低水面河床式水电站厂房选型研究

低水面河床式水电站厂房选型研究

1城市轨道交通方案金沙水电站位于河流上游，是金沙江线路的末端。主要开发任务是发电，不仅能供水，改善城市水面的景观和供水条件，还能对观音岩水库起到反调节作用。金沙水电站正常蓄水位为1022.00m,死水位为1020.00m,校核洪水位为1025.30m,相应静库容为1.08亿m3,电站装机容量为560MW,多年平均发电量为25.07亿kW·h。该工程为Ⅱ等大(2)型工程,挡水、泄洪和电站等主要建筑物为2级,次要建筑物为3级,水工建筑物结构安全级别为Ⅱ级。混凝土坝、泄洪建筑物及电站建筑物洪水标准按100a一遇洪水设计,1000a一遇洪水校核;消能防冲建筑物按50a一遇洪水设计。金沙水电站具有洪水流量大、上下游水头差小、下游水深较深等特点。该水电站最大水头为26.8m,最小水头为8.0m,加权平均水头为19.9m,额定水头为16.8m,单机引用流量为954.5m3/s,共安装4台单机容量为140MW的水轮发电机组。金沙水电站的枢纽布置格局为:河床布置混凝土重力坝,河床及左岸布置河床式电站厂房,右岸布置泄洪消能建筑物和导流明渠,厂房尾水渠与消力池采用厂坝导墙隔开,施工导流采用三期导流方式。枢纽布置见图1。2坝体结构形式金沙水电站坝址区两岸岸坡完整且整体坡度较平缓,为不对称“V”型谷,自然山坡稳定性较好。河床坝基岩体以弱、微风化正长岩与丙南组微风化带细砂岩等坚硬岩为主,夹少量粉砂岩和泥质粉砂岩,质量较好,质量基本以Ⅱ级为主,部分为Ⅲ级。考虑在正常蓄水位为1022.00m时,坝轴线处河谷宽为200~265m,可以满足泄洪建筑物和电站建筑物布置需要,结合同类工程经验,推荐采用河床式水电站布置型式。国内部分低水头河床式水电站相关参数见表1。3轴流式、规划方案金沙水电站采用河床式开发方案,其水头变化范围为8.0~26.8m,属低水头范围,因此可选机型有轴流转桨式和灯泡贯流式两种。作为河床式布置的厂房,其本身为挡水建筑物的一部分,其设计标准与挡水建筑物相同;枢纽布置型式无论是“左厂右泄”还是“左泄右厂”,两种机型基本可相互替代,不影响枢纽布置方案的可行性。轴流式水电站水轮机采用立式布置,具有单机容量大,且设计、制造及运行维护方便等特点。灯泡贯流式水电站机组采用卧式布置,出水方向基本是轴向贯通,流道形状简单,施工方便,具有参数水平高、过流能力大以及运行稳定等特点。与轴流式水电站相比,相同规模的灯泡贯流式机组转轮直径较小,流道较顺直,厂房结构相对简单,平面尺寸相应减少,其厂房前缘长度比轴流机组可减少20%左右。灯泡式机组无尾水肘管,其建基高程比轴流机组高。因此,在通常情况下,灯泡式机组厂房的土建工程量比轴流式机组可节省投资20%~30%。在确定该工程厂房型式时,需要考虑厂房及枢纽布置的合理性、机组制造及运输安装等技术上的可行性,并应结合运行管理因素来开展综合技术经济比选,最后确定适合该电站特点的厂房型式。3.1机组段结构及布置电站布置于河道偏左岸,左侧接左岸非溢流坝段,右侧接泄洪坝段;电站建筑物包括拦沙坎、引水渠、机组段、安装场、尾水渠、排沙孔及进厂交通公路等。电站安装4台140MW水轮发电机组,总装机容量为560MW。电站厂房自左向右分别为安Ⅰ段、安Ⅱ段、1~4号机组段;机组段采用一机一缝的分缝形式,顺水流向依次布置进水口、主机段、下游副厂房和尾水平台。4个机组段总长为163.80m,其中3个标准机组段各长40.20m,边机组段长为43.20m,机组段顺水流方向长度为102.50m。安Ⅰ段长为24.00m,安Ⅱ段长为44.00m,安装场总长为68.00m。整个厂房总长为231.80m。水轮机安装高程为999.00m,建基面高程为961.00m。引水渠布置在机组坝段上游,下游为尾水渠。为减少泄洪坝段泄洪时对机组发电的影响,在尾水渠与泄洪坝段之间设置有尾水导墙。主变及GIS室、中控室布置于主厂房和安Ⅱ段下游侧尾水管顶部的下游副厂房内。进厂交通由安装场下游侧进厂,对外接左岸进厂公路,厂前设回车场,高程为1021.00m。3.2机组坝段结构及布置该方案枢纽建筑物布置格局与轴流式基本相同,不同点仅在于电站安装的是8台70MW贯流式水轮发电机组,总装机容量560MW不变。电站厂房从左至右依次为安Ⅰ段、安Ⅱ段、1~4号机组段;机组段从上游至下游依次布置进水口、主厂房、下游副厂房和尾水平台;分缝采用两机一缝,每一缝段长为48.5m,总长为194.00m,机组段顺水流方向长度为91.0m。安装场段总长为53.0m,分为安Ⅰ段(18.0m)和安Ⅱ段(35.0m)。电站厂房总长为247.00m。水轮机安装高程为980.00m,建基面高程为965.30m。机组坝段上游为引水渠,下游为尾水渠。同样,为了减少泄洪坝段泄洪时对机组发电的影响,在尾水渠与泄洪坝段之间设置厂坝导墙。副厂房布置在主厂房下游的流道顶板以上,贯通机组段与安装场,进厂交通由安装场下游侧进厂。4技术经济的比较4.1按机组高程分深与开挖方式的关系研究解决了植放系统的开挖和浇筑方量的问题经对轴流转桨式和灯泡贯流式两种机型方案进行分析计算,投资比较如表2所列。初步分析,灯泡贯流式机型比轴流式机型厂房前沿长度要长约15.2m。由于该电站坝址处河床较狭窄,又受到枢纽总体布置的限制,因此需要增加对岸边山体的扩挖;从机组本身设计角度看,灯泡贯流式机组底板(最低点)高程比轴流式机组有大幅提高,可大幅减少开挖和浇筑方量,但由于坝址区河谷覆盖层较厚,厂房坝段和电站泄洪坝段基础设计均要求挖掉覆盖层,使其坐落在微新岩体上,这样灯泡贯流式机型方案就失去了该优势。从目前土建开展情况来看,金沙坝址覆盖层的开挖与轴流式机型方案的开挖要求基本一致,相对灯泡贯流式机型方案而言,其减少开挖和浇筑方量的优势就不再明显。从可比的厂房土建投资来看,灯泡贯流式机型方案比轴流式机型方案要多投资约1970万元;而灯泡贯流式机型方案主要机电设备投资比轴流式机型方案大约要低840万元。因此,从投资的角度来看,采用轴流转桨式机组方案比灯泡贯流式机组方案的投资要节省约1130万元。4.2系统集成的难点通过对土建及机电设备的技术经济比较,认为采用轴流转桨式机组方案的工程投资较省。此外,还从技术及运行管理方面做了如下分析。(1)参数水平。金沙水电站两种机型方案的水轮机参数水平符合各机型的统计规律,轴流转桨式机组的比速系数在2650左右;灯泡贯流式机组的比速系数在3000左右,贯流式机组的参数水平要大于轴流式机组的参数水平。(2)水轮机的制造难度。轴流转桨式机组的转轮直径与葛洲坝大机(D1=11.3m)的相当,灯泡贯流式机组的转轮直径与桥巩电站(D1=7.4m)相当,在同类机型中均属于国内可生产的大型机组,具有成熟的制造、运行经验。(3)检修、运行维护。受到单机容量限制,灯泡贯流式机组台数较多,检修、运行维护工作量比较大。综上所述,该水电站无论是采用轴流转桨式机组,还是采用灯泡贯流式机组,在技术上均是可行的;但灯泡贯流式方案所需安装的机组台数较多,厂房占枢纽前沿较长,枢纽布置比较困难,设备的检修、运行维护工作量比较大;在该阶段推荐金沙水电站采用轴流转桨式水轮发电机组。5影响工程投资及运行维护的因素水电站厂房选型设计是枢纽建筑物设计的关键环节,也是设计人员应该充分重视的一个技术问题,