中高水头径流引水式小水电站引水部分设计探讨

中高水头径流引水式小水电站引水部分设计探讨

赵东华

(广东省水利厅农电局,广州　510150)

摘　要:根据中高水头径流引水式小水电站的特点,对引水部分设计经验进行总结、探讨。关键词:电站;引水部分;设计;探讨中图分类号:T V 742 文献标识码:B

收稿日期:2001—08—10

作者简介:赵东华(1971—),男,大学本科,工程师,从事小水电建设及管理工作。

1　前言

在小水电站开发建设中,中高水头的径流引水式电站的开发在山区占有相当大的比例,广东省已建单机500kW 以上小水电站共531宗,其中中高水头引水式电站约324宗,约占61%;单机500kW 以下的小水电站约5100宗,以径流式引水电站为主。这些电站大都具备以下特点:①挡水建筑物不高,一般为低坝;②一般采用卧式机组,发电厂房工程量相对小;③引水渠道一般较长,为几十米甚至十几公里,引水工程部分占枢纽总工程较大比重。所以,引水部分的设计对中高水头电站工程的总体设计至关重要。然而,从近些年来装机规模大于2000kW 的小水电站初步设计文件分析,对于引水部分的设计考虑得比较简单,没进行一定的比较分析,由此带来工程的不安全,电站运行后遗问题较多或造成工程浪费。现结合中高水头电站引水部分工程特点,对该部分设计的经验,设计要点进行总结、探讨。

2　中高水头电站引水部分设计探讨2.1　引水渠线选择

在引水式电站设计中渠线的选择政策性很强,它涉及到渠系建筑物的安全、耐久、经济、管理诸多方面的问题。根据多年来小水电站施工、运行管理经验,引水渠线应优先考虑以隧洞为主引水进行布置,其优点体现在:①采用隧洞引水可以拉直渠线,避免了急转弯,使水流平顺,减少了水损;②引水渠没有通过山体表面,使山体植被等免遭破坏,对水土保持有利,并可以减少土地和山林的赔偿费用;③随着施工经验的不断积累,隧洞的施工方法日趋成熟,隧洞工程的相对造价明显降低;④运行管理方便,可以避免渠道上方山体滑坡诸塞压塌、破坏渠道,也可避免区间洪水进入渠道而引起渠道的破坏。

从广东省已投入运行的小水电站引水隧洞分析,大都运行良好,很少出现隧洞遭破坏而影响发电。而相对的明渠引水却经常出现渠道塌方等问题,根据调查了解,几乎大部分明渠引水的小水电站,尤其渠线较长的小水电站,电站投产后都存在不同程度的因渠道遭破坏而影响电站正常发电的情况,都要经过1年～

2年的边运行、边维修后才趋于正常。有些电站在运行多年后还

时常有因渠道破坏而影响发电的情况发生,如2001年7月,粤北地区有某宗已投产5年装机规模为2400kW 的小水电站因渠道

塌方影响发电约40天,单计影响发电收入就约为50万元。又如

阳山县九曲电站就是利用原称架二级电站引水渠道改造(明渠改隧洞),并扩大集雨面积29.76km 2而兴建的。电站于1989年动工兴建,电站装机规模为12500kW ,引水渠长9.47km ,其中明渠8.28km ,自1990年投产以来,每年由于山洪暴发,山体滑坡,受洪水冲击破坏,仅1994年渠道因为山洪爆发被冲毁11次,停产41天、损失电量1230万kW ・h ,此间电量非但没有收入,每年还要投入大量人力、物力和抢修资金,据统计每年电量损失和投入抢修资金约200万元。为消除明渠隐患,保证电站安全运行,该站于1999年将原明渠引水改为隧洞(7座)引水,隧洞总长为5.26km ,并对原有部分引水渠道进行技术改造和扩大集雨面积29.76km 2,共增加引水流量为4.4m 3/s (其中扩大集面积增加流量约2m 3/s ),新建九曲水电站工程,装机容量4000kW ,年发电量1669.

9万kW ・h ,同时原称架二级电站可增加发电量147.7万kW ・h 。2.2　渠道设计

在引水式电站设计中,渠道可以分为自动调节渠道、非自动调节渠道以及自动与非自动相结合的调节渠道。自动调节渠道是指当电站负荷减小时,渠道水位升高到与水库水位齐平而不发生弃水;非自动调节渠道是指当电站负荷减少时,渠末水位壅高,渠道的水要通过溢流堰溢出。其中的差别反映在建筑物上,主要指渠道设不设溢流堰以及溢流堰设置的不同位置,可以简单的理解为没有设置溢流堰的为自动调节渠道,在前池设置溢流堰的为非自动调节渠道,溢流堰布置在前池上游渠道的某个位置则为综合调节渠道(见图1～图3)。 广东省大部分引水式中高水头电站均采用非自动调节渠道,这种方式调节方式简单,可以节省渠道断面工程量,所以只要前池地质条件允许,大都采用此方式。个别电站由于地质条件

图1

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61・第3期增刊2001年9月 广东水利水电G UANG DONG W ATER RESOURCES AND HY DROPOWER

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SEP 2001

图

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或枢纽布置的需要,采用综合调节渠道布置。由于山区径流电站引水渠道较长,自动调节渠道的首末渠顶都筑至同一高程,所以采用自动调节渠道的更少。如近几年来建设的乐昌甲水电站、怀集银龙电站、信宜大水岭电站等,均采用非自动调节渠道;非自动调节渠道内水流流态的变化主要来自于电站机组引用流量的变化:①当机组引用流量与渠道引用流量相同时,渠道内水流属恒定均匀流,如果此时与设计流量相同,达到渠道底坡的设计情况;②当机组引用流量小于渠道引用流量时,多余的水量则通过溢流堰溢流,此时渠道中的水流则形成恒定的非均匀流,水深沿程递增,在渠末与溢流堰上溢流面齐平,所形成的是壅水曲线(如图

4a 线);③当机组超负荷运行,机组引用流量大于渠道设计流量时,水深沿程递减,在渠末为临界水深,形成降水曲线(如图4b 线)。

渠道设计的水位的控制情况主要是确定最高水位,应该以机组满负荷运行时突然甩掉全部负荷的情况作为设计工况,根据非自动调节渠道水流变化情况,此时渠道内的最高水位应是涌波水位。由于水流通过溢流堰时属于较复杂的三维运动,计算

比较麻烦且很难得到较准确的计算结果,对于中高水头小水电

站的引水渠道,根据广东省工程实践经验结合有关规范,完全可以按照简化的方法处理:选定控制工况作为设计依据,即电站完全丢满负荷稳定后,此时全部流量从溢流堰流出,以溢流面上水位高程按照近似渐变流的情况向上游推算出水面线,在此基础上各种水深乘以1.2的系数推算出的高程即可认为是考虑涌波水位后的渠道最高水位线。在此水位以上加一定超高即可确定渠道顶高程。

图4

2.3　前池设计

引水部分的压力前池的作用主要有:①将渠道来水分配给各发电机组的压力输水管,并根据水电站负荷的变化,冲缓调节进入水轮机的流量和渠道来水;②通过溢流堰泄走多余来水,以防漫顶;③拦截和排除渠内的漂浮物和泥沙。从压力前池的功能可以看出,前池主要的作用是分配水量,同时随机组负荷的变化起到一定的调节作用。关于前池的调节库容,很多观点认为前池应有一定调节库容进行满足水量变化需要,但现有有关规范都没有给出前池容积的计算公式,有些论文也作过公式的推导,但边界条件与实际水力现象差别较大,并不能作为计算依据。有些设计一味将前池容积做大,造成投资增大,从我省已建中高水头径流电站前池分析,前池容积大小不一,并无规律可循,见表1所示。

表1　部分小水电站前池容积及相关工程指数表

电站名称装机容量/kW

渠道长度/m

设计水头/m

设计流量/m 3・s 21

压力管径/m

前池容积/m 3

信宜市大水岭电站33002702270 1.180.7536.24高州市白马电站3300 4.0852716.40 2.602059.20乳源县油公坑电站4000263095 5.40 2.70385阳山县五元坑一级电站252010800294 1.200.70113阳山县五元坑二级电站640013200290 2.90 1.103416阳山县三叉坑电站252071604800.720.6013350潮安县峙溪河二级电站

4000

2760

136

3.85

1.30

2820

以上电站除白马电站在建外,其余都已投产且运行安全。可以看出,工程运用中前池容积大小对发电并无太大影响,实际上,径流电站的前池主要作用还是水流的分配。常见的非自动调节渠道流量保持相对恒定,当电站机组增荷时,水机引用流量增加,流量由原来的溢流堰流出转为流向机组;当负荷减小时,原本流向机组的流量转为从溢流堰流出。实际就是前池中水流的转向问题。只不过是如果把前池做大,可以提高完成整个变化过程的适应能力而已。

因此,对于中高水头径流电站的前池的设计重点还是确定其最高水位、最低水位,其确定方法与上述渠道渠末水位相同,对

于前池侧墙高程,只需比渠道适当加大超高即可。同时还需满足压力管最小淹没深度及冲砂等要求,由于一般设计中对此种情况考虑比较成熟,不再赘述。

3　结束语

中高水头径流引水电站引水部分的设计尢为重要,在实际中又常常被设计所忽视。工程设计中应充分掌握引水部分的水流变化过程,抓住引水渠道和前池的设计要点,进行比较分析,同时,结合小型水电站的特点对部分设计进行简化处理,使此部分的设计更合理、更安全、更经济。

[责任编辑:曾卫跃]　

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71・2001年9月　第3期增刊 赵东华:中高水头径流引水式小水电站引水部分设计探讨 SEP 2001　No.3