StreamDiver技術在某水電站生態機組改造的應用設計

馬 彪

(國際小水電中心，浙江 杭州 310002)

0 引 言

2018年以來，國家對長江經濟帶省市完成2.5萬多座小水電清理整改，保留的2.1萬座電站需完成生態泄流等改造。按照《黃河流域生態保護和高質量規劃綱要》，2024年底前黃河流域小水電站也需按要求完成生態泄流改造。由此可知，生態泄流是我國當前小水電發展的一個重要方向，而生態機組是生態泄流的其中一種方式，國內部分對其進行了探索研究[1-13]。生態機組是以泄放生態流量為主要目的，除特殊原因外幾乎不間斷運行的小機組，主要承擔基荷發電任務，且其發電流量必須滿足生態流量。

我國有部分小水電站因建設年代久遠、設計建設不合理、管理不規范等原因，面臨著水資源利用率不高以及生態泄流無法達標的問題，急需增效擴容及生態泄流改造。現有河流上的壩或堰結構有非常巨大的分散型發電潛力，傳統類型的水電開發需要新建一座引水式電站，而德國福伊特Stremdiver機組技術則可在無需建造電站廠房的情況下，以較低成本集成到現有的水壩、攔河堰、渠道以及管道等設施中運行發電，可為小水電站增效擴容及生態泄流改造提供優秀的解決方案。

1 StreamDiver水電機組技術

1.1 概況

圖1為StreamDiver機組相關示意，福伊特以最小化復雜性、最小化故障、保持較低的投資和運行成本為設計理念，開發了StreamDiver[14-16](以下簡稱SD)水電機組技術。SD機組采用高度集成化的極簡設計，將水輪機、發電機和控制系統一體化。SD機組主要結構(見圖1a)如下：①永磁發電機；②水潤滑軸承；③充水水輪機艙中的無動密封燈泡；④帶有固定導向葉片的水輪機外殼；⑤螺旋槳式轉輪。SD機組轉輪采用定槳式設計，葉片和固定導葉都不可拆卸。機組包括定速和變速兩種運行方式，通過調解水輪機轉速就能控制機組的過機流量。整個機組完全安裝在水中，僅有電纜從水下引出(見圖1b、1c)。SD具有5種基本型號(見圖1d)，2種大尺寸轉輪型號，機組使用水頭范圍為2～8 m，單臺機組流量應用范圍為2～12 m3/s，單機輸入輸出功率可達到50～1 450 kW。

圖1 StreamDiver機組相關示意

1.2 機組特點

與傳統水輪機組相比，SD機組具有結構緊湊、靈活性高、維護成本極低且特別環保等特點：①機組抗磨損和氣蝕性能良好；②采用無油脂、完全用水潤滑的傳動系統，能夠保證100%無油、無泄漏、無污染；③無勵磁、冷卻排水、供油管、齒輪以及動密封等系統組件；④無廠房布置，體積小巧，占地及土建工程量小；⑤能以較低成本集成到現有的水壩、攔河堰、渠道以及管道等設施中；⑥只需要一個節省空間的電氣容器就可以容納控制電子設備和監控運行數據；⑦視覺影響小，無噪音；⑧安裝方便，機組質量不足10 t，兩三個人借助簡單的工具即可完成安裝拆卸；⑨電站無人值守且維護量極低，所有相關的運行參數和系統狀態都可以遠程監測；⑩系統復雜性極低，每5年現場檢查一次，每10 a才進行一次滑動軸承模塊之類的大修；與傳統的軸流式水輪機方案相比，SD機組大大降低混凝土和土方工程的施工成本，這樣整體項目的成本可降低多達25%。

1.3 應用情況

我國尚無SD機組技術的替代產品，水利部科技推廣中心將SD技術列入“第十五屆國際水利先進技術(產品)推介名錄”。SD機組自投放市場以來，已在奧地利等8個國家進行了裝機應用(表1)，總計10個電站32臺SD機組在可靠運行。其中秘魯Huampani電站為利用SD機組回收尾水能量的典型案例：秘魯Huampani水電站原裝機31.5 MW，電站尾水渠道中已經過初次發電的尾水水流具有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SD13.10機組(見圖1c)，為電站擴機700 kW的裝機容量。

表1 SD機組在全球應用情況統計表

2 電站主要問題及解決方案

2.1 基本情況

某水電站(見圖2)為低水頭徑流式水電站，開發方式為無調節河床引水式，現有機組裝機容量5 750kW，設計年發電量2 540萬kW·h，年利用小時數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，漿砌石結構，長210 m，寬4.4 m；電站采用明渠引水，引水渠寬44 m，全長182 m；廠房為布置于右岸的地面式廠房，主廠房內裝設五臺軸流定漿式水輪發電機組，單機容量為1 150 kW，額定水頭6.6 m，單機發電流量20.8 m3/s，總發電流量103.9 m3/s；副廠房在主廠房右端，與主廠房成曲尺型布置；升壓開關站為35 kV戶外式開關站，布置主變壓器、開關設備等，出線一回送至城區。

2.2 主要問題

電站運行主要面臨著兩個主要問題：①豐水期棄水，電站現有機組發電引用流量為103.9 m3/s，仍明顯低于壩址多年平均流量133 m3/s，電站平均每年過壩棄水(見圖2b)天數約120 d以上，棄水幾率達到30.4%，水量利用系數僅為40%左右，水資源利用率極低。②枯水期減脫水，如圖2a所示，紅線區域及下游河道為電站引起的河流減脫水河段區域，枯水期壩后河床可見明顯的裸露現象(見圖2d)。根據國家對電站的相關要求，水電站壩址需泄放最低23.14 m3/s生態流量，但電站無法滿足國家要求。

圖2 某水電站基本情況示意

2.3 解決方案

針對電站面臨的兩個主要問題，初步提出以下解決方案：①針對豐水期棄水問題，進行增效擴容改造，增加過機流量，提高水資源利用率；②針對壩后河段減脫水問題，進行生態泄流改造，在壩后增加生態泄流實施下泄生態流量，防止壩后下游減脫水。

2.3.1 增效擴容改造

電站最初裝機容量4 000 kW(5×800 kW)，擴機改造后裝機容量提高到5 280 kW。隨后再次增效擴容改造，裝機容量提高5 750 kW(5×1 150 kW)，裝設5臺軸流定槳式水輪發電機組。因發電廠房已進行兩次增效擴容改造，廠房機組已無額外的擴機或增效潛力，只能在壩后進行擴機改造，加裝適合電站實際情況的水輪機組。

2.3.2 生態泄流改造

水電站生態泄流設施應在壩址處或盡量靠近壩址的地方，可采用8種方案(表2)進行生態改造。考慮研究水電站樞紐布置、地形、地質、機組等實際情況，對生態泄流可能采用的方案進行分析比選(見表2)，最后選用方案6，安裝生態機組作為解決電站生態泄流的方案，可增加裝機容量的年利用小時約3 500 h，年均增加發電量約為400萬kW·h，生態機組兩項合計年均發電效益約566萬kW·h。

表2 生態泄流改造選擇方案

2.3.3 最終方案

綜上所述，電站在壩后增加生態機組放水發電，同時解決了電站豐水期棄水和枯水期減脫水兩個主要問題，可使水量利用系數提高到54.4%，又滿足了壩后23.14 m3/s的泄流要求。生態機組作為基荷機組，與原廠房機組通過協同優化運行，同時實現經濟效率和生態效率最大化，是適用于電站的最優方案。

3 生態機組改造

3.1 選型原則

機組型式及基本參數的選擇首先根據水電站的樞紐布置、運行水頭范圍及其運行特點，從技術特性、生態特性、經濟指標、運行可靠性、設計制造技術水平等方面出發，結合現場條件，確定機組選型基本原則(見表3)。

表3 機組選型基本原則

3.2 生態機組選型

因傳統機組無法達到表3所述的相關要求，考慮到SD機組的優良特性正好與之匹配，故生態機組選用SD機組。由流量23.2 m3/s、水頭6.6 m，根據水輪機組出力公式可得生態機組可裝機總容量為1 277 kW。但根據國家對小水電站增效擴容改造的相關政策，擴建機組容量上限為電站現有機組裝機容量(5 750 kW)的20%，即生態機組裝機容量為1 150kW。依據前述對裝機臺數的要求，選擇加裝2臺生態機組，則單臺生態機組設計流量和水頭分別為11.6 m3/s及6.6 m。將流量、水頭在SD機組型譜(圖1d)定位，可確定機組型號為SD13.10，進而可得SD生態機組基本參數：2臺機組，總額定流量23.2 m3/s，綜合效率0.85，總裝機容量1 150kW；水輪機型號為SD13.10，額定水頭6.6 m，額定流量11.6 m3/s，額定功率575 kW，額定轉速375 r/m，同步發電機為永磁式發電機，安裝方式為IMB5，出口電壓400 V，頻率50 Hz，絕緣/溫升等級為F/B。

3.3 機組布置及工程改造方案

3.3.1 基本原則

確保現有主要水工建筑物，特別是確保大壩、廠房的結構安全；不增加現有廠房位置的洪水水位，不降低現有廠房防洪能力，確保廠房防洪安全；不損傷電站樞紐現有功能，即除水力發電外，不破壞筏道、魚道。

3.3.2 機組布置

根據基本原則以及電站的實際情況，擴建的SD生態機組布置在連拱壩6號拱下游，利用現有連拱壩6號拱位置作為生態擴建機組的取水口，取水口設隔墩分開為兩組取水口，在清污機后合并為一個流道。此布置方案具有以下優點：①對廠房防洪及結構無安全影響；②引水長度及水頭損失很小；③發電量相對較高；④有一定的進場交通條件；⑤施工時無需圍堰；⑥工程造價相對較低；⑦施工工期相對較短。

3.3.3 工程改造方案

因6號拱的支墩及邊墩是連拱結構安全的基礎，對擋水壩的結構安全有一定的影響。故需對6號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、發電及排水系統。由于拱壩上游來渣較多，且渣子成分主要是竹枝，人工清理相當困難，故在取水口處設潛水式清污機，并新建清渣、檢修平臺。安裝兩門槽2套疊梁檢修閘門以及2套清污機。機組無需拉低水庫水位，2臺機組同時停運，檢修損失較低。綜上所述，可形成如圖3所示的最終機組布置及工程改造方案。

圖3 機組布置及工程改造方案示意(單位：mm)

4 結 論

本文以低水頭徑流式電站為研究對象，對StreamDivr機組在某水電站生態機組改造進行應用研究。首先研究SD機組的技術特性、優點及其應用情況，其次梳理電站的基本情況，對電站面臨的豐水期棄水和枯水期減脫水兩個主要問題進行分析，研究適應于電站實際情況的增效擴容改造以及生態泄流改造方案，最終提出解決電站問題可行的設計方案：利用StreamDivr機組在某水電站進行生態機組改造。設計方案主要結論如下：

(1)2臺總裝機容量1 150 kW的SD13.10機組是生態機組改造的最優選擇；

(2)SD生態機組布置在連拱壩6號拱下游，生態機組取水口利用現有連拱壩6號拱位置；

(3)在6號拱下游新建完整的取水、輸水、發電、排水系統以及清渣、檢修平臺。