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        杜河生態(tài)水電站的實施與應(yīng)用

        2022-01-12 08:47:24韓憲亮
        山西水利 2021年10期
        關(guān)鍵詞:水頭廠房水電站

        韓憲亮

        (晉城市水利水電事務(wù)中心,山西 晉城 048000)

        1 工程概況

        水電是世界公認(rèn)的綠色清潔能源,也是重要的民生水利基礎(chǔ)設(shè)施。晉城市水電站的開發(fā)與建設(shè),為解決晉城市山區(qū)無電缺電問題、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和脫貧攻堅、低碳社會等方面做出了重要貢獻(xiàn)。截至目前,晉城市小水電站總裝機(jī)8萬kW,年平均發(fā)電量1.4億kW·h,每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6萬t,減少碳粉塵排放4萬t,減排二氧化碳1.5億kg、二氧化硫450萬kg、氮氧化物225萬kg,在節(jié)能減排方面發(fā)揮著良好的社會效益。

        杜河水電站是經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn),實現(xiàn)晉城市澤州、陽城兩縣農(nóng)村水電初級電氣化縣建設(shè)目標(biāo)的骨干電源工程。攔河大壩位于晉城市澤州縣李寨鄉(xiāng)杜河村和陽城縣金灘村交界的沁河干流上,電站廠房位于杜河村下游的沁河左岸,電站設(shè)計水頭43.8m,設(shè)計引水流量34.00m3/s,裝機(jī)容量為4×3200kW,多年平均發(fā)電量1700萬kW·h。電站樞紐工程包括:攔河壩、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、主副廠房、變電站等建筑物。

        2 生態(tài)流量的確定

        根據(jù)水利部《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造河流生態(tài)修復(fù)指導(dǎo)意見》(水電〔2016〕60號)和省水利廳《關(guān)于小水電站下泄生態(tài)流量有關(guān)事項的通知》(晉水農(nóng)水便〔2020〕10號)文件要求,小水電站生態(tài)流量的確定,要滿足地方群眾生產(chǎn)、生活和生態(tài)需水的要求。

        近幾十年來,晉城市大部分河流的年均流量存在不同程度下降,還要滿足大水網(wǎng)的用水需求,因此應(yīng)采用盡可能多的計算方法,比較分析計算結(jié)果,選擇符合河流實際情況的生態(tài)基流。

        表1 生態(tài)基流計算方法

        按照Tennant法、90%保證率法、近10年最枯月流量法三種不同的方法算出河道生態(tài)基流量,分別為QT,Q90和Q最枯,根據(jù)國家環(huán)保總局相關(guān)批復(fù)文件,杜河斷面生態(tài)流量為1.5m3/s,結(jié)合實際情況對幾種計算結(jié)果進(jìn)行比較分析,確定生態(tài)流量。

        表2 生態(tài)流量計算結(jié)果 單位:m3/s

        對比四種生態(tài)基流結(jié)果可以看出,杜河斷面生態(tài)基流為1.5~2.71m3/s,不同方法計算結(jié)果存在一定的差異??紤]到河道兩岸的生產(chǎn)生活用水,為長期保障下游河道的水生態(tài)環(huán)境,選取2.71m3/s作為杜河大壩斷面的生態(tài)流量。

        3 杜河生態(tài)電站工程設(shè)計

        3.1 工程等級及建筑物級別

        杜河生態(tài)水電站為壩后式水電站,裝機(jī)容量為500kW,為?。ǘ┬退こ蹋こ痰葎e為V等,永久建筑物中主要建筑物電站廠房為5級建筑物,次要建筑物為5級建筑物。

        3.2 洪水地震動標(biāo)準(zhǔn)

        根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014),水電站廠房防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20~30年一遇設(shè)計;50年一遇校核。

        據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》附圖、《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015),本區(qū)地震動峰值加速度為0.05g,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s,地震基本烈度為Ⅵ度。

        3.3 廠址選定

        杜河生態(tài)水電站,利用杜河水庫大壩下泄生態(tài)流量發(fā)電。杜河大壩分為溢流段和非溢流段,溢流壩段位于大壩右側(cè),長122m,壩頂高程為462.0m,最大壩高38m;非溢流段長46m,壩頂高程471m,下泄生態(tài)流量2.71m3/s。

        由于大壩溢流段位于樞紐右側(cè),泄流洪水時,對下游右岸河段形成較強(qiáng)沖刷,左岸沖刷較??;水電站壓力管道位于大壩左岸,直徑4.2m,在下游管道樁號0+046m處已預(yù)留河道生態(tài)補(bǔ)水口,開口直徑0.9m。

        將左岸原有生態(tài)補(bǔ)水管道作為取水口接生態(tài)電站壓力管道,可避免新建引水管道破壞原電站引水隧洞,減少工程量。結(jié)合現(xiàn)場勘察,從地形、地質(zhì)等方面綜合考慮,廠房擬建于杜河大壩壩后左岸平臺處。

        3.4 總體布置

        杜河生態(tài)水電站工程,由壓力管道和電站廠房工程組成。將電站廠房布置于杜河大壩下游48m處,背靠杜河水電站引水隧洞,地勢較為開闊,高程為439~449m;壓力管道接原生態(tài)補(bǔ)水口,沿左岸已建平臺布置,管徑0.9m,管道總長33.6m。

        3.5 防洪安全設(shè)計

        根據(jù)水文計算,設(shè)計洪水靜水深6.51m,水面高程443.67m;校核洪水靜水深6.79m,水面高程443.98m。廠房設(shè)計為主副二層結(jié)構(gòu),一層為主廠房,室內(nèi)地坪高程441.45m,主要布置水輪發(fā)電機(jī)組及調(diào)速器;二層為副廠房,高程447.45m,主要布置中控室及電氣設(shè)備。

        從節(jié)約投資考慮,結(jié)合防洪要求,廠房采用全封閉式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),墻體采用60cm厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),房頂高程為447.45m,且主要電氣設(shè)備均布置在二層副廠房,滿足防洪要求。廠房內(nèi)采用排水溝匯集滲漏水,通過排水溝排入廠外河道,廠區(qū)沿建筑物四周均布置排水溝。

        4 水力計算及機(jī)組選擇

        4.1 生態(tài)流量復(fù)核

        杜河水電站壓力管道主管直徑4.2m,在下游46m處通過生態(tài)補(bǔ)水口接生態(tài)水電站壓力鋼管,直徑0.9m。按照優(yōu)先泄放生態(tài)流量,剩余水量再進(jìn)行發(fā)電的原則,通過簡單管道水力計算公式對其過流能力進(jìn)行復(fù)核(不考慮行進(jìn)流速水頭),管中流量計算公式如下:

        式中:Q——管中流量,m3/s;

        H——管道水頭;

        A——管道中的過水?dāng)嗝婷娣e;

        uc——流量系數(shù)。

        流量系數(shù)uc計算公式如下:

        式中:λ——沿程阻力系數(shù);

        l——管道長度,m;

        d——管道直徑,m;

        ∑ζ——管路中各局部水頭損失系數(shù)總和,m。

        當(dāng)河道水量充沛,考慮生態(tài)水電站和已建電站共同運(yùn)營時,按照分叉管道計算公式對其進(jìn)行復(fù)核:

        式中:Q、Q1、Q2——主管、生態(tài)管、原電站管中流量,m3/s;

        H1、H2——生態(tài)水電站水頭、原電站水頭,m;

        l、l1、l2——主管、生態(tài)管、原電站管長度,m;

        K、K1、K2——主管、生態(tài)管、原電站管流量模數(shù),m3/s。

        經(jīng)計算復(fù)核,在優(yōu)先泄放生態(tài)流量的情況下,生態(tài)水電站壓力管過流量可達(dá)6.5m3/s,可滿足生態(tài)流量2.71m3/s的要求;當(dāng)生態(tài)水電站和已建電站共同運(yùn)營時,按照已建電站多年運(yùn)營實際情況,考慮兩臺3200kW機(jī)組和生態(tài)水電站共同運(yùn)營,經(jīng)分叉管道計算公式試算復(fù)核后,已建電站引水流量17m3/s,生態(tài)水電站引水流量滿足2.71m3/s,滿足生態(tài)流量泄放要求。

        4.2 水頭損失計算

        杜河水電站壓力管道進(jìn)口處至生態(tài)取水口長46m,生態(tài)水電站壓力管道總長33.6m,生態(tài)水電站單機(jī)過水流量為2.71m3/s。由此進(jìn)行水頭損失計算。

        沿程水頭損失計算公式如下:

        式中:hf——管道沿程水頭損失,m;

        λ——沿程阻力系數(shù);

        d——管道直徑,m;

        l——管道長度,m;

        v——管道中水流斷面平均流速,m/s。

        經(jīng)計算,包含原電站主管和生態(tài)水電站管道,沿程損失為0.77m。

        局部水頭損失計算:

        式中:hj——管道局部水頭損失,m;

        ζ——局部水頭損失系數(shù),包括壓力管道的進(jìn)出水口、蝶閥、折管段、彎管段和伸縮節(jié)處的水頭損失系數(shù)。

        經(jīng)計算,局部損失為1.42m。

        壓力管道總的水頭損失為兩者之和,即2.19m。

        4.3 設(shè)計水頭確定

        設(shè)計水頭采用下列公式計算:

        式中:H設(shè)——電站設(shè)計水頭,m;

        H毛——電站毛水頭,23m;

        h沿——水頭沿程損失,0.77m;

        h局——水頭局部損失,1.42m。

        生態(tài)電站毛水頭取杜河大壩正常水位與正常尾水位之差23m。經(jīng)計算,生態(tài)水電站設(shè)計水頭為20.81m。

        4.4 水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備選擇

        生態(tài)水電站設(shè)計流量2.71m3/s,設(shè)計水頭為20.81m,根據(jù)水輪機(jī)適用范圍,機(jī)組擬選用混流式水輪機(jī),適應(yīng)本電站參數(shù)范圍的水輪機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)輪型號為HLA551-WJ-71,裝機(jī)容量500kW。參考水輪機(jī)模型特性曲線,水輪發(fā)電機(jī)具體參數(shù)見表1。

        表1 水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)選型及參數(shù)表

        5 投資與工程效益分析

        工程概算總投資440.16萬元。其中:建筑工程162.21萬元,機(jī)電設(shè)備及安裝工程133.97萬元,金屬結(jié)構(gòu)及安裝工程19.01萬元,施工臨時工程34.89萬元,獨立費用69.11萬元,預(yù)備費20.96萬元。工程效益主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

        經(jīng)濟(jì)效益:工程建成后年發(fā)電量可達(dá)399.4萬kW·h,扣除1%的電站用電及2%的電量損失,則實際年售電量為391.4萬kW·h,上網(wǎng)售電價為0.27元/kW·h,年平均售電收益為105.68萬元。

        生態(tài)效益,通過發(fā)電后泄放生態(tài)流量,保證了下游減脫水河段水面的連續(xù)性,改善了河道水生態(tài)環(huán)境;以生態(tài)電站年發(fā)電量399.4萬度粗略估算,每年共節(jié)約標(biāo)煤0.16萬t,減排碳粉塵0.11萬t、二氧化碳0.390萬t、二氧化硫0.012萬t、氮氧化物0.006萬t,在低碳、節(jié)能、減排方面效益顯著。

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