生態(tài)流量水電站水輪發(fā)電機(jī)組選型中應(yīng)注意的幾個問題

生態(tài)流量水電站水輪發(fā)電機(jī)組選型中應(yīng)注意的幾個問題施彬;牛文彬;田迅【摘要】Astherelativeconstantdischargeofecologicalpowerstation,theselectionofturbine-generatorisdifferenttoconventionalhydropowerproject.Theselectionsonecologicalflow,installedcapacityandnumberofunits,runnerdiameterofturbineandgeneratorcapacityforecologicalpowerstationaresummarizedherein.Thepracticesinthreeecologicalpowerstationsshowthattheselectionsarepractical.%針對生態(tài)流量水電站下泄生態(tài)流量相對恒定的特點(diǎn),對水輪發(fā)電機(jī)組選型中的幾個問題，如生態(tài)流量的選取、水電站裝機(jī)容量及機(jī)組臺數(shù)選取、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑的選擇、發(fā)電機(jī)容量的確定等，進(jìn)行了分析總結(jié)，并在3個生態(tài)流量水電站中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，效果良好.【期刊名稱】《水力發(fā)電》【年(卷)，期】2012(038)001【總頁數(shù)】4頁(P81-83,90)【關(guān)鍵詞】生態(tài)流量;水頭;轉(zhuǎn)輪直徑;發(fā)電機(jī)容量【作者】施彬;牛文彬;田迅【作者單位】中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院,四川成都610072;水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120;中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院,四川成都610072【正文語種】中文【中圖分類】TM3120前言根據(jù)《中華人民共和國水法》、《水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》等國家法律法規(guī)的要求，水電建設(shè)項(xiàng)目不能破壞原有的生態(tài)環(huán)境，對環(huán)境有影響的項(xiàng)目必須泄放一定的流量來滿足減水河流的生態(tài)、生活、生產(chǎn)用水。國家環(huán)境保護(hù)總局還要求：〃對河流有斷流影響的電站，為保護(hù)水庫運(yùn)行期壩后減水河段的生態(tài)環(huán)境，電站必須下泄足夠的生態(tài)流量，滿足不小于壩址處多年平均流量10%的生態(tài)流量。”為提高所泄放生態(tài)流量的利用率，充分利用下泄生態(tài)流量的動能，建設(shè)單位一般都設(shè)置生態(tài)小機(jī)組，在發(fā)揮其社會效益的同時再實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益。1關(guān)于生態(tài)流量及其保證率1.1生態(tài)流量的取值根據(jù)國家相關(guān)法規(guī)，要求電站下泄的生態(tài)流量應(yīng)滿足減水河段工業(yè)、生活、生態(tài)等綜合用水要求，一般按壩址多年平均流量的10%考慮，但根據(jù)不同的情況也有一定的差異。（1）對從水電站大壩至主體電站廠房尾水出口的天然河道被截?cái)嗟囊诫娬?，為了維護(hù)原河道的生態(tài)環(huán)境，下泄流量一般按不小于壩址處多年平均流量的10%考慮，如：卡基娃水電站（壩址處多年平均流量為101m3/s，最小下泄的生態(tài)流量為10.1m3/s）、黃金坪水電站（壩址處多年平均流量為841m3/s，在黃金坪~瀘定水電站庫尾段常年維持景觀生態(tài)流量應(yīng)不低于84m3/s）等。（2）對從水電站大壩至主體電站廠房尾水出口的天然河道被截?cái)?，且被截?cái)嗪拥肋€有支流匯入的引水式電站，根據(jù)《水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》的規(guī)定，經(jīng)實(shí)地調(diào)查和專題論證后，最小下泄流量不需嚴(yán)格按壩址處多年平均流量的10%考慮，可適當(dāng)放寬。對修建在大江大河上的河床式水電站，應(yīng)詳細(xì)分析水文情勢的時空變化過程，全面調(diào)查和分析對河流綜合用水的影響，提出滿足生活、生產(chǎn)、生態(tài)要求的河流生態(tài)水量。以老木孔航電樞紐的涌斯江水電站為例，老木孔航電樞紐壩址處多年平均流量2470m3/s，老木孔庫區(qū)內(nèi)防洪堤的修建將阻隔沿線岔河涌斯江的來水通道，從維護(hù)涌斯江基本的生態(tài)和景觀功能，并滿足沿江的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水需求出發(fā)，經(jīng)初步分析全年下泄為102m3/s的生態(tài)流量，其中魚道需要12m3/s的流量，另外90m3/s的流量通過涌斯江水電站生態(tài)機(jī)組泄放。1.2生態(tài)流量的保證率生態(tài)流量水電站在設(shè)計(jì)時，生態(tài)流量保證率應(yīng)按100%考慮，即無論什么時候、什么工況，采取什么方式，均應(yīng)保證能實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量的下泄。所以，即使修建了生態(tài)電站，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組不能發(fā)電泄水時，也應(yīng)考慮后備的泄水措施。2生態(tài)流量水電站裝機(jī)容量及機(jī)組臺數(shù)擬定2.1生態(tài)流量水電站裝機(jī)容量生態(tài)流量水電站裝機(jī)容量的確定與常規(guī)電站裝機(jī)容量的確定不同，常規(guī)電站裝機(jī)容量選擇主要取決于兩個方面的因素，一是河川徑流大小及其分配特性，水庫調(diào)節(jié)性能，水電站利用水頭等特征；二是水電站的供電范圍、電力系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)展規(guī)模及其各項(xiàng)負(fù)荷特性指標(biāo)。而對生態(tài)流量水電站來說，設(shè)置該電站的目的是為了充分利用減水河段的放水進(jìn)行發(fā)電，因此生態(tài)電站的裝機(jī)容量應(yīng)按照滿足最小下泄流量的容量設(shè)置即可。我們知道，電站的裝機(jī)容量N=gQHn，式中，g、Q、H、n分別為電站機(jī)組安裝所在地的重力加速度、電站發(fā)電引用流量、水輪機(jī)運(yùn)行水頭以及水輪發(fā)電機(jī)組的效率?？梢钥闯?，g和n基本變化不大，一旦生態(tài)流量Q和水輪機(jī)運(yùn)行水頭H確定后，電站的裝機(jī)容量就基本確定了。對于生態(tài)流量水電站，電站的裝機(jī)容量應(yīng)按水輪機(jī)最大運(yùn)行水頭考慮。2.2生態(tài)流量水電站機(jī)組臺數(shù)的選定生態(tài)電站的機(jī)組臺數(shù)的選擇，筆者認(rèn)為可分為兩種情況來考慮。（1）對于生態(tài)流量不大，電站運(yùn)行水頭變幅較小，電站就設(shè)置在大壩附近且在大壩處有泄水閘門的生態(tài)流量水電站，可按最少的機(jī)組臺數(shù)1臺選取，如楞古生態(tài)電站、老木孔生態(tài)電站等。（2）對于需下泄的生態(tài)流量較大、考慮機(jī)組運(yùn)行靈活性不高，電站運(yùn)行水頭變幅較大、或臥式機(jī)組單機(jī)容量受限的生態(tài)電站，機(jī)組臺數(shù)可按2臺選取，單機(jī)流量為生態(tài)流量的1/2，如黃金坪、毛爾蓋（考慮了兩個轉(zhuǎn)輪，以適應(yīng)不同水頭段）、卡基娃生態(tài)流量水電站等。但應(yīng)注意，當(dāng)機(jī)組檢修停機(jī)運(yùn)行時，仍應(yīng)有其他下泄放水措施。3額定水頭與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑的選擇對于生態(tài)流量水電站來說，水輪機(jī)在電站整個水頭運(yùn)行范圍內(nèi)都要保證幾乎恒定的下泄生態(tài)流量，機(jī)組運(yùn)行范圍較為特別，那么在水輪機(jī)參數(shù)選擇時，更應(yīng)關(guān)注流量的保證值，對電站的整個運(yùn)行水頭范圍進(jìn)行流量核算。由此可見，額定水頭在生態(tài)電站水輪機(jī)選擇中的意義并不大，若一定要象常規(guī)水電站水輪機(jī)選擇中那樣考慮設(shè)額定水頭，筆者認(rèn)為可以由水機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)人員根據(jù)電站運(yùn)行水頭變幅大小來擬定。（1）對水頭變幅較小的生態(tài)電站，可以電站加權(quán)平均水頭的90%~95%作為額定水頭來選擇水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速，并復(fù)核最大水頭和最小水頭時的流量是否滿足生態(tài)流量要求。如果最大、最小水頭時的下泄流量不滿足要求，可適當(dāng)加大導(dǎo)葉開度（一般宜控制在10%以內(nèi)，且對應(yīng)的Q1'不宜超過出力限制線），以滿足最小下泄流量的要求。由于生態(tài)機(jī)組要求水輪機(jī)在任何工況下運(yùn)行，過流量均保持恒定，且基本不停機(jī)。因此，對生態(tài)機(jī)組水輪機(jī)參數(shù)的選擇更應(yīng)該重視水輪機(jī)的穩(wěn)定性和優(yōu)越的能量指標(biāo)，盡量使選擇的水輪機(jī)參數(shù)處于最優(yōu)效率區(qū)。(2)對運(yùn)行水頭變幅較大的生態(tài)流量水電站(即按上述方法無法解決的機(jī)組)，可以有以下兩種解決方式：①從發(fā)電效益角度出發(fā)，可按高水頭段和低水頭段分別選擇兩個轉(zhuǎn)輪，分別運(yùn)行；從節(jié)約投資角度出發(fā)，則可按水頭出現(xiàn)頻率高的水頭段來選擇轉(zhuǎn)輪參數(shù)，對出現(xiàn)幾率小且超過轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)的水頭段，限制水輪機(jī)的運(yùn)行工況，靠其他泄水方式下泄所需的生態(tài)流量。②按擬定的生態(tài)流量、最小水頭時的水輪機(jī)出力、最小水頭，計(jì)算選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1；再按選定的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1、生態(tài)流量、最大水頭，計(jì)算確定發(fā)電機(jī)容量。4發(fā)電機(jī)容量的選擇常規(guī)電站的水輪發(fā)電機(jī)額定容量是由水輪機(jī)額定功率乘發(fā)電機(jī)效率確定的，但對生態(tài)流量水電站來說，如前所述，機(jī)組發(fā)電機(jī)容量則應(yīng)是在最大水頭時，滿足生態(tài)流量的水輪機(jī)輸出功率，即滿足水輪機(jī)最大出力的容量。5實(shí)例分析5.1卡基娃生態(tài)流量水電站卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上，是該河段梯級開發(fā)的〃控制性水庫”工程，水庫具有年調(diào)節(jié)能力，電站采用混合開發(fā)方式，引水隧洞長約6.36km。為了保護(hù)從壩址到廠房尾水的天然河道生態(tài)環(huán)境，需要在卡基娃水電站壩址附近利用發(fā)電引水隧洞的施工支洞引水道常年下泄不小于10.1m3/s的生態(tài)流量。為充分利用下泄生態(tài)流量的動能，于壩軸線下游約850m的木里河右岸設(shè)卡基娃生態(tài)流量小電站，電站裝機(jī)容量為12.4MW?？ɑ奚鷳B(tài)流量小電站若裝1臺機(jī)，雖然機(jī)電及土建投資省，但機(jī)組檢修時機(jī)組斷流時，必須另外設(shè)置1個生態(tài)放水閥或閘門才能達(dá)到泄放生態(tài)流量的目的，工程相對復(fù)雜。如果采用裝2臺機(jī)方案，雖然比前一種方案工程投資稍高，但電站運(yùn)行靈活，且更能保證生態(tài)流量的下泄。故卡基娃生態(tài)電站選擇裝機(jī)臺數(shù)為2臺的方案。該電站最大水頭148.2m，最小水頭90.9m，加權(quán)平均水頭126.6m，額定水頭91m，電站弓I用流量即為最小下泄流量10.1m3/s。根據(jù)以上基本動能資料分析，電站最大最小水頭比為1.63，變幅較大，在全部水頭運(yùn)行范圍，單機(jī)出力范圍為3.75-6.2MW，運(yùn)行范圍變幅也較大。為了使機(jī)組能安全、穩(wěn)定運(yùn)行，在保證下泄流量的基礎(chǔ)上采用了用最小水頭參數(shù)選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑、用最大水頭參數(shù)選擇發(fā)電機(jī)容量的方法，選擇卡基娃生態(tài)電站的機(jī)主要參數(shù)：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑1.0m,額定流量5.15m3/s，發(fā)電機(jī)額定功率6.2MW，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)形式為臥式結(jié)構(gòu)。5.2涌斯江水電站老木孔航電樞紐工程位于岷江干流樂山市境內(nèi)，是岷江（樂山~宜賓）干流航電梯級開發(fā)中的第一級。涌斯江為岷江的左支汊河，從牛華鎮(zhèn)塘葉壩分流，經(jīng)竹根灘左側(cè)，于四望關(guān)與茫溪河匯合后至下游和尚垴注入岷江干流。老木孔庫區(qū)內(nèi)防洪堤的修建將截?cái)嘤克菇膩硭ǖ溃瑥木S護(hù)涌斯江基本的生態(tài)和景觀功能，并滿足沿江的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水需求出發(fā)，需在塘葉壩分流處常年下泄生態(tài)流量，經(jīng)初步分析全年需下泄102m3/s的生態(tài)流量，其中魚道需要12m3/s，另外90m3/s的流量通過電站泄放。故在涌澌江河口設(shè)涌斯江生態(tài)流量小電站。經(jīng)計(jì)算，涌斯江電站最大水頭時水輪機(jī)出力約為5.7MW，最小水頭時水輪機(jī)出力約為4.0MW，該電站裝機(jī)臺數(shù)可以考慮1臺或2臺。設(shè)置涌斯江生態(tài)流量電站的目的主要有兩個方面的作用，一是充分利用下泄生態(tài)流量發(fā)電；二是當(dāng)庫區(qū)洪水未超過20年一遇時，開閘泄洪，減輕庫區(qū)回水對上游的影響，起到部分分洪的作用。由于涌斯江電站裝機(jī)容量小，且電站樞紐主要建筑物還有5孔泄洪沖沙閘、魚道等。因此即使電站的機(jī)組檢修時停機(jī)斷流，還可以從泄洪沖砂閘下泄生態(tài)流量，以滿足河道保持生態(tài)的流量要求。故涌斯江生態(tài)電站采用1臺機(jī)方案。該電站最大水頭7.0m,最小水頭5m，加權(quán)平均水頭6.73m，額定水頭5m。在滿足環(huán)保流量90m3/s的前提下，對全部運(yùn)行水頭范圍內(nèi)各特征水頭進(jìn)行計(jì)算，該生態(tài)機(jī)組的參數(shù)選擇應(yīng)以水輪機(jī)最小水頭5m時的出力4.0MW，計(jì)算出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為3.6m；水輪機(jī)的容量按最大水頭7m時的出力5.4MW計(jì)。涌斯江生態(tài)電站的機(jī)組主要參數(shù)：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑3.6m，額定流量90m3/s，發(fā)電機(jī)額定功率5.4MW，水輪發(fā)電機(jī)組為燈泡貫流式。5.3毛兒蓋生態(tài)電站毛兒蓋水電站位于四川省黑水縣~茂縣黑水河流域，水庫壩址位于河口下游1.2km，是黑水河中游的〃龍頭水庫”，水庫具有年調(diào)節(jié)能力，電站采用混合開發(fā)方式，引水隧洞長約16.15km。根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局對該電站環(huán)境影響報(bào)告書的批復(fù)，為保護(hù)水庫運(yùn)行期壩后減水河段的生態(tài)環(huán)境，電站必須下泄不小于5.2m3/s的生態(tài)流量。為充分利用下泄生態(tài)流量的動能，設(shè)置生態(tài)小機(jī)組，電站裝機(jī)容量為5MW。該電站最大水頭133.68m，最小水頭63.68m，加權(quán)平均水頭116.29m，額定水頭115.0m，電站引用流量即為最小下泄流量5.2m3/s。根據(jù)以上基本動能資料分析，電站最大最小水頭之比為2.09，最大水頭與額定水頭之比1.162，變幅很大，在全部水頭運(yùn)行范圍，單機(jī)出力范圍為2.688-5.644MW,運(yùn)行范圍變幅也很大。一個機(jī)組在如此寬廣的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)能否安全、穩(wěn)定運(yùn)行，需要非常謹(jǐn)慎地考慮水輪機(jī)參數(shù)的選擇。根據(jù)機(jī)組水頭運(yùn)行的特點(diǎn)可以考慮兩種參數(shù)選擇方案。根據(jù)水庫水位變化的特點(diǎn)，1月中旬到7月中旬，水頭變化范圍為63.68~102.0m,7月中旬到次年1月中旬，水頭變化范圍為102.0~133.68m。按照這兩種不同的電站水頭運(yùn)行規(guī)律分別選適合該水頭段的轉(zhuǎn)輪，