劉東東，周麗娜，肖 妮

(1．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2．水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310012；3．杭州亞太水電設(shè)備成套技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310012)

1 工程概況

東方紅水庫位于浙江省東陽市虎鹿鎮(zhèn)溪口村之北1 km處，地處錢塘江流域金華江水系東陽江支流白溪上游河段，水庫集雨面積59.3 km2，多年平均徑流量4 357.4萬m3，總庫容1 445萬m3，是1座以防洪、灌溉為主，結(jié)合供水、發(fā)電等綜合利用的中型水庫。東方紅凈水廠從東方紅水庫取水，主要為虎鹿鎮(zhèn)、巍山鎮(zhèn)供水，供水規(guī)模為8 000 t/d。東方紅水庫電站目前總裝機(jī)容量1 830 kW，2010—2019年年均發(fā)電量255萬kW·h。

東方紅水庫電站為壩后式開發(fā)，由發(fā)電引水系統(tǒng)和2座發(fā)電廠房組成，2座發(fā)電廠房位于壩下游左岸臺地上。引水隧洞出口接壓力鋼管，其后接4條發(fā)電支管、1條泄流支管和1條凈水廠的原水管。

1號廠房現(xiàn)裝有3臺臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組(1～3號機(jī)組)，裝機(jī)容量3×400 kW。1號廠房尾水經(jīng)東、西2條干渠流入東方紅水庫灌區(qū)。尾水出口設(shè)有閘門，灌溉富余水量經(jīng)棄水閘流入2號廠房尾水渠再流入白溪。泄流支管布置在1號廠房，當(dāng)1號廠房的機(jī)組不能發(fā)電時(shí)，可通過泄流支管向灌區(qū)供水。當(dāng)所有4臺機(jī)組不發(fā)電時(shí)，也通過泄流支管下泄生態(tài)流量。

2號廠房在1號廠房下游50 m處，現(xiàn)裝有1臺臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組(4號機(jī)組)，裝機(jī)容量1×630 kW。2號廠房主要用于發(fā)電及生態(tài)流量泄放。

2 現(xiàn)狀分析及改造的必要性

2.1 現(xiàn)狀分析

2.1.1 水庫生態(tài)流量調(diào)度問題

東方紅水庫是白溪上游的龍頭水庫，具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，對下游河道的生態(tài)流量泄放具有調(diào)節(jié)作用。根據(jù)浙江省浙水農(nóng)電〔2020〕25號文要求，東方紅水庫要進(jìn)行生態(tài)流量調(diào)度，設(shè)置“發(fā)電限制水位線”和“生態(tài)放水最低水位線”。

2.1.2 1號廠房存在的問題

3號發(fā)電機(jī)推力軸承溫度偏高，發(fā)電機(jī)碳刷、滑環(huán)檢修維護(hù)工作量大，需更換。3臺機(jī)組的主閥漏水嚴(yán)重，而且滿足不了自動化運(yùn)行的要求，需要更換。機(jī)組自動化程度不高，需要對計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。

2.1.3 2號廠房存在的問題

4號機(jī)組自1999年12月投產(chǎn)后未進(jìn)行過技術(shù)改造，機(jī)組運(yùn)行年限長，機(jī)電設(shè)備老化、磨蝕嚴(yán)重，存在嚴(yán)重安全隱患，已停機(jī)多年，需要更換全部機(jī)電設(shè)備。

2.2 改造的必要性

2.2.1 保障電站安全運(yùn)行的需要

部分機(jī)電設(shè)備落后、老化，特別是2號廠房的電氣設(shè)備已運(yùn)行超過20 a。4號發(fā)電機(jī)絕緣等級為B級，主變壓器為S7系列，存在嚴(yán)重安全隱患，已不能保證電站安全運(yùn)行，亟需進(jìn)行更新改造。

2.2.2 提高發(fā)電能效的需要

4號水輪機(jī)經(jīng)長期運(yùn)行，過水部件氣蝕、磨損嚴(yán)重，機(jī)組效率低下，難以正常運(yùn)行，亟需進(jìn)行更新改造。

2.2.3 降低電站運(yùn)行成本的需要

東方紅水庫電站裝機(jī)容量小、廠房多、機(jī)組臺數(shù)多，機(jī)組自動化水平低，造成運(yùn)行管理人員多、勞動強(qiáng)度高、運(yùn)行管理成本高，降低了電站的效益，需要通過監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造，并納入?yún)^(qū)域化運(yùn)行管理平臺，從而降低運(yùn)行管理成本。

3 特征水位及水頭復(fù)核

東方紅水庫庫區(qū)多年平均降雨量1 467.2 mm，多年平均徑流深734.8 mm，多年平均徑流量4 357.4萬m3，多年平均流量1.38 m3/s(見表1)。

表1 東方紅水庫水位～庫容關(guān)系

東方紅水庫正常蓄水位196.27 m，臺汛期限制水位195.27 m，枯水期限制最低水位176.27 m，供水、灌溉死水位167.67 m。2012—2020年，東方紅水庫最高水位196.4 m，最低水位184.73 m。

由于灌溉和供水水量不大，水庫的興利庫容得不到充分利用，特別是4號機(jī)組停機(jī)后，1號廠房機(jī)組不適合水庫低水位運(yùn)行，所以實(shí)際上水庫運(yùn)行水位較高；近10年來水庫最低水位為184.73 m，遠(yuǎn)高于原設(shè)計(jì)的死水位167.67 m和后期規(guī)定的枯水期限制最低水位176.27 m?？紤]到改造后，汛期4臺機(jī)組均可發(fā)電，其過流能力達(dá)到7 m3/s，所以水庫的調(diào)節(jié)庫容不必太大，枯水期限制最低水位可繼續(xù)提高；建議限制最低水位為184.27 m，相應(yīng)庫容為330.4萬m3，調(diào)節(jié)庫容為690萬m3。

選用2012—2020年間的水位數(shù)據(jù)復(fù)核水頭，1號廠房(灌渠)正常尾水位167.00 m，1號廠房3臺機(jī)組的毛水頭17.73～29.4 m，水輪機(jī)運(yùn)行水頭范圍約為17.23～28.90 m，合理額定水頭24.00 m。目前1號廠房3臺機(jī)組的額定水頭為30.50 m，已超出實(shí)際的運(yùn)行水頭范圍，水輪機(jī)效率很低。

2號廠房正常尾水位160.03 m，最低尾水位159.93 m。4號機(jī)組只有在水庫保證灌溉、供水和生態(tài)流量的前提下還有富余水量的時(shí)候發(fā)電，其運(yùn)行水位較高；如果考慮水庫最低運(yùn)行水位190.00 m，則其運(yùn)行的毛水頭為29.97～36.47 m，水輪機(jī)運(yùn)行水頭范圍約為28.87～35.37 m。目前4號機(jī)組的額定水頭為36.50 m，已超出實(shí)際的運(yùn)行水頭范圍，水輪機(jī)效率也很低。更換水輪機(jī)推薦額定水頭32.00 m。

4 裝機(jī)容量選擇

從近年來的發(fā)電量看，東方紅水庫電站的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)不足1 400 h，水能資源利用已很充分，裝機(jī)容量已偏大了。但東方紅水庫電站不是單目標(biāo)的小水電工程，其擔(dān)負(fù)著水庫的調(diào)洪和下游灌區(qū)的灌溉任務(wù)，本次改造還需要考慮下游河道的生態(tài)修復(fù)，所以裝機(jī)容量的選擇要從這3方面考慮。

東方紅水庫灌區(qū)中灌渠設(shè)計(jì)流量為4.50 m3/s，目前1號廠房3臺機(jī)組的設(shè)計(jì)流量為4.80 m3/s，可滿足灌溉的需要，所以1號廠房3臺機(jī)組的裝機(jī)容量可保持不變。改造工程完成后，1號廠房為滿足灌溉和生態(tài)流量的平均年發(fā)電用水量約為177萬m3，相應(yīng)年均發(fā)電量約10萬kW·h，汛期可搶發(fā)電量約20萬kW·h?？鄢?號廠房發(fā)電用水量、從泄流支管泄放的生態(tài)流量和少量的漏水量后，2號廠房的平均年發(fā)電用水量約為3 400萬m3，發(fā)電平均流量為1.08 m3/s，發(fā)電量約262萬kW·h。如果裝機(jī)容量維持630 kW，則利用小時(shí)數(shù)4 163 h?？紤]到1號廠房場地有限，也受壓力鋼管限制，2號廠房增容的條件很差；且改造工程完成后，泄洪棄水量可進(jìn)一步減小，并可利用1號廠房在汛期可搶發(fā)電量。所以2號廠房的增容條件不具備，也無必要，可維持裝機(jī)容量630 kW不變。

本電站需要下泄的最小生態(tài)流量為0.14 m3/s，機(jī)組停機(jī)時(shí)可通過1號廠房的泄流閥泄放生態(tài)流量。

改造工程完成后，東方紅水庫電站維持裝機(jī)容量1 830 kW，在保證灌溉、供水和生態(tài)流量的前提下，年均發(fā)電量約292萬kW·h。

5 水庫運(yùn)行方式及生態(tài)用水調(diào)度

東方紅水庫正常蓄水位196.27 m，臺汛期限制水位195.27 m，建議限制最低水位為184.27 m。東方紅水庫原來的主要任務(wù)是以防洪、灌溉為主，結(jié)合供水、發(fā)電，從2020年開始增加了生態(tài)用水調(diào)度。

5.1 灌溉供水保證線的繪制

為了合理地指導(dǎo)水庫及其水電站的運(yùn)行，解決在徑流不能準(zhǔn)確預(yù)知的情況下，保證灌溉和供水不受影響，首先需要提出水庫的灌溉供水保證線。

根據(jù)東方紅水庫的氣候特點(diǎn)，全年可分為3個時(shí)期：4月至7月上旬為梅汛期，是水庫蓄水期；7月中旬到10月中旬為臺汛期，此時(shí)也是干旱灌溉期；10月下旬至次年2月為枯水期；所以確定從3月至次年2月為水庫水文年。

灌溉和供水的保證率為90%，選取P=90.2%的2011—2012年、P=87.8%的2018—2019年和P=92.7%的2006—2007年度為設(shè)計(jì)枯水年的典型年，作為調(diào)節(jié)計(jì)算、繪制灌溉供水保證線的依據(jù)。3個典型年的各月來水量如下所示(見表2)，2006年和2008年的天然來水量用2011年(設(shè)計(jì)枯水年)的天然來水量來修正。以3個典型年的月入庫水量為來水過程繪制了灌溉供水保證線(見圖1和表3～表5)。圖1中的上包線為灌溉供水防破壞線，也作為生態(tài)放水最低水位線；下包線為限制灌溉供水線。

表2 典型年各月來水量 萬m3

表3 設(shè)計(jì)枯水年(2011年)逆時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算 萬m3

表4 典型年(2006年)逆時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算 萬m3

表5 典型年(2018年)逆時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算 萬m3

圖1 東方紅水庫興利調(diào)度示意

5.2 發(fā)電限制水位線的繪制

在保證灌溉和供水的前提下，壩址處需要泄放的最小生態(tài)流量為0.14 m3/s，各月水庫需要儲存相應(yīng)的水量，在灌溉供水防破壞線以上繪制生態(tài)用水防破壞線，即發(fā)電限制水位線(見圖1)。

實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)，水電站應(yīng)根據(jù)面臨時(shí)段水庫水位、入庫流量、短期預(yù)報(bào)的流量態(tài)勢，在發(fā)電限制水位線以上按長期發(fā)電量最多的原則運(yùn)行，讓水庫水位遠(yuǎn)離發(fā)電限制水位線。當(dāng)枯水年份，水庫水位逼近發(fā)電限制水位線時(shí)，要減少機(jī)組發(fā)電；水庫水位低于或落在發(fā)電限制水位線時(shí)，機(jī)組不能發(fā)電。

6 機(jī)組選型

4號機(jī)組運(yùn)行水頭范圍為28.87～35.37 m，額定水頭32.00 m，裝機(jī)容量630 kW，適用的機(jī)型為混流式水輪機(jī)。

根據(jù)水頭范圍，機(jī)組可選用的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪主要有以下幾種型號：HLA551、HLA743、HLA904a等轉(zhuǎn)輪(見表6)。

表6 適用630 kW不同轉(zhuǎn)輪性能比較

從模型性能表可以看出：這3種轉(zhuǎn)輪性能都比較優(yōu)異，空蝕性能良好。對于2號廠房4號機(jī)組，雖然HLA551最高效率不是最高，但HLA743和A904a轉(zhuǎn)速偏低，轉(zhuǎn)輪直徑也大，機(jī)組造價(jià)高，與老機(jī)組的匹配也不高。雖然HLA551的氣蝕系數(shù)大，但額定工況時(shí)吸出高度為5.42 m，能滿足目前機(jī)組改造的要求，因此本階段推薦選用HLA551—WJ—62轉(zhuǎn)輪。

7 改造方案

(1)更新1號廠房部分機(jī)電設(shè)備，消除電站的安全隱患。

①水輪發(fā)電機(jī)組。更換3號發(fā)電機(jī)，采用無刷勵磁發(fā)電機(jī)。

②附屬設(shè)備。更換1、2、3號機(jī)組主閥，采用液控蝶閥。維修1、2、3號機(jī)組的調(diào)速器。

③勵磁設(shè)備。更換1、2號機(jī)組勵磁裝置，3號機(jī)組改為無刷勵磁方式。

④計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。更換1、2、3號機(jī)組控制屏，增加公用屏用于放置視頻監(jiān)控交換機(jī)、監(jiān)控交換機(jī)、硬盤錄像機(jī)等設(shè)備；增加線路解列保護(hù)裝置、增加監(jiān)控計(jì)算機(jī)、廠用電備自投屏、柴油發(fā)電機(jī)等。

(2)更新2號廠房全部機(jī)電設(shè)備，包括更換4號機(jī)組、主閥、調(diào)速器、勵磁裝置、電氣一次和二次設(shè)備等。

8 結(jié) 語

通過提出東方紅水庫電站增效改造設(shè)計(jì)方案及水庫興利調(diào)度圖的繪制方法，對其進(jìn)行了增效改造。項(xiàng)目實(shí)施后，電站棄水量大、機(jī)組效率低等問題得到了解決，發(fā)電效益得到明顯提高。