艾茂華，瞿衛(wèi)華

（1.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410131；2.湖南省地方電力試驗中心有限公司，湖南 長沙 410007）

1 電站概況

湖南省某水電站為引水式徑流電站，1991年11月開始發(fā)電。電站裝有3臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，裝機容量為3×20MW，設(shè)計水頭14.5m。年設(shè)計發(fā)電量2.93億kW·h，年利用4 871h。水庫正常蓄水位114.00m，發(fā)電死水位為110.20 m，控制流域面積11 791 km2，多年平均流量325 m3/s，多年平均徑流量為102.5億m3，正常蓄水位時水庫庫容為3156萬m3，總庫容為6 100萬m3，是一座以發(fā)電為主，兼有航運、灌溉、城市供水等綜合效益的中型水利樞紐工程[1]。

2 生態(tài)機組建設(shè)的必要性

黨的十九大以來，習(xí)近平總書記進(jìn)一步全面闡述了“綠水青山就是金山銀山”的理念，生態(tài)文明建設(shè)思想深入人心[2]。該水電站引水渠道長4.1 km，壩址以下河道彎曲，有十余公里的脫水河段。為建設(shè)美麗河湖，泄放生態(tài)流量以改善大壩下游河道生態(tài)環(huán)境成了急需解決的問題。水電站設(shè)計于20世紀(jì)80年代，由于設(shè)計之初無生態(tài)流量相關(guān)要求，大壩沒有設(shè)計生態(tài)機組或生態(tài)泄流設(shè)施，現(xiàn)狀要保證31.5 m3/s的生態(tài)流量下泄，只能是采取開閘直接泄水或增加生態(tài)機組兩種方式[3～4]。新增生態(tài)機組建設(shè)生態(tài)電站，既充分利用生態(tài)流量水資源發(fā)電，又滿足下游生態(tài)需求[5]。

3 生態(tài)機組主要參數(shù)的確定

3.1 生態(tài)流量

根據(jù)湖南省小水電清理整改相關(guān)政策，其生態(tài)流量確定為31.5 m3/s。

3.2 水庫特征水位

水庫特征水位參數(shù)如表1所示，大壩的橫剖面圖如圖1所示。

圖1 大壩橫剖面圖

表1 水庫特征水位參數(shù)

由于缺少大壩下游水位流量曲線資料，根據(jù)水工建筑物參數(shù)，本次方案設(shè)計可暫定下游側(cè)在不發(fā)電時水位為102.2 m，以正常生態(tài)流量31.5 m3/s發(fā)電時水位為103.0 m。

根據(jù)生態(tài)機組流量值，應(yīng)至少泄放31.5 m3/s的流量為機組流量限制條件，取水管高程110.7 m＋0.5 m淹沒深度計算，此時對應(yīng)的毛水頭為：

H=110.7+0.5-103.0=8.2 m即：毛水頭為8.2 m時，生態(tài)機組的過流能力最小數(shù)值不應(yīng)小于31.5 m3/s?？纱_定影響機組選取的水位流量參數(shù)見表2。

表2 水位流量參數(shù)

3.3 機組容量的確定

根據(jù)機組特征水頭及生態(tài)流量情況，可初步確定生態(tài)機組容量為3 MW，即3 000 kW，對應(yīng)額定水頭為10.5 m，額定流量初步確定為34.8 m3/s，因要考慮低水頭下足額泄放生態(tài)流量工況，額定流量較生態(tài)流量值相比稍大。

4 廠房形式方案的選擇

因生態(tài)機組容量較小，大多小于3 000 kW，采用臥式燈泡貫流機組性價比較低。根據(jù)大壩上下游水頭差及裝機容量情況，以及兩岸地形地質(zhì)情況，發(fā)電機組可采用立式或全新的全貫流式機組發(fā)電。兩種發(fā)電機組方案建筑工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)參數(shù)見表3。

表3 兩種機型廠房方案比較

4.1 軸流立式機組廠房方案

生態(tài)電站總裝機為3 MW，采用軸流立式機組時，考慮綜合價格，采用1臺機組。采用軸流立式機組廠房平面布置圖見圖2，軸流立式機組廠房縱剖面圖見圖3。因立式機組廠房要考慮廠房防洪問題，該方案包含防洪墻土建。

圖2 立式燈泡貫流式機組廠房平面布置圖

圖3 立式燈泡貫流式機組廠房縱剖面圖

4.2 全貫流式機組廠房方案

采用全貫流式機組時，考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性，采用1臺3MW機組，全貫流式機組廠房平面布置圖見圖4，廠房縱剖面圖見圖5。

圖4 全貫流式機組廠房平面布置圖

圖5 全貫流式機組廠房縱剖面圖

4.3 土建方案的選擇

由表3可知：全貫流式生態(tài)機組廠房估算約為149.08萬元；軸流立式機組廠房估算約為411.63萬元，全貫流式生態(tài)機組廠房造價遠(yuǎn)低于軸流立式機組廠房。全貫流式生態(tài)機組安裝在管道里面，不需要防潮防洪，發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、牢固，電站設(shè)備簡化、負(fù)荷控制簡單，運行維護(hù)方便，本次生態(tài)機組采用全貫流式機組廠房。

5 機電設(shè)備的選擇

生態(tài)電站基本參數(shù)如表4所示。

表4 生態(tài)電站的基本參數(shù)

5.1 水輪發(fā)電機組的選擇

1）機組臺數(shù)的確定

考慮要保證31.5 m3/s的生態(tài)流量下泄，如考慮運行可靠性與檢修維護(hù)的靈活性，可選裝2臺1.5MW機組。綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性，選裝1臺機組。

2）機型的選擇

據(jù)電站基本參數(shù)，查《水輪機設(shè)計手冊》，機型宜選軸流定槳式或全貫流式機組。全貫流式機組無論是廠房投資、機組輔助設(shè)施、電氣二次設(shè)備方面，投資均要小很多，但機組本身價格較高。綜合考慮，總造價較低，選用1臺機組，參數(shù)如表5。

表5 3 000 kW單臺全貫流機組參數(shù)與報價表

新型全貫流式生態(tài)機組不需要調(diào)速器和勵磁裝置，綜合特性曲線圖如圖6所示。

6 結(jié) 論

為充分發(fā)揮生態(tài)電站綜合效益，設(shè)計生態(tài)機組建設(shè)生態(tài)電站，由生態(tài)機組合理調(diào)節(jié)生態(tài)流量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，同時利用生態(tài)棄水進(jìn)行發(fā)電。

圖6 綜合特性曲線圖

綜合比較，全貫流水輪發(fā)電機組的優(yōu)勢在于：不需要傳統(tǒng)機組形式的廠房；水輪機部分日常不需要維護(hù)；發(fā)電機浸泡在流道水中，克服了傳統(tǒng)貫流式發(fā)電機冷卻、散熱、密封等難題,日常不需要維護(hù)。

通過對生態(tài)電站的平面布置及水輪發(fā)電機組的比選，最終選定左岸隧洞引水結(jié)合全貫流式機組1臺方案。水輪機型號為GD890-WPZ-250，發(fā)電機型號為DGS-3000-6300-W。