径流式电站提高发电效益关键技术研究介绍

利用水工模型试验提高径流式电站发电效益包中进作者简介：包中进（1963-），男，教授级高级工程师徐岗作者简介：包中进（1963-），男，教授级高级工程师（浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）摘要：本文详细分析了影响径流式电站尾水位的主要因素，着重介绍了提高径流式电站发电效益的主要方法――通过水工模型试验，优化电站尾水渠布置，从而降低尾水位，提高发电效益。成果对类似工程具有一定的参考应用价值。关键词：径流式电站发电效益提高尾水位试验研究1．前言浙江省的水利电力资源经过多年的开发，河道上游坝址条件较好、利用高水头发电、经济指标较好的坝后式或混合式水电站项目已经基本开发完毕。现在的水电资源开发利用重点开始向河道中游低水头、大流量径流式电站项目转移，越来越多的梯级开发径流式电站项目提上了建设日程。以瓯江干流大溪丽水段为例，连续上马了玉溪、开潭、五里亭以及外雄枢纽工程等梯级开发径流式电站，每个电站装机容量39~48MW，发电流量约460~680m3/s，发电水头约7~9m，年平均发电量1.0~1.4亿kw.h；又如衢江干流上在建或拟建的塔底、安仁铺及小溪滩枢纽工程等梯级开发径流式电站，其装机容量在18MW左右，发电流量约350~400m3/s，发电水头约5~6m，年平均发电量0.6综观上述提到的各个径流式水电站项目，其共同的特点是：（1）电站发电流量大、水头低，发电水头一般均在10m以下，属典型的低水头径流式电站；（2）均为综合利用型的枢纽工程，枢纽的整体布置直接影响电站的尾水位。对径流式水电站，若能减小水头损失、提高发电水头，对提高电站出力的作用非常显著。浙江省径流式水电站众多，浙江省已建、在建和拟建的径流式电站年发电量约20亿kw.h以上，采用该技术，其增幅按1%计,全省每年可增加发电量2000万kw.h，增加经济效益1000万元。近年来，浙江省经济高速发展与电力短缺的矛盾日益突出，严重制约了工农业生产的正常进行。因此，通过径流式水电站尾水渠布置的优化研究，降低尾水位、提高发电水头、增加电站出力，对一定程度上缓解地方电力紧张局势、增加电站发电效益，促进社会经济的发展具有重要的意义。2、国内外研究现状和发展趋势在坝址条件、电站规模确定的情况下，影响电站平均出力的因素主要有以下几个方面：（1）水轮发电机组的效率；（2）电站尾水渠尾水位的控制；（3）机组运行组合；（4）枢纽优化布置。上述几个方面有相互交叉的地方，比如机组运行组合（优化调度）就直接和尾水渠水位有关。对于径流式电站，因水轮发电机组的效率在很大程度上直接关系到电站的整体效益，从单位流量大、单位转速高、效率高、土建投资省等方面考虑，一般多采用灯泡贯流式机组。故国内外厂家、科研院所对此机型的内部流道优化进行了诸多的研究，以尽可能减少水头损失，提高水轮机效率。通过二三十年的开发研究，目前对灯泡贯流式机组各项结构参数的研究已趋成熟完善，建设方、设计单位基本上可根据运行水头、发电流量直接选取高效率的水轮机型号。然而，在对此类电站尾水位的计算目前尚没有可靠的计算方法，一般按照尾坎宽顶堰进行估算。另外，对电站尾水位的控制，设计单位一般会考虑拓宽尾水渠以达到降低尾水位的目的；采取疏浚下游河道以降低上游防洪水位的方式，也能在一定程度上降低尾水位；同时为防止泄洪泥沙进入并淤积尾水渠，在尾水渠与泄洪设施之间一般需设置拦砂坎，而拦砂坎的存在对加速尾水扩散、降低水位是不利的。因尾水渠附近水力条件复杂，理论计算中存在较大的不确定性和误差，通常需依靠试验研究进行优化布置。目前，对径流式电站枢纽的研究，多注重枢纽泄洪闸的防洪水位、消能设施等方面，而对下游河道不同疏浚方式对降低尾水位的作用、既能防沙又能降低尾水位的拦砂坎优化布置、尾水渠的体形优化布置等有关尾水渠水位控制方面的专题研究甚少。3、研究方法和内容3.1研究方法目前确定尾水渠布置的主要方法为：理论计算分析、物理模型研究、数学模型研究。由于尾水渠水流的复杂性，常规数学模型计算很难计算，因此，往往借助水工模型试验进行优化布置。水工模型试验是一项传统的经典的模拟技术，根据相似理论，可以很好的模拟天然状态的水流流态，为工程设计、施工、决策提供科学依据。3.2研究内容以尽可能多地降低尾水位为目标，系统研究：（1）尾水渠的不同水平扩散布置体形对尾水位的影响目前常规扩散角度都在12°以内，由于发电水头、装机容量、枢纽布置等的不同，扩散角度也是不同的。（2）尾水渠的不同纵向底坡对尾水位的影响国内常用的纵向底坡为1：4左右。如果水头差小，流量也不大的情况下，较陡的底坡还能适应，否则很容易在倒坡末端形成跌流，壅高机组流道出口尾水位，降低发电效益。（3）尾水渠与泄洪闸之间的拦砂坎布置型式对尾水位的影响由于径流式电站常常和泄洪闸布置在一起，因此，为了防止行洪时河道泥沙进入尾水渠，常常在尾水渠和泄洪闸之间设置拦沙坎。拦砂坎的高度很难确定，高了则影响电站运行时水流快速扩散以降低尾水位，低了则起不到拦沙的作用。（4）机组运行方式对尾水位的影响径流式电站一般布置2台或者以上的机组，以适应不同流量情况。在机组效率相同的情况下，不同机组运行组合的下游尾水位不同。可以通过模拟不同台数机组运行情况的下游水位，提出较优的机组运行方式。就这一点来说，是不需要增加任何投入就可以多产出效益的。（5）尾水渠下游局部疏浚和淤积对尾水位的影响规律径流式电站大都布置在河道中上游，并且为了不降低河道行洪能力，电站大都布置在河道的凹塘内。由于山溪性洪水特性大多暴涨暴落、峰急时短，河床冲淤变化较大，大洪水后尾水渠下游的河道往往发生淤积。为保证机组出力，必须对下游一定范围的河床进行疏浚处理。另外，汛期过后，将有相当长时期的平水期和枯水期，此时河床相对稳定，这为河道疏浚提供了可能。（6）泄洪闸运行方式对尾水位的影响径流式电站一般没有调节能力，常采取上游来多少水发多少水、多余水弃水的策略。而电站大都布置在河道的凹塘内，导致尾水渠水流出水往往不顺畅。在来流量大于机组满发流量的情况下，需开启数孔或者全部开启泄洪闸泄洪，此时泄洪闸下泄水流对尾水渠的水流流态影响很大。通过试验研究，可以确定泄洪闸数孔开启的最佳运行方式，保证电站机组出力。4、应用实例采取一种或多种综合措施，使之与枢纽工程布置整体协调并满足其它功能需要，且不增加或少量增加工程投资的基础上，如何尽可能多地降低尾水位，使效益最大化，是研究的技术关键所在。以下为两个电站的部分研究成果。4.1玉溪电站玉溪水利枢纽工程位于丽水市西侧龙泉溪上。枢纽建筑物有黏土心墙沙壳坝、船闸、泄洪闸（6×12m）、冲沙闸（4×12m）以及电站、左右岸取水口等。是集发电、防洪、灌溉、通航等综合效益的浙江省重点水利枢纽工程。电站装机容量39MW，相应下游水位68.19m；水库正常蓄水位79.10m。枢纽布置见下面照片。水工模型试验主要对冲沙、泄洪对发电的影响以及下游拦砂坎高度对发电的影响进行了研究。部分成果为：（1）拦砂坎高度的影响当发电正常水位79.10m。二台机组满发488.2m3/s时，拦砂坎顶高程从66.50m提高到67.2m，尾水渠将相应抬高0.21m（2）泄洪对发电的影响泄洪对发电的影响，指由于泄洪时闸下局部冲刷过程中，导致尾水渠泥沙淤积，或者因此而加高拦砂坎高度而对正常发电带来的影响。试验表明，设计洪水位工况：10孔开启泄洪、二台机组同时发电（360m3/s）4.2开潭电站开潭水利枢纽位于丽水市境内瓯江干流大溪上，坝址在丽水市区东南约7km处的开潭村下游,主体由左岸船闸、18孔泄洪闸、和右岸电站(如图所示)等组成，是以发电和改善城市环境为主，结合改善航运条件的水利枢纽工程。发电厂位于右岸，为径流式水电站，主厂房全长92.35m，下游侧为副厂房。主厂房的右侧为装配场。厂房进水口底高程为27.2m，为了使水流平顺流入进水口，在厂闸间设有砼导墙，导墙长13.0m，顶高程40.0m。在进水口上游侧设有一道拦砂坎，以免泥沙进入水轮机流道，拦砂坎顶高程38.0m。尾水出口桩号0+065.64、底板高程27.08m，以1:4倒坡与下游河道连接，1：4倒坡起始桩号0+076、坡顶桩号0+107.68，尾水渠末端河道底高程35.0m；为使尾水水流尽量平顺，在尾水渠与泄洪闸消力池间设有砼导水墙，墙顶高程39.0m（0+065.64～0+090）～37.0m（0+090～0+116），尾水可翻过37.0m顶高程的导水墙进入泄洪闸下游，以利于扩散水流，降低尾水水位。导水墙左侧河底高程36.0m，与尾水渠末端底高程开潭水电站属典型的径流式电站，丰水年（P=10%）大于600m3/s的天数为65天，小流量运行的日子非常普遍，正常发电尾水尾位一般都在38.0m电站尾水渠局部水工模型试验研究部分成果如下：（1）下游河道疏浚方案和尾水位的关系对包括原设计在内的6组尾水渠不同疏浚方案的进行了比较试验，成果如下图所示。由图可以看出，方案三、四、五、六都可以使电站出口水位有一定程度的降低，在尾水位38.0m时候方案六较原设计方案降低约0.08m左右。（2）倒坡与尾水位的关系结合本院基金项目——径流式电站提高发电效益关键技术研究，选取了1：4（原设计方案）、1：6、1：8三组不同尾水渠纵向倒坡方案进行比较试验，成果如图所示，尾水位随着坡度的改变较为明显，在尾水位38.0m时，1：8的倒坡较原设计1：4倒坡，电站出口水位降低了约0.20m开潭水电站属在建工程，其中电站厂房部分已基本建成，为此对尾水渠的优化研究具有一定的局限性。若在工程上马前期设计过程中，进行尾水渠的优化，对提高发电效益效果将更加显著。5、结论由于径流式电站的发电水头不高，下游尾水位直接关系到发电效益的正常发挥。另外，径流式电站往往布置在河道的凹岸处，导致电站出流不顺畅，影响发电效益。利用水工物理模型试验研究技术，可以优化径流式电站尾水渠布置型式，为