低水頭水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)的思考

1、低水頭水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)的思考RSS打印復(fù)制鏈接大中小發(fā)布時(shí)間：2011-05-0914:31:44摘要：低水頭水電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜，本人根據(jù)幾年來的工作實(shí)踐對(duì)于其規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析總結(jié)。關(guān)鍵詞：低水頭水電站，規(guī)劃設(shè)計(jì)，總結(jié)。1、序言現(xiàn)在隨著各地水電開發(fā)的深入，各地都在充分開發(fā)利用大流域的水力資源建設(shè)低水頭電站，而低水頭電站由于其流域集雨面積大，一般位于流域的中下游河谷平原，工程涉及面較廣，同時(shí)設(shè)計(jì)水頭較低（一般水頭范圍為3-15m）,所以其水力資源開發(fā)有其自身的特殊情況，規(guī)劃設(shè)計(jì)工作相對(duì)比高水頭電站復(fù)雜，如何開展合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作是個(gè)值得研究的問題。本人根據(jù)這幾年的低水頭水電站工程的規(guī)劃

2、設(shè)計(jì)工程實(shí)踐，從流域水力資源規(guī)劃、水能開發(fā)方式、攔河壩壩型選擇、裝機(jī)規(guī)模論證、水輪發(fā)電機(jī)組選型這五個(gè)方面進(jìn)行分析總結(jié)后形成了本次技術(shù)論文。2、低水頭電站規(guī)劃設(shè)計(jì)總結(jié)2.1流域水力資源規(guī)劃梯級(jí)電站的布局流域水力資源規(guī)劃主要應(yīng)該與本地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、國(guó)土利用規(guī)劃、城市建設(shè)規(guī)劃和流域綜合規(guī)劃相協(xié)調(diào)，流域水力資源規(guī)劃主要涉及到梯級(jí)電站的布局，而梯級(jí)電站布局關(guān)鍵是各級(jí)電站壩址位置的選擇，電站壩址位置的選擇具體來講，既要考慮到上下兩級(jí)電站水位銜接問題，又要考慮到該壩址位置的選擇對(duì)于上游兩岸城鎮(zhèn)、農(nóng)村防洪影響及耕地的淹沒，在以上因素兼顧的前提下，各級(jí)電站壩址的位置盡量往下游移動(dòng)，以減少引水渠道或尾水疏

3、浚的長(zhǎng)度，提高電站水頭利用的穩(wěn)定性，并節(jié)省工程投資。梯級(jí)電站水位的銜接梯級(jí)電站里上游電站的尾水位與下游電站正常蓄水位的關(guān)系是流域水力資源規(guī)劃的核心問題。而低水頭電站一般機(jī)組裝機(jī)臺(tái)數(shù)為2-6臺(tái)，相應(yīng)的上游電站由于有正常尾水位、平均尾水位、加權(quán)平均尾水位、最低尾水位等幾種水位，而下游電站有以正常蓄水位、活動(dòng)壩起翻水位等。另外，根據(jù)實(shí)際工作情況來看，有的地方考慮上游正常尾水位與下游正常蓄水位銜接的方案，有的地方考慮上游平均尾水位與下游正常蓄水位銜接的方案，有的地方考慮上游加權(quán)平均尾水位與下游正常蓄水位銜接的方案，有的地方考慮上游最低尾水位與下游正常蓄水位銜接的方案，所以上游兩級(jí)電站水位如何銜接是個(gè)應(yīng)

4、該仔細(xì)分析的技術(shù)問題。根據(jù)多年大流域低水頭電站規(guī)劃設(shè)計(jì)工作實(shí)踐來看，本人認(rèn)為采用上游加權(quán)平均尾水位（2/3正常發(fā)電流量時(shí)尾水位）與下游正常蓄水位銜接方案作為梯級(jí)電站水位分配原則為妥。這樣既有利于上級(jí)電站水力資源的充分利用，又有利于減少上下級(jí)區(qū)間兩岸的淹沒政策處理工作難度。水力水位銜接通過天然河道水面回水曲線程序進(jìn)行水位推算，推算前應(yīng)對(duì)沿程河床斷面進(jìn)行測(cè)量，斷面間隔根據(jù)河床坡降情況一般取在200-1000m之間，在利用天然河道水面回水曲線程序時(shí)最好利用現(xiàn)狀實(shí)測(cè)的水面線進(jìn)行相關(guān)主要參數(shù)的擬合后再進(jìn)行水位推算，同時(shí)根據(jù)所計(jì)算的成果，最好留有0.1-0.2m左右余度，以保證上下游兩級(jí)電站的正常運(yùn)行。2

5、.2、電站水能開發(fā)方式對(duì)于低水頭電站而言，由于一般處于流域中下游的平原地帶，其水能利用主要有常規(guī)的引水式、河床式以及結(jié)合下游河道疏浚的特殊河床式三種開發(fā)方案，各個(gè)電站的水能開發(fā)采用何種開發(fā)方式既要考慮到工程層因素，又要考慮蓄水淹沒等政策處理因素，而政策處理等社會(huì)因素現(xiàn)在已越來越成為水能開發(fā)方式的決定式因素，總之最后水能開發(fā)方式的選用是一個(gè)綜合權(quán)衡工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)后的結(jié)果。根據(jù)這幾年來的工程實(shí)踐來看，常規(guī)引水式水能開發(fā)方案一般適用于局部走向呈“U”型的河流或原歷史已建引水渠道的老電站改造，此時(shí)可考慮在“U”型兩頂端通過布置較短的引水渠道集中落差進(jìn)行水力資源利用，相應(yīng)的工程投資及政策處理工作也比

6、較簡(jiǎn)單；而常規(guī)的河床式水能開發(fā)方案一般適用于壩址上游水能較為集中而下游河段較為平緩的河流；而大部分較為順直的山區(qū)性河流上新建電站的水能開發(fā)則比較適用于采用結(jié)合下游河道疏浚的特殊河床式水能開發(fā)方式。因?yàn)橐话爿^為順直的山區(qū)性河流上采用引水式方案的話，則引水渠道及前池等工程投資較大；并且引水渠道等今后每年都存在維護(hù)、管理問題,相應(yīng)地存在廠、壩區(qū)之間的斷流問題，存在對(duì)區(qū)間的生態(tài)環(huán)境影響問題；另外引水式開發(fā)占用土地及河床灘地面積均較大，相應(yīng)的河道占用費(fèi)及土地占用補(bǔ)償費(fèi)用較大，相應(yīng)政策處理工作困難。但是采用普通的河床式開發(fā)方案，水頭落差一般比引水式方案低很多，雖然工程投資較省，但工程整體效益一般。而采用結(jié)

7、合河道疏竣的河床式開發(fā)方案,其與引水式方案相比，不僅可以取得相同的水頭落差，電站的綜合效益相差不大，而且工程可比性投資卻節(jié)省較多，整個(gè)工程的政策處理工作變得簡(jiǎn)單，所以一般考慮推薦采用結(jié)合下游河道疏竣的河床式開發(fā)方案這樣既可以達(dá)到增加電站水頭的目的，又節(jié)省了引水渠道、前池等工程投資，又減少了占用土地及河灘地的面積，相應(yīng)地減少河道水域占用補(bǔ)償費(fèi)用，相應(yīng)電站政策處理工作變得簡(jiǎn)單。當(dāng)然采用結(jié)合河道疏竣的河床式開發(fā)方案，也要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，要考慮河流的自然沖淤規(guī)律。2.3、攔河壩壩型選擇在一般平原建設(shè)低水頭電站，為了洪水期不淹沒上游兩岸民房、沿岸公路以及不遷移人口，以減少上游淹沒損失，而平時(shí)又能適當(dāng)抬高水

8、位增加發(fā)電效益，因此一般低水頭電站攔河壩均采用活動(dòng)壩形式，而現(xiàn)在主要活動(dòng)壩有橡膠壩和水力自控翻板壩兩種。根據(jù)這幾年的實(shí)際工程實(shí)踐總結(jié)來看，橡膠壩優(yōu)點(diǎn)：跨度大，過水能力較大，可坍壩，相對(duì)洪水影響小，對(duì)下游的沖刷力較小，壩袋也比較美觀，漏水量相對(duì)較少，并且水位可控制運(yùn)行。橡膠壩缺點(diǎn)：抗沖擊能力和抗磨損能力較差，相對(duì)耐久性較差，易老化、易破壞、需要專門的充水設(shè)備與值班操作管理人員，運(yùn)行管理相對(duì)要求較高，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且運(yùn)行管理費(fèi)用較高、投資也相對(duì)較大（造價(jià)相對(duì)于翻板壩高出1540%）。而水力自控翻板壩的優(yōu)缺點(diǎn)剛好與橡膠壩相反，翻板壩優(yōu)點(diǎn)：無人操作，自動(dòng)運(yùn)行、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便、運(yùn)行管理成本較低，壽命

9、較長(zhǎng)，運(yùn)行費(fèi)用低，并且近年來已發(fā)展出液壓控制翻板門，大大豐富了翻板壩的應(yīng)用范圍。翻板壩缺點(diǎn)：洪水影響略大，漏水量相對(duì)較大，密封性相對(duì)較差，美觀性方面略差于橡膠壩。經(jīng)過綜合分析，在今天市場(chǎng)來講，兩者工程投資相差不大，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單地排斥那個(gè)方案,相對(duì)來講翻板壩比較適合山區(qū)性河流，而橡膠壩比較適合對(duì)景觀有所要求的城鎮(zhèn)附近平原性大流域河流，并且對(duì)單位運(yùn)行管理能力要求相對(duì)較高。根據(jù)這幾年來的實(shí)際工程運(yùn)用上來看，水力自控翻板門的應(yīng)用越來越廣泛，也出現(xiàn)了可人為控制關(guān)閉的液壓水力自控翻板壩，所以如果防洪能力滿足要求，還是選用翻板閘門相對(duì)較好的。兩種活動(dòng)壩的固定壩頂高程均要求略高于上游灘面平均高程0.

10、30.5m左右，并且對(duì)于上游的灘面應(yīng)進(jìn)行清理平整處理，以保證活動(dòng)壩的正常運(yùn)用。2.4、電站裝機(jī)規(guī)模論證由于中高水頭電站可以搶發(fā)豐水期或洪水期電能，而低水頭電站裝機(jī)規(guī)模有其自身特殊性，即其電站設(shè)計(jì)水頭一般為3-15m左右，豐水期或洪水期時(shí)由于其尾水位上升而導(dǎo)致機(jī)組偏離正常工況區(qū)而不能搶發(fā)豐水期或洪水期電能，所以其裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)一般比中高水頭電站略為偏大，根據(jù)現(xiàn)在的區(qū)域電價(jià)水平和流域水文豐枯情況，一般低水頭電站的裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)控制在3000-4500小時(shí)為好，過大的裝機(jī)水平由于洪水期電站不低搶發(fā)電能而導(dǎo)致設(shè)備出力閑置。當(dāng)然，在電站裝機(jī)規(guī)模的水能分析計(jì)算程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合低水頭電站的實(shí)際情況，將

11、上下游的水位流量關(guān)系曲線送入程序，由電站程序進(jìn)行逐時(shí)判別，當(dāng)電站可利用水頭低于設(shè)計(jì)水頭的60%時(shí)則停止電站發(fā)電，這樣設(shè)計(jì)的模型才是很安全工程實(shí)際的，否則容易陷入中高水頭電站的裝機(jī)容量越大電站效益越好的怪圈。電站裝機(jī)規(guī)模論證時(shí)，電站設(shè)計(jì)水頭應(yīng)以上下游加權(quán)平均水位進(jìn)行分析計(jì)算，即以庫(kù)區(qū)正常消落深度的2/3處水位作為上游加權(quán)平均水位，而下游則以2/3正常發(fā)電流量時(shí)的尾水位作為電站下游加權(quán)尾水位，另外再考慮引水系統(tǒng)水頭損失后最終才確定出電站的設(shè)計(jì)水頭，而不宜以上下游的正常水位來確定電站設(shè)計(jì)水頭，這樣不利于今后電站其他各種運(yùn)行工況的兼顧。低水頭電站的裝機(jī)規(guī)模論證應(yīng)進(jìn)行全方位的可比性分析，從機(jī)組臺(tái)數(shù)上來說

12、，一般宜結(jié)合電站樞紐布置安排3-6臺(tái)為好，沒有特殊情況不宜采用2臺(tái)裝機(jī)方案，同時(shí)也應(yīng)重點(diǎn)分析比較采用多臺(tái)低壓機(jī)組方案還是臺(tái)數(shù)少點(diǎn)的高壓機(jī)組方案，機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇也要考慮到上游電站的機(jī)組臺(tái)數(shù)配合后再選擇3-4個(gè)最現(xiàn)實(shí)可比性方案進(jìn)行重點(diǎn)分析論證。對(duì)于各方案的可比性投資方面應(yīng)對(duì)主要機(jī)組設(shè)備和起重機(jī)、檢修閘門等輔助設(shè)備以及廠房上部和基礎(chǔ)土建投資進(jìn)行詳細(xì)地可比分析，特別是分析不同的裝機(jī)方案由于其水輪機(jī)規(guī)格的不同，一方面帶來廠房平面尺寸不同，一方面機(jī)組吸出高度不同帶來的基礎(chǔ)土建投資區(qū)別，另一方面相關(guān)機(jī)電設(shè)備投資的差異變化。同時(shí)也運(yùn)用電能計(jì)算程序?qū)τ谄浒l(fā)電效益進(jìn)行分析，最后通過差異投資內(nèi)部收益率以及綜合權(quán)衡運(yùn)

13、行管理等其他因素進(jìn)行最終方案的取舍。在機(jī)組的規(guī)模論證時(shí)應(yīng)注意“低壓機(jī)組喜好傾向”，一般中小型的工程勘測(cè)設(shè)計(jì)單位可能簡(jiǎn)單認(rèn)為低壓機(jī)組由于保護(hù)控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單、投資較為節(jié)省而比較傾向采用多臺(tái)低壓機(jī)組的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，這種思路在3000kw以下的電站中可能是比較合理的，但在3000-5000kw的電站中可能就有其一定的偏面性了，3000-5000kw的電站中雖然采用低壓電站其機(jī)電設(shè)備投資略為減少，但廠房的建筑工程投資由于其建筑面積增多而較大增加，并且采用大容量機(jī)組的效率較低壓小機(jī)組略高，總體而言采用高壓機(jī)組方案較為有利，不過具體的方案也應(yīng)進(jìn)行具體地分析。當(dāng)電站裝機(jī)容量在5000kw以上的則比較明顯應(yīng)采

14、用高壓機(jī)組方案為宜。但采用高壓機(jī)組時(shí)也并非機(jī)組臺(tái)數(shù)越小越好，如我們?cè)谡撟C某地一只低水頭電站時(shí)，采用了2X2000kw、3X1600kw、2X2500kw這三個(gè)不同裝機(jī)規(guī)模進(jìn)行動(dòng)能經(jīng)濟(jì)可比性分析比較，最后因2X2500kw方案相關(guān)的機(jī)電設(shè)備投資和基礎(chǔ)土建投資增大較多相應(yīng)增加投資部分效益較差而選用了3X1600kw方案，因此也不能一概而論高壓機(jī)組臺(tái)數(shù)越小越好，這與正常認(rèn)為機(jī)組臺(tái)數(shù)越小廠房土建投資節(jié)省幾間土建投資而機(jī)電設(shè)備差不多的簡(jiǎn)單化想法存在實(shí)際的差別，應(yīng)引起重點(diǎn)注意。2.5、水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備選型水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備選型工作是低水頭電站規(guī)劃設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容之一，水輪發(fā)電機(jī)組選型應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較

15、后選取。機(jī)組選型比較時(shí)不僅應(yīng)考慮機(jī)組設(shè)備的投資變化，還應(yīng)結(jié)合電站廠房的水工布置實(shí)際和水輪機(jī)汽蝕性能的好壞對(duì)廠房基礎(chǔ)土建投資進(jìn)行仔細(xì)比較，并考慮兩套方案之間的效率區(qū)別，最后通過水能計(jì)算程序比較電能區(qū)別后再進(jìn)行綜合選取。低水頭段水輪機(jī)主要機(jī)型有貫流式和軸流式兩種，相對(duì)來講兩者主廠房土建投資接近，但采用貫流式水輪機(jī)比軸流式水輪機(jī)設(shè)備投資增加較多，而貫流式機(jī)組的效率比軸流式機(jī)組略低所以綜合考慮，一般情況下低水頭電站水輪機(jī)采用軸流式機(jī)組方案為妥。當(dāng)電站設(shè)計(jì)水頭低于6m、轉(zhuǎn)輪直徑不大于1.6m時(shí)，由于機(jī)組單機(jī)容量較小，可考慮采用明槽、內(nèi)調(diào)結(jié)構(gòu)的水輪機(jī)，以節(jié)省水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)備投資。但當(dāng)電站設(shè)計(jì)水頭大于6m

16、、轉(zhuǎn)輪直徑大于1.6m時(shí)，雖然明槽、內(nèi)調(diào)結(jié)構(gòu)的水輪機(jī)價(jià)格較低，但考慮到所選的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑已經(jīng)較大，并且明槽結(jié)構(gòu)容易在槽內(nèi)產(chǎn)生旋渦水頭損失，另外進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的環(huán)量相對(duì)不足，對(duì)水輪機(jī)的效率略有影響，并且明槽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)頂蓋長(zhǎng)期容易磨損、環(huán)向拉桿容易松動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性較差，所以水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)宜考慮采用混凝土蝸殼、外調(diào)結(jié)構(gòu)形式。常規(guī)臥式發(fā)電機(jī)組選型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只需各自按常規(guī)選取即可，而立式軸流水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)備選型與臥式發(fā)電機(jī)組不同，如果采用圓筒式封閉機(jī)墩時(shí)，還有個(gè)今后機(jī)組的檢修問題，即水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、頂蓋和發(fā)電機(jī)的配合問題，應(yīng)加以特殊考慮。具體來講就是發(fā)電機(jī)下機(jī)架牛腿內(nèi)徑應(yīng)略大于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，發(fā)電機(jī)上機(jī)架牛腿外徑應(yīng)略大于水輪機(jī)頂蓋外徑，確實(shí)配合相關(guān)太大時(shí)，可考慮在圓筒發(fā)電機(jī)上機(jī)架牛腿之間開挖一定寬度的內(nèi)槽供今后取水輪機(jī)頂蓋用。但是如