馬 彪

(國(guó)際小水電中心，浙江 杭州 310002)

0 引 言

2018年以來(lái)，國(guó)家對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶省市完成2.5萬(wàn)多座小水電清理整改，保留的2.1萬(wàn)座電站需完成生態(tài)泄流等改造。按照《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量規(guī)劃綱要》，2024年底前黃河流域小水電站也需按要求完成生態(tài)泄流改造。由此可知，生態(tài)泄流是我國(guó)當(dāng)前小水電發(fā)展的一個(gè)重要方向，而生態(tài)機(jī)組是生態(tài)泄流的其中一種方式，國(guó)內(nèi)部分對(duì)其進(jìn)行了探索研究[1-13]。生態(tài)機(jī)組是以泄放生態(tài)流量為主要目的，除特殊原因外幾乎不間斷運(yùn)行的小機(jī)組，主要承擔(dān)基荷發(fā)電任務(wù)，且其發(fā)電流量必須滿(mǎn)足生態(tài)流量。

我國(guó)有部分小水電站因建設(shè)年代久遠(yuǎn)、設(shè)計(jì)建設(shè)不合理、管理不規(guī)范等原因，面臨著水資源利用率不高以及生態(tài)泄流無(wú)法達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，急需增效擴(kuò)容及生態(tài)泄流改造?，F(xiàn)有河流上的壩或堰結(jié)構(gòu)有非常巨大的分散型發(fā)電潛力，傳統(tǒng)類(lèi)型的水電開(kāi)發(fā)需要新建一座引水式電站，而德國(guó)福伊特Stremdiver機(jī)組技術(shù)則可在無(wú)需建造電站廠房的情況下，以較低成本集成到現(xiàn)有的水壩、攔河堰、渠道以及管道等設(shè)施中運(yùn)行發(fā)電，可為小水電站增效擴(kuò)容及生態(tài)泄流改造提供優(yōu)秀的解決方案。

1 StreamDiver水電機(jī)組技術(shù)

1.1 概況

圖1為StreamDiver機(jī)組相關(guān)示意，福伊特以最小化復(fù)雜性、最小化故障、保持較低的投資和運(yùn)行成本為設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)了StreamDiver[14-16](以下簡(jiǎn)稱(chēng)SD)水電機(jī)組技術(shù)。SD機(jī)組采用高度集成化的極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，將水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)一體化。SD機(jī)組主要結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1a)如下：①永磁發(fā)電機(jī)；②水潤(rùn)滑軸承；③充水水輪機(jī)艙中的無(wú)動(dòng)密封燈泡；④帶有固定導(dǎo)向葉片的水輪機(jī)外殼；⑤螺旋槳式轉(zhuǎn)輪。SD機(jī)組轉(zhuǎn)輪采用定槳式設(shè)計(jì)，葉片和固定導(dǎo)葉都不可拆卸。機(jī)組包括定速和變速兩種運(yùn)行方式，通過(guò)調(diào)解水輪機(jī)轉(zhuǎn)速就能控制機(jī)組的過(guò)機(jī)流量。整個(gè)機(jī)組完全安裝在水中，僅有電纜從水下引出(見(jiàn)圖1b、1c)。SD具有5種基本型號(hào)(見(jiàn)圖1d)，2種大尺寸轉(zhuǎn)輪型號(hào)，機(jī)組使用水頭范圍為2～8 m，單臺(tái)機(jī)組流量應(yīng)用范圍為2～12 m3/s，單機(jī)輸入輸出功率可達(dá)到50～1 450 kW。

圖1 StreamDiver機(jī)組相關(guān)示意

1.2 機(jī)組特點(diǎn)

與傳統(tǒng)水輪機(jī)組相比，SD機(jī)組具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活性高、維護(hù)成本極低且特別環(huán)保等特點(diǎn)：①機(jī)組抗磨損和氣蝕性能良好；②采用無(wú)油脂、完全用水潤(rùn)滑的傳動(dòng)系統(tǒng)，能夠保證100%無(wú)油、無(wú)泄漏、無(wú)污染；③無(wú)勵(lì)磁、冷卻排水、供油管、齒輪以及動(dòng)密封等系統(tǒng)組件；④無(wú)廠房布置，體積小巧，占地及土建工程量??；⑤能以較低成本集成到現(xiàn)有的水壩、攔河堰、渠道以及管道等設(shè)施中；⑥只需要一個(gè)節(jié)省空間的電氣容器就可以容納控制電子設(shè)備和監(jiān)控運(yùn)行數(shù)據(jù)；⑦視覺(jué)影響小，無(wú)噪音；⑧安裝方便，機(jī)組質(zhì)量不足10 t，兩三個(gè)人借助簡(jiǎn)單的工具即可完成安裝拆卸；⑨電站無(wú)人值守且維護(hù)量極低，所有相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)都可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；⑩系統(tǒng)復(fù)雜性極低，每5年現(xiàn)場(chǎng)檢查一次，每10 a才進(jìn)行一次滑動(dòng)軸承模塊之類(lèi)的大修；與傳統(tǒng)的軸流式水輪機(jī)方案相比，SD機(jī)組大大降低混凝土和土方工程的施工成本，這樣整體項(xiàng)目的成本可降低多達(dá)25%。

1.3 應(yīng)用情況

我國(guó)尚無(wú)SD機(jī)組技術(shù)的替代產(chǎn)品，水利部科技推廣中心將SD技術(shù)列入“第十五屆國(guó)際水利先進(jìn)技術(shù)(產(chǎn)品)推介名錄”。SD機(jī)組自投放市場(chǎng)以來(lái)，已在奧地利等8個(gè)國(guó)家進(jìn)行了裝機(jī)應(yīng)用(表1)，總計(jì)10個(gè)電站32臺(tái)SD機(jī)組在可靠運(yùn)行。其中秘魯Huampani電站為利用SD機(jī)組回收尾水能量的典型案例：秘魯Huampani水電站原裝機(jī)31.5 MW，電站尾水渠道中已經(jīng)過(guò)初次發(fā)電的尾水水流具有18 m3/s流量、4.5 m水頭的剩余水能資源，遂在尾水渠道加裝2臺(tái)SD13.10機(jī)組(見(jiàn)圖1c)，為電站擴(kuò)機(jī)700 kW的裝機(jī)容量。

表1 SD機(jī)組在全球應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表

2 電站主要問(wèn)題及解決方案

2.1 基本情況

某水電站(見(jiàn)圖2)為低水頭徑流式水電站，開(kāi)發(fā)方式為無(wú)調(diào)節(jié)河床引水式，現(xiàn)有機(jī)組裝機(jī)容量5 750kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量2 540萬(wàn)kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 619 h。電站主要建筑物有攔河壩、筏道、引水渠、主廠房、副廠房、升壓站等。攔河壩為六跨的漿砌條石連拱壩，壩高11 m，壩頂高程99.2 m，右邊墩接筏道外邊墻；筏道在大壩右端，漿砌石結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)210 m，寬4.4 m；電站采用明渠引水，引水渠寬44 m，全長(zhǎng)182 m；廠房為布置于右岸的地面式廠房，主廠房?jī)?nèi)裝設(shè)五臺(tái)軸流定漿式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為1 150 kW，額定水頭6.6 m，單機(jī)發(fā)電流量20.8 m3/s，總發(fā)電流量103.9 m3/s；副廠房在主廠房右端，與主廠房成曲尺型布置；升壓開(kāi)關(guān)站為35 kV戶(hù)外式開(kāi)關(guān)站，布置主變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備等，出線一回送至城區(qū)。

2.2 主要問(wèn)題

電站運(yùn)行主要面臨著兩個(gè)主要問(wèn)題：①豐水期棄水，電站現(xiàn)有機(jī)組發(fā)電引用流量為103.9 m3/s，仍明顯低于壩址多年平均流量133 m3/s，電站平均每年過(guò)壩棄水(見(jiàn)圖2b)天數(shù)約120 d以上，棄水幾率達(dá)到30.4%，水量利用系數(shù)僅為40%左右，水資源利用率極低。②枯水期減脫水，如圖2a所示，紅線區(qū)域及下游河道為電站引起的河流減脫水河段區(qū)域，枯水期壩后河床可見(jiàn)明顯的裸露現(xiàn)象(見(jiàn)圖2d)。根據(jù)國(guó)家對(duì)電站的相關(guān)要求，水電站壩址需泄放最低23.14 m3/s生態(tài)流量，但電站無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)家要求。

圖2 某水電站基本情況示意

2.3 解決方案

針對(duì)電站面臨的兩個(gè)主要問(wèn)題，初步提出以下解決方案：①針對(duì)豐水期棄水問(wèn)題，進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，增加過(guò)機(jī)流量，提高水資源利用率；②針對(duì)壩后河段減脫水問(wèn)題，進(jìn)行生態(tài)泄流改造，在壩后增加生態(tài)泄流實(shí)施下泄生態(tài)流量，防止壩后下游減脫水。

2.3.1 增效擴(kuò)容改造

電站最初裝機(jī)容量4 000 kW(5×800 kW)，擴(kuò)機(jī)改造后裝機(jī)容量提高到5 280 kW。隨后再次增效擴(kuò)容改造，裝機(jī)容量提高5 750 kW(5×1 150 kW)，裝設(shè)5臺(tái)軸流定槳式水輪發(fā)電機(jī)組。因發(fā)電廠房已進(jìn)行兩次增效擴(kuò)容改造，廠房機(jī)組已無(wú)額外的擴(kuò)機(jī)或增效潛力，只能在壩后進(jìn)行擴(kuò)機(jī)改造，加裝適合電站實(shí)際情況的水輪機(jī)組。

2.3.2 生態(tài)泄流改造

水電站生態(tài)泄流設(shè)施應(yīng)在壩址處或盡量靠近壩址的地方，可采用8種方案(表2)進(jìn)行生態(tài)改造?？紤]研究水電站樞紐布置、地形、地質(zhì)、機(jī)組等實(shí)際情況，對(duì)生態(tài)泄流可能采用的方案進(jìn)行分析比選(見(jiàn)表2)，最后選用方案6，安裝生態(tài)機(jī)組作為解決電站生態(tài)泄流的方案，可增加裝機(jī)容量的年利用小時(shí)約3 500 h，年均增加發(fā)電量約為400萬(wàn)kW·h，生態(tài)機(jī)組兩項(xiàng)合計(jì)年均發(fā)電效益約566萬(wàn)kW·h。

表2 生態(tài)泄流改造選擇方案

2.3.3 最終方案

綜上所述，電站在壩后增加生態(tài)機(jī)組放水發(fā)電，同時(shí)解決了電站豐水期棄水和枯水期減脫水兩個(gè)主要問(wèn)題，可使水量利用系數(shù)提高到54.4%，又滿(mǎn)足了壩后23.14 m3/s的泄流要求。生態(tài)機(jī)組作為基荷機(jī)組，與原廠房機(jī)組通過(guò)協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效率和生態(tài)效率最大化，是適用于電站的最優(yōu)方案。

3 生態(tài)機(jī)組改造

3.1 選型原則

機(jī)組型式及基本參數(shù)的選擇首先根據(jù)水電站的樞紐布置、運(yùn)行水頭范圍及其運(yùn)行特點(diǎn)，從技術(shù)特性、生態(tài)特性、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、運(yùn)行可靠性、設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平等方面出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，確定機(jī)組選型基本原則(見(jiàn)表3)。

表3 機(jī)組選型基本原則

3.2 生態(tài)機(jī)組選型

因傳統(tǒng)機(jī)組無(wú)法達(dá)到表3所述的相關(guān)要求，考慮到SD機(jī)組的優(yōu)良特性正好與之匹配，故生態(tài)機(jī)組選用SD機(jī)組。由流量23.2 m3/s、水頭6.6 m，根據(jù)水輪機(jī)組出力公式可得生態(tài)機(jī)組可裝機(jī)總?cè)萘繛? 277 kW。但根據(jù)國(guó)家對(duì)小水電站增效擴(kuò)容改造的相關(guān)政策，擴(kuò)建機(jī)組容量上限為電站現(xiàn)有機(jī)組裝機(jī)容量(5 750 kW)的20%，即生態(tài)機(jī)組裝機(jī)容量為1 150kW。依據(jù)前述對(duì)裝機(jī)臺(tái)數(shù)的要求，選擇加裝2臺(tái)生態(tài)機(jī)組，則單臺(tái)生態(tài)機(jī)組設(shè)計(jì)流量和水頭分別為11.6 m3/s及6.6 m。將流量、水頭在SD機(jī)組型譜(圖1d)定位，可確定機(jī)組型號(hào)為SD13.10，進(jìn)而可得SD生態(tài)機(jī)組基本參數(shù)：2臺(tái)機(jī)組，總額定流量23.2 m3/s，綜合效率0.85，總裝機(jī)容量1 150kW；水輪機(jī)型號(hào)為SD13.10，額定水頭6.6 m，額定流量11.6 m3/s，額定功率575 kW，額定轉(zhuǎn)速375 r/m，同步發(fā)電機(jī)為永磁式發(fā)電機(jī)，安裝方式為IMB5，出口電壓400 V，頻率50 Hz，絕緣/溫升等級(jí)為F/B。

3.3 機(jī)組布置及工程改造方案

3.3.1 基本原則

確?，F(xiàn)有主要水工建筑物，特別是確保大壩、廠房的結(jié)構(gòu)安全；不增加現(xiàn)有廠房位置的洪水水位，不降低現(xiàn)有廠房防洪能力，確保廠房防洪安全；不損傷電站樞紐現(xiàn)有功能，即除水力發(fā)電外，不破壞筏道、魚(yú)道。

3.3.2 機(jī)組布置

根據(jù)基本原則以及電站的實(shí)際情況，擴(kuò)建的SD生態(tài)機(jī)組布置在連拱壩6號(hào)拱下游，利用現(xiàn)有連拱壩6號(hào)拱位置作為生態(tài)擴(kuò)建機(jī)組的取水口，取水口設(shè)隔墩分開(kāi)為兩組取水口，在清污機(jī)后合并為一個(gè)流道。此布置方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)廠房防洪及結(jié)構(gòu)無(wú)安全影響；②引水長(zhǎng)度及水頭損失很小；③發(fā)電量相對(duì)較高；④有一定的進(jìn)場(chǎng)交通條件；⑤施工時(shí)無(wú)需圍堰；⑥工程造價(jià)相對(duì)較低；⑦施工工期相對(duì)較短。

3.3.3 工程改造方案

因6號(hào)拱的支墩及邊墩是連拱結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)，對(duì)擋水壩的結(jié)構(gòu)安全有一定的影響。故需對(duì)6號(hào)拱及支墩在不拆除的前提下加固改建，并在拱下游新建集水池、排水渠，形成完整的取水、輸水、發(fā)電及排水系統(tǒng)。由于拱壩上游來(lái)渣較多，且渣子成分主要是竹枝，人工清理相當(dāng)困難，故在取水口處設(shè)潛水式清污機(jī)，并新建清渣、檢修平臺(tái)。安裝兩門(mén)槽2套疊梁檢修閘門(mén)以及2套清污機(jī)。機(jī)組無(wú)需拉低水庫(kù)水位，2臺(tái)機(jī)組同時(shí)停運(yùn)，檢修損失較低。綜上所述，可形成如圖3所示的最終機(jī)組布置及工程改造方案。

圖3 機(jī)組布置及工程改造方案示意(單位：mm)

4 結(jié) 論

本文以低水頭徑流式電站為研究對(duì)象，對(duì)StreamDivr機(jī)組在某水電站生態(tài)機(jī)組改造進(jìn)行應(yīng)用研究。首先研究SD機(jī)組的技術(shù)特性、優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用情況，其次梳理電站的基本情況，對(duì)電站面臨的豐水期棄水和枯水期減脫水兩個(gè)主要問(wèn)題進(jìn)行分析，研究適應(yīng)于電站實(shí)際情況的增效擴(kuò)容改造以及生態(tài)泄流改造方案，最終提出解決電站問(wèn)題可行的設(shè)計(jì)方案：利用StreamDivr機(jī)組在某水電站進(jìn)行生態(tài)機(jī)組改造。設(shè)計(jì)方案主要結(jié)論如下：

(1)2臺(tái)總裝機(jī)容量1 150 kW的SD13.10機(jī)組是生態(tài)機(jī)組改造的最優(yōu)選擇；

(2)SD生態(tài)機(jī)組布置在連拱壩6號(hào)拱下游，生態(tài)機(jī)組取水口利用現(xiàn)有連拱壩6號(hào)拱位置；

(3)在6號(hào)拱下游新建完整的取水、輸水、發(fā)電、排水系統(tǒng)以及清渣、檢修平臺(tái)。