肖建軍，錢 圣，康愛卿

(1.湖南省懷化市水利電力勘測設計研究院，湖南 懷化 418000；2.湖南省懷化市水利電力咨詢監(jiān)理有限公司，湖南 懷化 418000；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

0 引 言

目前，我國已建成中小水電站45 000多座，裝機容量達73 000 MW，年發(fā)電量達2 200多億kWh，超過了全國水電發(fā)電量的1/5[1]。由于受當時科技和經(jīng)濟條件的限制，加之運行時間長，早期建成的眾多中小型水電站均已出現(xiàn)技術(shù)水平落后、設備老化、能效逐年衰減等諸多問題。這不僅未能充分利用寶貴的水資源，而且存在諸多安全隱患[1]。鑒于此“十三五”規(guī)劃期間我國大力推進中小型水電站增效擴容改造[2]。隨著增效擴容項目的不斷推進，我國在該工程技術(shù)領域積累了一定的工程經(jīng)驗，如葉永等人[3]以三背河水電站增效擴容改造為例，分析探討了一庫多站式水電站增效擴容改造，提出了充分發(fā)揮龍頭水庫的調(diào)節(jié)作用，使水庫下游多級電站效益最大化的設計思路；田婭娟等人[4]分析了小型水電站水輪機存在的主要問題，提出了水輪機增效擴容改造的基本步驟和優(yōu)化設計方法；徐錦才等人[5]介紹了機組增容改造的方法和實際應用中應注意的問題；薛鵬等人[6]將中小型水電站的改造工作進行了分類研究，認為水輪機通過合理技術(shù)改造，可以達到提高效率、增加出力、提高運行穩(wěn)定性等目的；彭忠年等人[7]應用現(xiàn)代計算機轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設計技術(shù)對爽島水電站機組進行了技術(shù)改造有效地提高了水輪機的效率和出力；中國水利水電科學研究院機電所研發(fā)了一種高性能混流式水輪機轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化設計程序[8]，并利用該程序?qū)δ县S水電站水輪機重新進行了設計和研制，達到了增效擴容的目的；周艷輝等人[9]針對水府廟水電站原水輪機在設計和性能方面的缺陷對其進行了改造，改造后的水輪機出力及運行穩(wěn)定性得到了顯著提高。

綜上可見，目前中小水電增效擴容的關鍵技術(shù)研究多聚焦于發(fā)電機組的優(yōu)化，鮮有對原建筑結(jié)構(gòu)形式進行改造。然而，早期建成的電站其結(jié)構(gòu)形式或多或少的存在缺陷，特別是進水口的布置，易堵塞、水頭損失大制約電站出力。針對這一問題，本文結(jié)合衡陽白漁潭電站增效擴容項目，提出了一種優(yōu)化發(fā)電機組結(jié)合電站進水口改造，使電站增效擴容效益最大化的新思路。

1 工程概況

白漁潭水電站位于湖南省衡陽市東北部耒水下游，距耒水入湘江口15.7 km，系耒水梯級開發(fā)的最后一級，工程以發(fā)電為主，兼管航運。壩址以上流域面積11 170 km2，多年平均流量310 m3/s，多年平均徑流量97.76 億m3。水庫正常蓄水位為58.00 m(吳淞高程)，汛期限制水位58.00 m，死水位57.00 m，設計洪水位64.36 m，校核洪水位65.95 m，正常蓄水位以下庫容為0.36 億m3，有效庫容0.1 億m3，總庫容2.65 億m3，為日調(diào)節(jié)水庫。電站總裝機現(xiàn)狀14.4 MW，多年平均發(fā)電量0.620 0 億kWh[10]。電站建成于20世紀60年代，鑒于當時各方面條件的限制，整個工程是在邊勘察、邊設計、邊施工的情況下完成的，是一個典型的“三邊工程”。電站主要存在以下幾個問題，①經(jīng)過多年運行機組設備已基本接近使用壽命，老化嚴重；②原電站進水口攔污柵布置不合理，導致清污難度大，易堵塞，水頭損失大，嚴重制約電站出力；③2000年后，湘江大源渡電站發(fā)電后，抬高了本站的下游水位。現(xiàn)狀機組與原設計水頭不匹配，機組效率低。為此對白漁潭電站進行增效擴容改造勢在必行。

2 改造方案

2.1 攔污柵水頭損失計算方法選擇

攔污柵水頭損失hw工程界一般采用公式(1)開司其曼公式進行計算[11-14]，而關于水流阻力系數(shù)的計算，有兩種主流算法即公式(2)開司其曼公式，和公式(3)布爾可夫——丘津娜公式。

hw=ζv2/2g

(1)

ζ=βsinα(δ/b)4/3

(2)

(3)

式中：v為柵前流速；ζ為水流阻力系數(shù)；δ為柵條厚度；b為柵條凈間距；α為柵面與水平面的夾角；β為柵條斷面形狀系數(shù)；CV為流速系數(shù)；Cp為攔污柵結(jié)構(gòu)遮擋系數(shù)(遮擋面積/設計面積)；Cs為側(cè)收縮系數(shù)；C為水流沖擊系數(shù)。

分析不難發(fā)現(xiàn)，公式(2)僅考慮攔污柵結(jié)構(gòu)形式對水頭損失的影響，對于攔污柵阻塞的情況該公式顯然是不合適的。公式(3)考慮了阻塞因素，比較符合攔污工作的實際。新疆水利水電勘測設計研究院鐵漢曾采用兩個公式對同一項目進行計算，其得出的結(jié)論也是布爾可夫——丘津娜公式更符合實際[15]故本文采用公式(3)進行計算。

2.2 進水口改造方案

白漁潭電站，現(xiàn)狀8個進水口前各設一個獨立的半八邊形籠形攔污柵單扇攔污柵高12.5 m，寬2.42 m。見圖1、圖3。

圖2 改造后攔污柵布置圖(單位：mm)Fig.2 Trashrack laout after renovation

圖3 改造前后攔污柵平面布置圖(單位：mm)Fig.3 Trashrack laout before and after renovation

由于河道污物較多，人工清污后效果持續(xù)性差，近年來柵前、后水位差常年維持在0.3 m左右，導致電站出力受到嚴重制約。因此，本次擬將原8個獨立的半八邊形籠形攔污柵進行拆除，在其上游4 m處新建回旋式攔污柵。改造后的攔污柵由回旋式清污機系統(tǒng)和攔污柵支撐框架組成。支撐體系由水下灌注樁、攔污柵墩、攔污柵墩與原壩體以及墩與墩之間的鋼連接體系組成，改造后的8個進水口整體位于攔污柵之后(見圖4)。

2.3 進水口改造效果分析

單機額定引用流量為53.5 m3/s，總引用流量為428 m3/s，取壩前水位為正常蓄水位，改造前過柵總面積為580 m2，改造后的過柵面積為705 m2，根據(jù)攔污柵不同阻塞率的情況對比改造前后水頭損失情況。由于改造后可以通過清污機進行清污，故取阻塞率為0。

改造前后攔污柵均垂直布置α=9°，柵條厚10 mm，凈間距為150 mm，通過計算得到各改造前后攔污柵水頭損失隨阻塞率變化的情況見表1和圖5。

圖4 改造后攔污柵支撐體系Fig.4 Trash support system after reconstruction

表1 改造前后各阻塞率水頭損失對比表Tab.1 Comparison of head loss of each blocking rate before and after transformation

圖5 改造前后各阻塞率水頭損失對比圖Fig.5 Comparison of head loss of each blocking rate before and after transformation

分析表1和圖5不難發(fā)現(xiàn)，在流量一定的情況隨著阻塞率的不斷增加，水頭損失系數(shù)急劇增大，水頭損失也不斷增大，當阻塞率達到45%時改造前的攔污柵水頭損失高達0.345 m。如果考慮河道的水流行進流速，水頭損失將進一步增大。水頭損失的增加，勢必使得柵前雍水增大，雍水增大，將會增加溢流壩過流量，導致電站出力不足。如果只有部分機組發(fā)電，由于水流在攔污柵后互相補充，當攔污柵的某一部分被堵塞后，其他部分仍可以過水，相比原進水口獨立攔污柵結(jié)構(gòu)其水頭損失將進一步減小，改造后的效益將更加明顯。

2.4 裝機容量的選擇

經(jīng)水文及水頭復核，受下游電站頂托影響電站平均水頭為5.2 m。最大水頭8 m，最小水頭3 m。電站運行現(xiàn)狀的基本參數(shù)是根據(jù)電站提供的2001-2014年電站運行統(tǒng)計資料分析計算所得，機組增容改造按初擬8×2 000 kW、8×2 200 kW、8×2 500 kW三個方案進行水能計算比較見表2。

由表2可見，方案Ⅱ較方案Ⅰ年新增電能267 萬kWh，工程總投資增加793.2萬元，增加部分投資回收年限為9.11年，差額內(nèi)部收益率為8.23%，大于社會折現(xiàn)率8%；方案Ⅲ較方案Ⅱ年新增電能115 萬kWh。工程總投資增加461.7萬元，增加部分投資回收年限為12.31年，內(nèi)部收益率為6.09%，小于社會折現(xiàn)率8%。因此方案Ⅱ的水能技術(shù)經(jīng)濟指標明顯優(yōu)于其他兩個方案。因此推薦選用方案Ⅱ，亦即將現(xiàn)有的單機容量，增容至單機容量為2 200 kW，總裝機容量為17 600 kW。

表2 水能計算方案成果對比表Tab.2 Comparison table of water energy calculation plan results

2.5 機電改造

8臺水輪發(fā)電機組進行部分更新改造，1～8號機組包括水輪機轉(zhuǎn)輪、導水機構(gòu)、發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子線圈等；更新1～7號機勵磁裝置；更新機組自動化元件及控制系統(tǒng)。更新6臺調(diào)速器及8臺油壓裝置。全廠公用輔助設備系統(tǒng)進行部分更換及增設，并配備控制監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括中、低壓氣系統(tǒng)及管路、供水系統(tǒng)及管路更換、排水系統(tǒng)及管路更換、消防系統(tǒng)及管路更換、更換及增設部分量測元件。相應的廠用變壓器、工業(yè)變壓器、高壓柜、低壓柜進行配套改造。

3 施工方案及效益分析

3.1 施工方案

根據(jù)現(xiàn)場情況，如采用圍堰施工，修筑圍堰代價較大，施工難度大，可行性小，且影響電站正常發(fā)電。目前國內(nèi)水下混凝土制造技術(shù)和施工技術(shù)較為成熟。因此，本文考慮在鋼護筒圍堰內(nèi)進行水下基礎打樁，在鋼護筒圍堰內(nèi)澆筑水下鋼筋混凝土墩，然后進行鋼結(jié)構(gòu)支承架施工。主要方案如下：

以改造后的攔污柵墩中線為中心，左右兩側(cè)各 2.5 m 處打入Ф 630 mm 厚10 mm 鋼管樁搭設鋼棧橋，在棧橋面安裝鉆機，沖擊鉆孔。汽車吊固定在鋼棧橋面形成吊裝平臺，利用該平臺將用于攔污柵墩施工的圓形鋼圍堰垂直打入河底，在圓形鋼圍堰內(nèi)進行施工。在澆筑混凝土之前埋設橫向預留鋼板、清污機滑槽縱向預留鋼板。在墩柱橫向兩側(cè)面用自制槽鋼焊接，做成固定攔污柵框槽架。

3.2 施工工藝流程

施工準備→測量放樣→搭設汽車鋼棧橋→搭設鉆孔平臺→埋設鋼護筒→鉆孔樁施工→導流墩施工→鋼構(gòu)件固定→裝?！炷翝仓沏@機→……→拆除鋼棧橋。

3.3 效益分析

經(jīng)過改造原裝機從14.4 MW增至17.6 MW，電站多年平均發(fā)電量由6 200 kWh提高到7 845 kWh，增幅達26.5%。發(fā)電效益增幅可觀。水量利用系數(shù)又現(xiàn)狀的65%提高到81.2%，大幅提高了水資源利用效率。通過相應配套設備的更新改造，機組運行更加安全可靠，電站設備的自動化水平大幅提高，運行成本降低。另外通過進水口攔污柵的改造，徹底解決了原電站攔污柵阻水嚴重、清污不便、電站出力受限等系列問題。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合衡陽白漁潭電站增效擴容實踐，分析了進水口攔污柵水頭損失的特征，對電站進水口進行了改造，并介紹了進水口改造相關施工工藝。電站建成至今運行可靠、效益可觀。本文豐富了中小電站增效擴容方法，對后續(xù)電站的增效擴容提供了一種新思路，并為類似工程的實施提供了可靠經(jīng)驗。