□趙 磊 杜 平
門(mén)子哨水電站位于潘家口水庫(kù)末梢,尾水受庫(kù)水位頂托影響較大,水能計(jì)算呈現(xiàn)出豐水年發(fā)電量較小,平水年發(fā)電量多于豐水年,而枯水年發(fā)電量較大的特點(diǎn),越是豐水年水庫(kù)水位越高,電站發(fā)電水頭越小,甚至為負(fù)水頭,致使電站發(fā)電量較小,甚至不能發(fā)電。門(mén)子哨水電站廠房、廠區(qū)按20年一遇洪水設(shè)計(jì),50年一遇洪水校核。結(jié)合本工程實(shí)際情況,通過(guò)水能分析和計(jì)算研究,確定了裝機(jī)推薦方案和工程布置方案,旨在為類(lèi)似工程提供參考。
門(mén)子哨水電站位于潘家口水庫(kù)庫(kù)區(qū)末梢興隆縣境內(nèi)灤河上,利用水庫(kù)低水位運(yùn)行期,集中灤河水頭落差發(fā)電,屬低水頭電站。該電站開(kāi)發(fā)河段自柳河入灤河口至門(mén)子哨村第一個(gè)彎道末端,開(kāi)發(fā)河段約10km,集中落差約14.5m。電站引水樞紐上游設(shè)計(jì)水位222.5m,電站下游河道水位受水庫(kù)蓄水位影響,可開(kāi)發(fā)利用水頭約11.87m。電站裝機(jī)容量4600kW,設(shè)3臺(tái)大小機(jī)組(1000kW+1600kW+2000kW),多年平均發(fā)電量1249.5萬(wàn)kW·h,裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)2716h。
表1 水能計(jì)算成果表
表2 安裝間不同高程時(shí)四種方案投資對(duì)比表 單位:萬(wàn)元
結(jié)合本工程實(shí)際情況,電站水能計(jì)算按常規(guī)典型年法進(jìn)行計(jì)算已失去意義,不能準(zhǔn)確反映電站發(fā)電情況?;诖?,電站水能計(jì)算采取根據(jù)潘家口水庫(kù)站址處25年(1991~2015年)逐日入庫(kù)平均流量、平均庫(kù)水位和電站下游尾水位與流量關(guān)系曲線,逐年逐日進(jìn)行計(jì)算。初步選定3個(gè)裝機(jī)容量方案,即方案1裝機(jī)3850kW(1000kW+1250kW+1600kW)、方案 2裝機(jī) 4600kW(1000kW+1600kW+2000kW)、方案3裝機(jī) 5100kW(1000kW +1600kW +2500kW),并針對(duì)這3個(gè)裝機(jī)容量方案,分別計(jì)算電站多年平均年發(fā)電量、裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)、加權(quán)平均水頭及水能利用率等。
電站日出力按下式計(jì)算:
式中:
N—日平均出力(kW),計(jì)算時(shí),出力小于500kW的舍棄,出力大于裝機(jī)容量的取裝機(jī)容量值;
k—綜合出力系數(shù),水頭低于8m時(shí)取k=7.0,8m以上取k=8.0;
Q—日引用流量(m3/s),流量大于裝機(jī)額定流量的取額定流量值;水能計(jì)算時(shí),已扣除維持河道生態(tài)環(huán)境用水;考慮斷流河段較短,且水庫(kù)高水位時(shí)可回水至電站上游,河道生態(tài)環(huán)境用水約取日平均流量的5%;
H—凈水頭(m),H=Z前-Z尾-h損;式中Z前為前池正常蓄水位,Z前=222.0m;Z尾為下游尾水位,比較庫(kù)水位和根據(jù)下游水位與流量關(guān)系曲線查取的尾水位,取兩者的高值;h損為水頭損失,取h損=0.5m。
電站多年平均年發(fā)電量按下式計(jì)算:
式中:
E年—多年平均年發(fā)電量(萬(wàn)kW·h);
N—日出力(kW);
T—日發(fā)電小時(shí)(h);
n—計(jì)算年數(shù),n=25年。
加權(quán)平均水頭按下式計(jì)算:
H加權(quán)=∑(H×E)/∑E
式中:
H—日發(fā)電水頭(m);
E—日發(fā)電量(kW·h)。
水能計(jì)算成果見(jiàn)表1。
以上3個(gè)方案裝機(jī)均為3臺(tái),大、小機(jī)組相組合,該選擇主要是考慮兼顧小流量發(fā)電和盡量減少棄水。根據(jù)電站發(fā)電水頭和流量,適合的水輪機(jī)型式為軸流定漿或貫流定漿。定漿水輪機(jī)穩(wěn)定出力范圍為額定出力的75~100%。因此,為了機(jī)組間出力能夠順利銜接過(guò)渡,均選擇了3臺(tái)異型機(jī)組相組合的裝機(jī)方案。根據(jù)水能計(jì)算成果,本著盡可能多利用水能發(fā)電,控制裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)在2500~3000小時(shí)之間。方案3雖發(fā)電量較多,但較方案2增加電量并不明顯,且電站廠房尺寸及吊車(chē)等均需按大機(jī)組選擇布置,廠房布置尺寸較大,投資較高。方案2兼顧發(fā)電量和年利用小時(shí)數(shù)較好,確定為本電站裝機(jī)推薦方案。根據(jù)《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》,設(shè)計(jì)水頭與加權(quán)平均水頭的比值應(yīng)在0.85~0.95之間選擇,由此確定電站設(shè)計(jì)水頭為10.5m。
圖1 電站布置位置圖
3.1.1 站址確定
站址選定在門(mén)子哨村北約1.3km灤河右岸,電站引水樞紐、廠房緊鄰承德市內(nèi)現(xiàn)有公路,對(duì)外交通便利,有利發(fā)展生態(tài)景觀。該段河道深槽穩(wěn)定,便于取水、沖沙和廠房等建筑物布置,工程地質(zhì)條件良好,引水隧洞較短,上游防護(hù)工程量較小。電站整個(gè)工程位于潘家口庫(kù)區(qū),不涉及永久征地,初步確定站址選定在門(mén)子哨村北河段。電站布置位置見(jiàn)圖1。
3.1.2 安裝間高程選擇
水電站廠房、廠區(qū)按20年一遇洪水設(shè)計(jì),50年一遇洪水校核,根據(jù)本工程地形條件,為了合理確定安裝間高程,初擬以下4種方案:方案1安裝間高程同發(fā)電機(jī)層地面高程(215.15m),與廠區(qū)間設(shè)混凝土連接路,連接路臨河側(cè)設(shè)漿砌石防洪墻;方案2安裝間高程按10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)(220.09m),與廠區(qū)間設(shè)混凝土連接路,連接路臨河側(cè)設(shè)漿砌石防洪墻;方案3安裝間高程按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)(223.12m),與廠區(qū)間設(shè)混凝土連接路,連接路臨河側(cè)設(shè)漿砌石防洪墻;方案4安裝間高程按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)(225.97m),與廠區(qū)間設(shè)混凝土連接路。以上4種方案漿砌石防洪墻、混凝土連接路和由于安裝間抬高而增加的廠房投資對(duì)比見(jiàn)表2。方案1具有管理和運(yùn)行方便的優(yōu)點(diǎn),但由于安裝間高程遠(yuǎn)低于廠房處50年一遇洪水位,需要修筑較高的防洪墻,造成防洪墻投資較大,最終該方案投資也較大。方案2雖在方案1的基礎(chǔ)上一定程度抬高了安裝間高程,降低了防洪墻高度,但由于此時(shí)防洪墻仍較高,由于安裝間抬高廠房投資也有所增加,方案2投資低于方案1。方案3在方案2的基礎(chǔ)上繼續(xù)抬高安裝間高程,有效地降低了防洪墻高度,雖然由于安裝間抬高廠房投資較方案2增加,該方案總投資相對(duì)較低。方案4不需要修筑防洪墻,連接路路基土方填筑較大,由于土方填筑單價(jià)較小,加上由于安裝間抬高廠房投資的增加,總投資比方案3略微增。但此時(shí)總廠房總高度太大,管理和運(yùn)行較為不便,不作為推薦方案。綜合以上分析,安裝間高程按方案3確較為合適,最終確定為223.45m。
門(mén)子哨水電站裝機(jī)容量4600kW,屬?。?)型水電站,工程等別為V等,主要建筑物均按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。本工程主要建筑物包括攔河壩、沖砂閘、進(jìn)水口、引水閘、引水隧洞、壓力前池,進(jìn)水閘、壓力管道、廠房及尾水建筑物等。
3.2.1 引水樞紐
引水樞紐包括攔河壩、沖砂閘、進(jìn)水口、引水閘等建筑物。
攔河壩布置于深槽,壩長(zhǎng)110m,最大壩高8.07m,正常蓄水位222.5m,分上下兩部分壩體,底部為鋼筋混凝土石料壩(壩體內(nèi)為硬巖石料,表層為鋼筋混凝土),壩頂高程218.7m,頂部為4m高橡膠壩,壩頂高程222.7m。
沖砂閘緊鄰攔河壩右側(cè)布置,閘室為開(kāi)敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),共2孔,單孔凈寬5m,底板頂面高程217.0m,閘墩頂高程223.3m。墩頂上部設(shè)排架柱、工作橋和啟閉機(jī)室。
進(jìn)水口位于河道右岸,順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)10m,鋼筋混凝土矩形槽結(jié)構(gòu),上游底高程216.0m,底寬15m,下游底高程215.4m,底寬7m。為防止河內(nèi)推移質(zhì)進(jìn)入引水隧洞,在進(jìn)口漸變段前端設(shè)攔砂坎和攔污柵。
進(jìn)水口后為涵洞式引水閘,閘室段全長(zhǎng)12m,垂直水流方向?qū)?m,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),單孔布置,凈寬7m,閘底板高程215.4m,結(jié)合河道右岸現(xiàn)狀地形,墩頂上設(shè)置豎井,豎井上布置啟閉機(jī)室。
為保證枯水季節(jié)河道不斷流,在沖砂閘和橡膠壩之間導(dǎo)流墻內(nèi),預(yù)埋泄水鋼管,設(shè)閥門(mén)井控制下泄流量,保證河道不斷流。
3.2.2 引水隧洞
引水隧洞長(zhǎng)682m,城門(mén)洞型,設(shè)計(jì)縱坡1/2000,設(shè)計(jì)水深6.98m,底寬7m,拱頂圓弧半徑4.04m,圓心角120°,隧洞總高9.02m,斷面面積59.03m2。隧洞沿線以灰?guī)r為主,未發(fā)現(xiàn)明顯斷裂破碎帶,按無(wú)襯砌隧洞設(shè)計(jì),進(jìn)出口采用0.25m厚鋼筋混凝土襯砌,洞頂進(jìn)行回填灌漿。局部巖石破碎段,開(kāi)挖后錨噴混凝土。
3.2.3 廠房及進(jìn)水建筑物
廠房及進(jìn)水建筑物包括壓力前池,進(jìn)水閘、壓力管道、廠房等。
壓力前池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)25m,上游底高程215.05m,底寬7m,下游底高程211.55m,底寬20m。
進(jìn)水閘為涵洞式,閘室長(zhǎng)10m,垂直水流方向?qū)?4m,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),共3孔,閘孔尺寸分別為5.5m×3m、6m×3.5m、4.5m×2.5m(寬×高)。閘底板高程214.55m,墩頂高程223.75m。排沙閘布置在壓力前池進(jìn)水閘底板下方,豎井式,側(cè)向進(jìn)水,后接隧洞,末端為尾水渠下游灤河。
壓力管道為鋼筋混凝土箱涵,總長(zhǎng)15.54m,矩形結(jié)構(gòu),壓力箱涵進(jìn)口底高程為214.55m。壓力管道選用單元供水,包括1臺(tái)大機(jī)組、1臺(tái)中機(jī)組和1臺(tái)小機(jī)組,3孔箱涵進(jìn)口尺寸分別于進(jìn)水閘閘孔尺寸匹配,出口底高程為206.98m,壓力管道中部為漸變段,長(zhǎng)6.9m。
廠房包括主廠房和副廠房。主廠房按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),226.3m高程以下外墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),安裝間處設(shè)鋼制防水門(mén)。主廠房長(zhǎng)39.02m,寬12.90m,廠房?jī)?nèi)布置3臺(tái)立式軸流水輪發(fā)電機(jī)組,大機(jī)組布置于中部,中、小機(jī)組分別布置于大機(jī)組左右兩側(cè),大中機(jī)組間距8.25m,大小機(jī)組間距7.75m,裝機(jī)高程208.45m,發(fā)電機(jī)層地面高程215.15m。安裝間布置于廠房左側(cè),地面高程為223.45m。
副廠房位于主廠房上游壓力管道左側(cè),長(zhǎng)29.08m,寬9.04m,分兩層布置;1層地面高程與安裝間相同,2層與廠區(qū)相通。
3.2.4 尾水建筑物
尾水建筑物包括尾水閘、尾水池和尾水渠。
尾水閘為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),與電站地下結(jié)構(gòu)為一整體。閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)5m,底板高程204.25m,墩頂高程210.95mm。尾水口尺寸自左向右依次為5.434m×3m、5.920m×3m、4.576m×3m(寬×高),3個(gè)尾水口均設(shè)鋼閘門(mén)。尾水閘末端接鋼筋混凝土尾水池。尾水池順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)14.75m,為1∶5反向坡,底高程204.25~207.20m。尾水池兩岸為鋼筋混凝土岸坡,坡比為1∶2,底部為鋼筋混凝土護(hù)底。尾水池末端接尾水渠。尾水渠渠首寬度為22.70m,渠底漸寬折向下游灤河河底。尾水渠采用岸坡式漿砌石斷面,渠底高程為207.2m,設(shè)計(jì)縱坡1/3000。
3.2.5 廠區(qū)
廠區(qū)位于攔河壩壩址下游約5.2km灤河左岸,包括主副廠房、進(jìn)廠道路等,管理房位于廠區(qū)內(nèi)。升壓占位于前池左側(cè),地面高程為227.25m,廠區(qū)內(nèi)布置1臺(tái)S11-6300/11主變及11kV出線構(gòu)架。
門(mén)子哨電站利用灤河來(lái)水發(fā)電,受上游調(diào)蓄和下游水庫(kù)的雙重影響,引水樞紐的攔蓄和泄水建筑物的洪水調(diào)度運(yùn)用初步確定“洪峰敞開(kāi)泄流,首尾攔蓄發(fā)電”的策略,具體采用以下運(yùn)用原則:
一是當(dāng)洪水流量大于電站設(shè)計(jì)流量小于一定深度時(shí),按發(fā)電要求正常引水發(fā)電,由攔河壩自由溢流下泄余水,保持壩前水位正常擋水位與最高溢流水位之間運(yùn)用,同時(shí)準(zhǔn)備開(kāi)啟沖沙閘。
二是當(dāng)洪水流量大于電站設(shè)計(jì)流量與攔河壩最大溢流流量之和時(shí),開(kāi)啟沖沙閘助泄,并在上游水位不低于正常擋水位的條件下,盡量利用沖沙閘泄流、沖砂。
三是當(dāng)洪水流量大于電站設(shè)計(jì)流量、溢流壩最大溢流流量及沖沙閘泄流能力三者之和時(shí),沖沙閘敞泄,攔河壩坍壩運(yùn)用,根據(jù)水頭電站相機(jī)發(fā)電。
四是洪峰過(guò)后,當(dāng)洪水流量小于電站設(shè)計(jì)流量、溢流壩最大溢流流量及沖沙閘泄流能力三者之和時(shí),攔河壩充壩擋水,恢復(fù)電站發(fā)電運(yùn)行。
門(mén)子哨水電站是以水電為主的綜合開(kāi)發(fā)利用工程,主要工程任務(wù)為生態(tài)式水電開(kāi)發(fā)。通過(guò)研究電站位于水庫(kù)末梢的實(shí)際情況,確定了裝機(jī)利用方案,結(jié)合電站站址地形、地質(zhì)、交通等情況,確定了電站布置方案。門(mén)子哨水電站的建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展將起到有力的促進(jìn)作用,啟動(dòng)該類(lèi)型小水電綜合開(kāi)發(fā)工程是必要的,如資金、環(huán)境等條件允許,建議建設(shè)單位根據(jù)實(shí)際情況,爭(zhēng)取優(yōu)惠條件,通過(guò)采取協(xié)商提高電價(jià)等措施,促使該類(lèi)型電站建設(shè)并投入使用。