài)流量，在電站中增設生態(tài)泄水設施，改善了下游河道生態(tài)環(huán)境。