灘坑水電站降低河床底高程發(fā)電增效的實(shí)踐

范慶來(lái)，葛曉春，郭智俊

（浙江浙能北海水力發(fā)電有限公司，浙江青田 323709）

1 工程概況

灘坑水電站工程位于浙江省青田縣境內(nèi)的甌江支流小溪上，電站裝機(jī)容量3×200 MW，保證出力84.1 MW，年發(fā)電量9.6億kW·h，裝機(jī)年利用1 606 h。該電站由攔河壩、溢洪道、泄洪洞、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房、地面開(kāi)關(guān)站等建筑物組成。攔河壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程171.0 m，最大壩高162.0 m，壩頂長(zhǎng)507.0 m。溢洪道位于左岸，利用埡口地形開(kāi)挖而成，渠首底高程142.0 m，堰頂高程148.0 m，設(shè)有6孔凈寬12 m的溢流堰。右岸布置3條引水隧洞，進(jìn)口底坎高程為95.0 m，洞徑8.0 m，每條洞下游段設(shè)置高壓鋼管與水輪機(jī)相連，引水系統(tǒng)采用一洞一機(jī)布置，下平段采用鋼襯。發(fā)電廠房裝置3臺(tái)單機(jī)容量為200 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，其尺寸為：長(zhǎng)114.5 m，寬27.5 m，高60.5 m，出口底板高程為32.5 m。

小溪是甌江右岸的最大支流，發(fā)源于百山祖東麓，河流自西南向東北流經(jīng)沙灣、外舍、渤海、白巖等地，于石溪口匯入甌江。河流全長(zhǎng)213 km，總流域面積3 577 km2。灘坑水電站壩址以上流域面積3 330 km2，占小溪流域總面積的93%，河道長(zhǎng)度187 km，平均坡降0.253%，河面寬100～300 m，壩址以上流域多年平均降水量1 748.2 mm。灘坑水電站水庫(kù)校核洪水位169.15 m，總庫(kù)容41.9億m3；正常蓄水位160 m，相應(yīng)庫(kù)容35.2億m3；防洪高水位161.5 m，汛限水位156.5 m，防洪庫(kù)容3.5億m3；死水位120 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容21.26億m3。

本工程于2004年10月31日開(kāi)工建設(shè)，2005年10月實(shí)現(xiàn)工程截流，2008年4月29日下閘蓄水，2009年7月底3臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)，總工期為5 a。

2 增效方案的實(shí)施

灘坑水電站建設(shè)期間，設(shè)計(jì)對(duì)下游河道清理無(wú)特別要求，保持了原有地形；另外，由于施工過(guò)程中對(duì)開(kāi)挖的棄石廢渣處理不當(dāng)，造成局部地勢(shì)突兀。2008年初工程下閘蓄水前夕，經(jīng)實(shí)地測(cè)量，尾水至下游圍堰處河床高程為33.5 m，下游圍堰至下游交通橋處河床最高部位為34.78 m，最低部位為30.72 m，尾水區(qū)很多部位的河床高程都已超過(guò)尾水底板高程32.5 m。

眾所周知，水電站的發(fā)電效率與上下游水位差有很大關(guān)系，即同樣的發(fā)電流量，水頭高的情況下發(fā)每度電所需的水量比水頭低的情況所需水量少，從而使水能利用率得以提高。若下游河床淤塞，勢(shì)必壅高水電站尾水，降低水頭，使水輪機(jī)長(zhǎng)期不能在滿出力或不能在高效區(qū)工作，損失不少電能。為解決已建水電站尾水位壅高造成發(fā)電單位水耗增大問(wèn)題，必須按照設(shè)計(jì)尾水位流量關(guān)系曲線，采取有效措施（例如開(kāi)挖清除尾水河道的棄碴），適度降低被壅高的尾水位。自灘坑水電站開(kāi)始河床清渣以來(lái)，項(xiàng)目業(yè)主和設(shè)計(jì)單位就一直在考慮能否在原來(lái)下游河床的基礎(chǔ)上繼續(xù)下挖，提高上下游水位差來(lái)提高水能利用。

經(jīng)與參建各方溝通，通過(guò)設(shè)計(jì)修改通知單的形式，要求施工單位對(duì)下游河道進(jìn)行清渣處理。經(jīng)過(guò)2008年3～9月將近半年的時(shí)間，施工單位對(duì)下游河道進(jìn)行了開(kāi)挖清渣。開(kāi)挖后尾水至下游圍堰高程為32 m，自下游圍堰開(kāi)始按-0.079%的坡比變化至下游交通橋的31 m，基本上使下游河床較原河床面下降了1.5 m，累計(jì)開(kāi)挖砂礫石28.8萬(wàn)m3，尾水區(qū)河床高程均低于尾水底板高程32.5 m，有效降低了發(fā)電時(shí)的下游尾水位。

3 增效方案的成果

下游河床高程降低后，水頭增加，耗水率降低，發(fā)電增效顯著。下面僅以灘坑水電站2009年9月8日1號(hào)機(jī)從7∶33開(kāi)機(jī)至16∶47為例，介紹灘坑水電站利用降低下游河道河床底高程增效的實(shí)踐效果。

根據(jù)設(shè)計(jì)初期階段的研究報(bào)告可知，灘坑水電站一臺(tái)機(jī)滿發(fā)流量為211.3 m3/s，相應(yīng)的發(fā)電尾水位為34.45 m；三臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量633.9 m3/s，相應(yīng)的發(fā)電尾水位為35.70 m。本例子中，期間機(jī)組出力為198 MW，下游尾水位為33.72 m，上游平均水位為146.52 m。

3.1 河床高程未降低的設(shè)計(jì)理論耗水率

下游尾水位設(shè)計(jì)為34.35 m，凈水頭為：146.52-34.35-1=111.17 m。

當(dāng)出力為198 MW時(shí)，查出力-凈水頭-流量關(guān)系曲線得，流量為192.1 m3/s。

計(jì)算得耗水率為3.492 7 m3/kW·h。

3.2 河床高程降低后實(shí)際耗水率

下游尾水位實(shí)際為33.72 m，凈水頭為：146.52-33.72-1=111.8 m

當(dāng)出力為198 MW時(shí)，查出力-凈水頭-流量關(guān)系曲線得，發(fā)電流量為：190.75 m3/s。

計(jì)算得耗水率為：3.468 2 m3/kW·h。

3.3 計(jì)算耗水減少率

降低河床高程后，耗水減少率為：（3.4927-3.4682）/3.4927=0.7%。

上述計(jì)算為某一工況下的耗水減少率，經(jīng)不同的運(yùn)行組合工況（不同水頭、不同出力、不同機(jī)組組合等）計(jì)算，發(fā)現(xiàn)通過(guò)降低河床高程，耗水均有不同程度的減少，耗水減少率在0.6%～0.9%之間。

4 經(jīng)濟(jì)效益比較

降低下游河道河床高程產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可由河床開(kāi)挖投入的成本和發(fā)電耗水率降低之間的比較得出：

對(duì)下游河道進(jìn)行開(kāi)挖清渣，根據(jù)施工合同，開(kāi)挖砂礫石的單價(jià)為20.94元/m3，發(fā)生的總費(fèi)用約為603萬(wàn)元。

通過(guò)降低河床高程，耗水減少率在0.6%～0.9%之間。灘坑水電站2008、2009和2010年三年發(fā)電量分別為11 171萬(wàn)kW·h、40 897萬(wàn)kW·h和134 526萬(wàn)kW·h（2008、2009年為初期蓄水發(fā)電期），上網(wǎng)電價(jià)0.538元/kW·h，三年增發(fā)的電量約1 100～1 600萬(wàn)kW·h之間，增加發(fā)電收入590～860萬(wàn)元。電站初蓄期運(yùn)行的三年時(shí)間已基本收回因河床開(kāi)挖投入的成本，利用降低下游河道河床高程增效的經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。

5 尾水位下降后對(duì)水輪機(jī)的影響分析

尾水位下降雖然對(duì)降低耗水率有較好的效果，但對(duì)水輪機(jī)可能存在不利影響，一是水輪機(jī)的工作水頭可能超過(guò)水輪機(jī)的最高水頭，二是尾水位降低可能造成吸出高度不足而產(chǎn)生空蝕。為研究灘坑水電站本次降低河床底高程后的運(yùn)行狀態(tài)是否會(huì)對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)生不利影響，筆者作了一定的分析。

表1 降低河床高程前后耗水率比較（以灘坑水電站1號(hào)機(jī)2009年9月8日從7∶33開(kāi)機(jī)至16∶47為例）Table 1:Comparison of water consumption rates before and after lowering the river bed downstream

（1）對(duì)工作水頭可能超過(guò)水輪機(jī)最高水頭的分析

以出力198 MW為例，下游尾水位設(shè)計(jì)為34.35 m，開(kāi)挖后實(shí)際為33.72 m，比設(shè)計(jì)低0.63 m，水頭由111.17 m增加至111.8 m，在水輪機(jī)的工作水頭范圍內(nèi)（灘坑額定水頭、最小水頭、最大水頭分別為107 m、81 m和127 m），該運(yùn)行狀態(tài)不會(huì)對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)生不利影響。由于灘坑水電站的限汛要求，無(wú)超標(biāo)洪水發(fā)生時(shí)，水輪機(jī)組一般不會(huì)在最高水頭下運(yùn)行，且本次河床降低高程非常有限，出現(xiàn)工作水頭超出運(yùn)行范圍的概率極低，即便超出也非常有限，不會(huì)使水輪機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工況。

（2）對(duì)可能造成吸出高度不足產(chǎn)生空蝕的分析

根據(jù)電站裝置空化系數(shù)計(jì)算公式：

式中：?為水輪機(jī)安裝高程（m）；Hs為吸出高度(m)；Hva為電站水溫下的汽化壓力(m)；Hn為電站水頭(m)。

仍以出力198 MW為例,開(kāi)挖之前，電站水頭Hn=111.17 m，水輪機(jī)安裝高程▽=30 m，吸出高度Hs=30-34.35=-4.35 m，電站水溫18.8℃，汽化壓力查表為0.221 m，求得σp1=0.130 4。電站水頭Hn=111.8 m，水輪機(jī)安裝高程▽=30 m，吸出高度Hs=30-33.72=-3.72 m，電站水溫18.8℃，汽化壓力查表為0.221 m，求得σp2=0.124。水輪機(jī)制造商提供的參數(shù)為：該工作水頭下臨界空化系數(shù)σc=0.074 3，開(kāi)挖后電站裝置空化系數(shù)雖有略微減小，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界空化系數(shù)，因此尾水水位低于設(shè)計(jì)尾水位并不會(huì)對(duì)水輪機(jī)空蝕產(chǎn)生不利影響。

6 結(jié) 語(yǔ)

電站運(yùn)行實(shí)際證明：灘坑水電站利用降低下游河道底高程以達(dá)到降低耗水率的實(shí)踐取得了很好的效果，是可行的，適度降低發(fā)電尾水位不會(huì)對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。該措施既最大限度地提高了水資源利用率，又提高了灘坑水電站的發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益，是水電站節(jié)能增效的成功實(shí)踐。

[1]浙江省甌江灘坑水電站工程可行性研究報(bào)告[R].杭州:華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2000.

[2]李繼功,吳鳳吉.紅石水電站發(fā)電尾水河床清挖工程效益分析[J].大壩與安全,2009,4.

[3]梁福林,袁兵.水布埡水電站尾水清渣效益分析[J].湖北水力發(fā)電,2009,6.

[4]陳國(guó)棟.水口水電廠尾水位下降對(duì)機(jī)組的影響及其對(duì)策[J].福建電力與電工,2002,4.