提高水能利用率的工程方法探討

楊 英， 姚 福 海

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072;2.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610041)

1 概述

中國水能蘊藏量為6.94億kW，其中技術可開發(fā)量為5.42億kW，居世界第一位。截止2010年底，中國擁有水電裝機容量2.1億kW，占全國發(fā)電總裝機容量的22%。2010年底，為了實現中國政府向世界承諾的節(jié)能減排指標，中國計劃將非化石能源的比例從2010年所占的8.3%提高到2020年的15%。其中，到2020年，水電裝機規(guī)模將達到3.3億kW。

目前，中國在建水電規(guī)模約為0.6億kW，水電建設速度正在加快，水能的合理利用已經上升到了一定的認識高度。但是，如何在國家已批復河流規(guī)劃意見的基礎上，結合每座水電站的實際情況，盡最大可能提高每座水電站的水能利用率仍有一定的潛力。若用a表示某水電站的年理論水能量，用b表示實際產生的年平均發(fā)電量，則某水電站的年平均水能利用率為:η=b/a×100%。

根據近20年來中國部分水電工程的建設和管理經驗，提高水電站的水能利用率主要有兩個途徑:一是充分利用設計水頭，盡最大可能增大工作水頭;二是盡最大可能減少汛期棄水。其中后者屬大型水電站的管理范疇。筆者試圖結合工程實際對前者做一些有益的探討。

2 壩址或廠址選擇與水能利用的關系

大中型水電站裝機容量選擇的流程為:(1)根據國家對流域規(guī)劃的批復意見，在下游已建或規(guī)劃水庫正常蓄水位的末端附近比選壩址。(2)結合工程和庫區(qū)社會因素開展設計正常蓄水位專題研究。(3)根據確定的正常蓄水位和下游設計尾水位確定裝機規(guī)模。

在上述工作流程中，壩址或廠址的選擇除了考慮地形、地質、施工、對外交通和樞紐建筑物投資等因素外，還考慮了設計尾水位與下游水庫正常蓄水位的銜接。但對下游水庫的變幅情況則很少考慮，從而出現了每年有一半以上的時間部分水頭未被利用的情況。

對于有年調節(jié)或季調節(jié)的大型水庫而言，每年出現的水位情況有:正常蓄水位、汛限水位、汛期洪水位、最低發(fā)電水位等。其中正常蓄水位主要出現在汛后一段時間，到第二年汛前，水庫將降至最低發(fā)電水位運行。為了滿足防洪和排沙要求，汛限水位一般要比正常蓄水位低數米乃至幾十米。若一座大型水庫的年平均運行水位為c，緊鄰上游水電站的設計尾水位為d，則該水電站每年平均有(d－c)m水頭未被利用。

以黃河上的劉家峽水電站為例，由于劉家峽水電站具有調峰、防洪、防凌等功能，水庫在汛期(6～8月)保持高程1 726 m運行，在汛末逐漸將水位抬升到高程1 735 m的正常蓄水位。由于枯水期下游用電量較大，到第二年汛前，水位降至1 694 m高程的最低水位。根據對多年統(tǒng)計情況進行分析，劉家峽水庫每年在正常蓄水位運行的時間不超過4個月，多年的平均庫水位高程為1 725.27 m。劉家峽水庫上游的炳靈水電站在規(guī)劃階段，其設計尾水位考慮與劉家峽水庫正常蓄水位銜接。當項目進行到初步設計階段后發(fā)現，若炳靈水電站按規(guī)劃階段的正常蓄水位高程(1 760 m)進行設計，需要完成移民搬遷1萬人。復雜的庫區(qū)社會條件迫使炳靈水電站不得不將正常蓄水位高程降至1 750 m;若壩址不變，則電站的裝機容量由原規(guī)劃的250 MW降至150 MW。為了彌補容量損失，電站建設單位會同設計單位在大量工作的基礎上，將壩址下移8 km，直接布置在劉家峽水庫尾部，電站的尾水位選用劉家峽水庫的年平均運行水位。經過調整，炳靈水電站多利用了下游10 m水頭，裝機容量成為240 MW。與原規(guī)劃階段相比，經過調整壩址，在裝機容量基本不變的情況下，庫區(qū)淹沒損失節(jié)省了近1億美元，大幅度降低了建設成本。圖1為炳靈水電站壩址演變示意圖。

黃河炳靈水電站的建設實踐表明，位于大型水庫尾部的水電站，只要地形、地質、交通等條件允許，選用下游水庫的多年平均水位作為上游水電站的正常尾水位，可以充分利用水能，大大提高電站的經濟指標;而由此帶來的尾水平臺高度增加是可以通過調整尾水體型的辦法予以解決。若某水電站每個月的平均發(fā)電流量為Qi，每個月的平均尾水位為di，則每個月的平均利用小時數為ti。下游水庫每個月的平均運行水位為ci，則利用水位變幅每年新增的能量為∑9.8Qi(di－ci)ti。式中，i=1～12。

圖1 炳靈水電站壩址演變示意圖

3 減少水電站引水建筑物水頭損失的方法

水電站引水建筑物的水頭損失由沿程水頭損失和局部水頭損失兩部分組成。其中，沿程水頭損失:

式中 li為引水建筑物第i段的長度;vi為第i段的平均流速;ci為第i段的謝才系數;Ri為第i段的水力半徑。

根據已有的實踐經驗，減小hf的工程途徑有:(1)選用經濟而合理的經濟流速。(2)在引水建筑物混凝土施工時，采用高精度的模板減少糙率。(3)引水建筑物的橫斷面體型選用圓型或馬蹄型，增大水力半徑等。

引水建筑物的局部水頭損失一般不可避免。以水電站進水口的攔污柵為例，在沒有雜物堵塞的情況下，水流過柵時產生的局部水頭損失h§=0.05 v2/2 g。式中:v為水流過柵時的平均流速。由于汛期江河挾帶的漂浮物大量增加，很多水電站的攔污柵往往要在汛期損失1 m甚至更大的發(fā)電水頭。中國水電站攔污柵的結構設計取的是4～6 m的壓差。為了減少汛期攔污柵的局部水頭損失，大渡河上的瀑布溝、龔嘴等水電站在發(fā)電進水口上游的水庫表面設立了浮式攔漂裝置。該裝置由浮漂和水下懸掛式攔污網組成。庫面雜物定期用船只由人工清理。以龔嘴水電站為例，庫面未設置攔漂裝置前，每年汛期從攔污柵上清理的雜物達200～300 t，攔污柵汛期平均損失發(fā)電水頭約1 m。庫面設置攔污浮漂裝置后，每年汛期從攔污柵上清理的雜物下降為不足50 t。經計算，每年增發(fā)電量為0.59億kW·h。該方法適合于發(fā)電進水口上游庫面比較開闊的項目。

4 降低水電站下游尾水位的兩種工程方法

4.1 在工程地質、下游水位等條件允許的情況下，采用無壓型長尾水隧洞，降低下游尾水位

水電站地下廠房對應的尾水隧洞一般較長。對于比較長的有壓型尾水隧洞而言，為滿足機組運行時的安全要求，尾水隧洞上游往往要布置調壓室。以大渡河上的瀑布溝水電站為例，若采用有壓型尾水隧洞，則1.2 km長的尾水隧洞對應的沿程水頭損失為0.6 m。由于瀑布溝水電站下游的設計洪水位與正常尾水位僅相差3 m，而且尾水洞沿線地質條件良好，圍巖類別以Ⅱ～Ⅲ類為主，采用橫斷面尺寸為20 m×24.2 m的無壓型尾水隧洞與有壓型尾水隧洞相比，可以取消尾水調壓室，而尾水土建工程量僅增加約15%。經過比較，最終選用的無壓型尾水隧洞可以多利用水頭0.7 m，每年增加電能約0.66億 kW·h。

4.2 在壩址下游河床地形條件允許的情況下，采用人工長尾水渠增大發(fā)電水頭

大渡河最下游約40 km長的河段天然比降只有約0.12%。由于水能指標差，原河流規(guī)劃沒有在該河段范圍內布置水電站。2005年，項目建設單位會同設計單位，經過進行大量的分析論證，在該河段布置了兩座裝機總容量為1 100 MW的水電站。主要經驗有:(1)利用該河段地形非常開闊的天然條件，將水電站下游的河床用隔流堤分為行洪區(qū)和發(fā)電泄流區(qū)兩部分，如圖2所示。(2)在水電站尾水渠下游約9 km的范圍內，人工開挖原河床，降低水位，形成發(fā)電水頭。(3)對尾水渠做必要的防護處理，嚴格控制泥沙進入尾水渠。目前該河段已有一座水電站投產，另一座正在建設之中。該方法適用于河床開闊且尾水渠的技術經濟條件較優(yōu)越的工程。

圖2 大渡河最下游的沙灣、安谷水電站利用人工長尾水渠形成水頭示意圖

5 大型水庫從汛限水位向正常蓄水位提前抬升的技術條件

位于主要江河上的大型水庫一般都有防洪功能。在汛期，水庫保持較低的水位運行，一方面可以削減洪峰，另一方面可以避免泥沙在庫尾淤積。近年來，中國三峽、二灘、瀑布溝等大型水庫的運行管理經驗表明，在汛末選擇合適的時機提前抬升水位有利于早蓄水、多發(fā)電。如三峽水庫是在汛末結束的前一個月開始抬升水位，而二灘和瀑布溝水庫是在汛期結束的前半個月開始抬升水位。汛末水位抬升的時機選擇應滿足4個條件:(1)在水位抬升過程中，若上游發(fā)生大洪水，經水庫調節(jié)后的下泄流量不會危及下游城鎮(zhèn)或其它重要設施的安全。(2)汛末最后一天的庫水位不超過正常蓄水位。(3)洪水攜帶的泥沙不會在水庫最末端產生嚴重淤積。(4)上游來流的預報設施健全。以瀑布溝水電站為例，每年6～9月為主汛期，10月為退水期，11月至次年5月為枯水期。2010年9月15日，根據上游的中長期預報資料，瀑布溝水庫開始由高程841 m的汛限水位向850 m的正常蓄水位抬升，9月30日，水位上升至845.6 m，10月13日，水位蓄至850 m。該計劃與汛后開始抬升水位相比，多利用棄水量3.7億m3，提前增加發(fā)電量約2億kW·h。

6 結語

(1)提高水能利用率的本質是想法設法增大發(fā)電工作水頭，減少棄水流量。而增大發(fā)電水頭的各種工程方法各有其適合條件。在工程設計中，應針對具體情況合理選擇。

(2)提高水能利用率和節(jié)能減排的目標一致。