肖建軍，錢 圣，康愛(ài)卿

(1.湖南省懷化市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 懷化 418000；2.湖南省懷化市水利電力咨詢監(jiān)理有限公司，湖南 懷化 418000；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

0 引 言

目前，我國(guó)已建成中小水電站45 000多座，裝機(jī)容量達(dá)73 000 MW，年發(fā)電量達(dá)2 200多億kWh，超過(guò)了全國(guó)水電發(fā)電量的1/5[1]。由于受當(dāng)時(shí)科技和經(jīng)濟(jì)條件的限制，加之運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，早期建成的眾多中小型水電站均已出現(xiàn)技術(shù)水平落后、設(shè)備老化、能效逐年衰減等諸多問(wèn)題。這不僅未能充分利用寶貴的水資源，而且存在諸多安全隱患[1]。鑒于此“十三五”規(guī)劃期間我國(guó)大力推進(jìn)中小型水電站增效擴(kuò)容改造[2]。隨著增效擴(kuò)容項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，我國(guó)在該工程技術(shù)領(lǐng)域積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)，如葉永等人[3]以三背河水電站增效擴(kuò)容改造為例，分析探討了一庫(kù)多站式水電站增效擴(kuò)容改造，提出了充分發(fā)揮龍頭水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用，使水庫(kù)下游多級(jí)電站效益最大化的設(shè)計(jì)思路；田婭娟等人[4]分析了小型水電站水輪機(jī)存在的主要問(wèn)題，提出了水輪機(jī)增效擴(kuò)容改造的基本步驟和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；徐錦才等人[5]介紹了機(jī)組增容改造的方法和實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題；薛鵬等人[6]將中小型水電站的改造工作進(jìn)行了分類研究，認(rèn)為水輪機(jī)通過(guò)合理技術(shù)改造，可以達(dá)到提高效率、增加出力、提高運(yùn)行穩(wěn)定性等目的；彭忠年等人[7]應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)爽島水電站機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)改造有效地提高了水輪機(jī)的效率和出力；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院機(jī)電所研發(fā)了一種高性能混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化設(shè)計(jì)程序[8]，并利用該程序?qū)δ县S水電站水輪機(jī)重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研制，達(dá)到了增效擴(kuò)容的目的；周艷輝等人[9]針對(duì)水府廟水電站原水輪機(jī)在設(shè)計(jì)和性能方面的缺陷對(duì)其進(jìn)行了改造，改造后的水輪機(jī)出力及運(yùn)行穩(wěn)定性得到了顯著提高。

綜上可見(jiàn)，目前中小水電增效擴(kuò)容的關(guān)鍵技術(shù)研究多聚焦于發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化，鮮有對(duì)原建筑結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改造。然而，早期建成的電站其結(jié)構(gòu)形式或多或少的存在缺陷，特別是進(jìn)水口的布置，易堵塞、水頭損失大制約電站出力。針對(duì)這一問(wèn)題，本文結(jié)合衡陽(yáng)白漁潭電站增效擴(kuò)容項(xiàng)目，提出了一種優(yōu)化發(fā)電機(jī)組結(jié)合電站進(jìn)水口改造，使電站增效擴(kuò)容效益最大化的新思路。

1 工程概況

白漁潭水電站位于湖南省衡陽(yáng)市東北部耒水下游，距耒水入湘江口15.7 km，系耒水梯級(jí)開(kāi)發(fā)的最后一級(jí)，工程以發(fā)電為主，兼管航運(yùn)。壩址以上流域面積11 170 km2，多年平均流量310 m3/s，多年平均徑流量97.76 億m3。水庫(kù)正常蓄水位為58.00 m(吳淞高程)，汛期限制水位58.00 m，死水位57.00 m，設(shè)計(jì)洪水位64.36 m，校核洪水位65.95 m，正常蓄水位以下庫(kù)容為0.36 億m3，有效庫(kù)容0.1 億m3，總庫(kù)容2.65 億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站總裝機(jī)現(xiàn)狀14.4 MW，多年平均發(fā)電量0.620 0 億kWh[10]。電站建成于20世紀(jì)60年代，鑒于當(dāng)時(shí)各方面條件的限制，整個(gè)工程是在邊勘察、邊設(shè)計(jì)、邊施工的情況下完成的，是一個(gè)典型的“三邊工程”。電站主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題，①經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行機(jī)組設(shè)備已基本接近使用壽命，老化嚴(yán)重；②原電站進(jìn)水口攔污柵布置不合理，導(dǎo)致清污難度大，易堵塞，水頭損失大，嚴(yán)重制約電站出力；③2000年后，湘江大源渡電站發(fā)電后，抬高了本站的下游水位。現(xiàn)狀機(jī)組與原設(shè)計(jì)水頭不匹配，機(jī)組效率低。為此對(duì)白漁潭電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造勢(shì)在必行。

2 改造方案

2.1 攔污柵水頭損失計(jì)算方法選擇

攔污柵水頭損失hw工程界一般采用公式(1)開(kāi)司其曼公式進(jìn)行計(jì)算[11-14]，而關(guān)于水流阻力系數(shù)的計(jì)算，有兩種主流算法即公式(2)開(kāi)司其曼公式，和公式(3)布爾可夫——丘津娜公式。

hw=ζv2/2g

(1)

ζ=βsinα(δ/b)4/3

(2)

(3)

式中：v為柵前流速；ζ為水流阻力系數(shù)；δ為柵條厚度；b為柵條凈間距；α為柵面與水平面的夾角；β為柵條斷面形狀系數(shù)；CV為流速系數(shù)；Cp為攔污柵結(jié)構(gòu)遮擋系數(shù)(遮擋面積/設(shè)計(jì)面積)；Cs為側(cè)收縮系數(shù)；C為水流沖擊系數(shù)。

分析不難發(fā)現(xiàn)，公式(2)僅考慮攔污柵結(jié)構(gòu)形式對(duì)水頭損失的影響，對(duì)于攔污柵阻塞的情況該公式顯然是不合適的。公式(3)考慮了阻塞因素，比較符合攔污工作的實(shí)際。新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院鐵漢曾采用兩個(gè)公式對(duì)同一項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算，其得出的結(jié)論也是布爾可夫——丘津娜公式更符合實(shí)際[15]故本文采用公式(3)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 進(jìn)水口改造方案

白漁潭電站，現(xiàn)狀8個(gè)進(jìn)水口前各設(shè)一個(gè)獨(dú)立的半八邊形籠形攔污柵單扇攔污柵高12.5 m，寬2.42 m。見(jiàn)圖1、圖3。

圖2 改造后攔污柵布置圖(單位：mm)Fig.2 Trashrack laout after renovation

圖3 改造前后攔污柵平面布置圖(單位：mm)Fig.3 Trashrack laout before and after renovation

由于河道污物較多，人工清污后效果持續(xù)性差，近年來(lái)柵前、后水位差常年維持在0.3 m左右，導(dǎo)致電站出力受到嚴(yán)重制約。因此，本次擬將原8個(gè)獨(dú)立的半八邊形籠形攔污柵進(jìn)行拆除，在其上游4 m處新建回旋式攔污柵。改造后的攔污柵由回旋式清污機(jī)系統(tǒng)和攔污柵支撐框架組成。支撐體系由水下灌注樁、攔污柵墩、攔污柵墩與原壩體以及墩與墩之間的鋼連接體系組成，改造后的8個(gè)進(jìn)水口整體位于攔污柵之后(見(jiàn)圖4)。

2.3 進(jìn)水口改造效果分析

單機(jī)額定引用流量為53.5 m3/s，總引用流量為428 m3/s，取壩前水位為正常蓄水位，改造前過(guò)柵總面積為580 m2，改造后的過(guò)柵面積為705 m2，根據(jù)攔污柵不同阻塞率的情況對(duì)比改造前后水頭損失情況。由于改造后可以通過(guò)清污機(jī)進(jìn)行清污，故取阻塞率為0。

改造前后攔污柵均垂直布置α=9°，柵條厚10 mm，凈間距為150 mm，通過(guò)計(jì)算得到各改造前后攔污柵水頭損失隨阻塞率變化的情況見(jiàn)表1和圖5。

圖4 改造后攔污柵支撐體系Fig.4 Trash support system after reconstruction

表1 改造前后各阻塞率水頭損失對(duì)比表Tab.1 Comparison of head loss of each blocking rate before and after transformation

圖5 改造前后各阻塞率水頭損失對(duì)比圖Fig.5 Comparison of head loss of each blocking rate before and after transformation

分析表1和圖5不難發(fā)現(xiàn)，在流量一定的情況隨著阻塞率的不斷增加，水頭損失系數(shù)急劇增大，水頭損失也不斷增大，當(dāng)阻塞率達(dá)到45%時(shí)改造前的攔污柵水頭損失高達(dá)0.345 m。如果考慮河道的水流行進(jìn)流速，水頭損失將進(jìn)一步增大。水頭損失的增加，勢(shì)必使得柵前雍水增大，雍水增大，將會(huì)增加溢流壩過(guò)流量，導(dǎo)致電站出力不足。如果只有部分機(jī)組發(fā)電，由于水流在攔污柵后互相補(bǔ)充，當(dāng)攔污柵的某一部分被堵塞后，其他部分仍可以過(guò)水，相比原進(jìn)水口獨(dú)立攔污柵結(jié)構(gòu)其水頭損失將進(jìn)一步減小，改造后的效益將更加明顯。

2.4 裝機(jī)容量的選擇

經(jīng)水文及水頭復(fù)核，受下游電站頂托影響電站平均水頭為5.2 m。最大水頭8 m，最小水頭3 m。電站運(yùn)行現(xiàn)狀的基本參數(shù)是根據(jù)電站提供的2001-2014年電站運(yùn)行統(tǒng)計(jì)資料分析計(jì)算所得，機(jī)組增容改造按初擬8×2 000 kW、8×2 200 kW、8×2 500 kW三個(gè)方案進(jìn)行水能計(jì)算比較見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，方案Ⅱ較方案Ⅰ年新增電能267 萬(wàn)kWh，工程總投資增加793.2萬(wàn)元，增加部分投資回收年限為9.11年，差額內(nèi)部收益率為8.23%，大于社會(huì)折現(xiàn)率8%；方案Ⅲ較方案Ⅱ年新增電能115 萬(wàn)kWh。工程總投資增加461.7萬(wàn)元，增加部分投資回收年限為12.31年，內(nèi)部收益率為6.09%，小于社會(huì)折現(xiàn)率8%。因此方案Ⅱ的水能技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯優(yōu)于其他兩個(gè)方案。因此推薦選用方案Ⅱ，亦即將現(xiàn)有的單機(jī)容量，增容至單機(jī)容量為2 200 kW，總裝機(jī)容量為17 600 kW。

表2 水能計(jì)算方案成果對(duì)比表Tab.2 Comparison table of water energy calculation plan results

2.5 機(jī)電改造

8臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行部分更新改造，1～8號(hào)機(jī)組包括水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子線圈等；更新1～7號(hào)機(jī)勵(lì)磁裝置；更新機(jī)組自動(dòng)化元件及控制系統(tǒng)。更新6臺(tái)調(diào)速器及8臺(tái)油壓裝置。全廠公用輔助設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行部分更換及增設(shè)，并配備控制監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括中、低壓氣系統(tǒng)及管路、供水系統(tǒng)及管路更換、排水系統(tǒng)及管路更換、消防系統(tǒng)及管路更換、更換及增設(shè)部分量測(cè)元件。相應(yīng)的廠用變壓器、工業(yè)變壓器、高壓柜、低壓柜進(jìn)行配套改造。

3 施工方案及效益分析

3.1 施工方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，如采用圍堰施工，修筑圍堰代價(jià)較大，施工難度大，可行性小，且影響電站正常發(fā)電。目前國(guó)內(nèi)水下混凝土制造技術(shù)和施工技術(shù)較為成熟。因此，本文考慮在鋼護(hù)筒圍堰內(nèi)進(jìn)行水下基礎(chǔ)打樁，在鋼護(hù)筒圍堰內(nèi)澆筑水下鋼筋混凝土墩，然后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)支承架施工。主要方案如下：

以改造后的攔污柵墩中線為中心，左右兩側(cè)各 2.5 m 處打入Ф 630 mm 厚10 mm 鋼管樁搭設(shè)鋼棧橋，在棧橋面安裝鉆機(jī)，沖擊鉆孔。汽車吊固定在鋼棧橋面形成吊裝平臺(tái)，利用該平臺(tái)將用于攔污柵墩施工的圓形鋼圍堰垂直打入河底，在圓形鋼圍堰內(nèi)進(jìn)行施工。在澆筑混凝土之前埋設(shè)橫向預(yù)留鋼板、清污機(jī)滑槽縱向預(yù)留鋼板。在墩柱橫向兩側(cè)面用自制槽鋼焊接，做成固定攔污柵框槽架。

3.2 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→搭設(shè)汽車鋼棧橋→搭設(shè)鉆孔平臺(tái)→埋設(shè)鋼護(hù)筒→鉆孔樁施工→導(dǎo)流墩施工→鋼構(gòu)件固定→裝模→混凝土澆筑→移鉆機(jī)→……→拆除鋼棧橋。

3.3 效益分析

經(jīng)過(guò)改造原裝機(jī)從14.4 MW增至17.6 MW，電站多年平均發(fā)電量由6 200 kWh提高到7 845 kWh，增幅達(dá)26.5%。發(fā)電效益增幅可觀。水量利用系數(shù)又現(xiàn)狀的65%提高到81.2%，大幅提高了水資源利用效率。通過(guò)相應(yīng)配套設(shè)備的更新改造，機(jī)組運(yùn)行更加安全可靠，電站設(shè)備的自動(dòng)化水平大幅提高，運(yùn)行成本降低。另外通過(guò)進(jìn)水口攔污柵的改造，徹底解決了原電站攔污柵阻水嚴(yán)重、清污不便、電站出力受限等系列問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合衡陽(yáng)白漁潭電站增效擴(kuò)容實(shí)踐，分析了進(jìn)水口攔污柵水頭損失的特征，對(duì)電站進(jìn)水口進(jìn)行了改造，并介紹了進(jìn)水口改造相關(guān)施工工藝。電站建成至今運(yùn)行可靠、效益可觀。本文豐富了中小電站增效擴(kuò)容方法，對(duì)后續(xù)電站的增效擴(kuò)容提供了一種新思路，并為類似工程的實(shí)施提供了可靠經(jīng)驗(yàn)。