東方紅水庫電站增效改造及水庫興利調度設計

劉東東，周麗娜，肖 妮

(1．水利部農村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2．水利部農村水電工程技術研究中心，浙江 杭州 310012；3．杭州亞太水電設備成套技術有限公司，浙江 杭州 310012)

1 工程概況

東方紅水庫位于浙江省東陽市虎鹿鎮溪口村之北1 km處，地處錢塘江流域金華江水系東陽江支流白溪上游河段，水庫集雨面積59.3 km2，多年平均徑流量4 357.4萬m3，總庫容1 445萬m3，是1座以防洪、灌溉為主，結合供水、發電等綜合利用的中型水庫。東方紅凈水廠從東方紅水庫取水，主要為虎鹿鎮、巍山鎮供水，供水規模為8 000 t/d。東方紅水庫電站目前總裝機容量1 830 kW，2010—2019年年均發電量255萬kW·h。

東方紅水庫電站為壩后式開發，由發電引水系統和2座發電廠房組成，2座發電廠房位于壩下游左岸臺地上。引水隧洞出口接壓力鋼管，其后接4條發電支管、1條泄流支管和1條凈水廠的原水管。

1號廠房現裝有3臺臥軸混流式水輪發電機組(1～3號機組)，裝機容量3×400 kW。1號廠房尾水經東、西2條干渠流入東方紅水庫灌區。尾水出口設有閘門，灌溉富余水量經棄水閘流入2號廠房尾水渠再流入白溪。泄流支管布置在1號廠房，當1號廠房的機組不能發電時，可通過泄流支管向灌區供水。當所有4臺機組不發電時，也通過泄流支管下泄生態流量。

2號廠房在1號廠房下游50 m處，現裝有1臺臥軸混流式水輪發電機組(4號機組)，裝機容量1×630 kW。2號廠房主要用于發電及生態流量泄放。

2 現狀分析及改造的必要性

2.1 現狀分析

2.1.1 水庫生態流量調度問題

東方紅水庫是白溪上游的龍頭水庫，具有較強的調節能力，對下游河道的生態流量泄放具有調節作用。根據浙江省浙水農電〔2020〕25號文要求，東方紅水庫要進行生態流量調度，設置“發電限制水位線”和“生態放水最低水位線”。

2.1.2 1號廠房存在的問題

3號發電機推力軸承溫度偏高，發電機碳刷、滑環檢修維護工作量大，需更換。3臺機組的主閥漏水嚴重，而且滿足不了自動化運行的要求，需要更換。機組自動化程度不高，需要對計算機監控系統、視頻監控系統進行升級改造。

2.1.3 2號廠房存在的問題

4號機組自1999年12月投產后未進行過技術改造，機組運行年限長，機電設備老化、磨蝕嚴重，存在嚴重安全隱患，已停機多年，需要更換全部機電設備。

2.2 改造的必要性

2.2.1 保障電站安全運行的需要

部分機電設備落后、老化，特別是2號廠房的電氣設備已運行超過20 a。4號發電機絕緣等級為B級，主變壓器為S7系列，存在嚴重安全隱患，已不能保證電站安全運行，亟需進行更新改造。

2.2.2 提高發電能效的需要

4號水輪機經長期運行，過水部件氣蝕、磨損嚴重，機組效率低下，難以正常運行，亟需進行更新改造。

2.2.3 降低電站運行成本的需要

東方紅水庫電站裝機容量小、廠房多、機組臺數多，機組自動化水平低，造成運行管理人員多、勞動強度高、運行管理成本高，降低了電站的效益，需要通過監控系統的升級改造，并納入區域化運行管理平臺，從而降低運行管理成本。

3 特征水位及水頭復核

東方紅水庫庫區多年平均降雨量1 467.2 mm，多年平均徑流深734.8 mm，多年平均徑流量4 357.4萬m3，多年平均流量1.38 m3/s(見表1)。

表1 東方紅水庫水位～庫容關系

東方紅水庫正常蓄水位196.27 m，臺汛期限制水位195.27 m，枯水期限制最低水位176.27 m，供水、灌溉死水位167.67 m。2012—2020年，東方紅水庫最高水位196.4 m，最低水位184.73 m。

由于灌溉和供水水量不大，水庫的興利庫容得不到充分利用，特別是4號機組停機后，1號廠房機組不適合水庫低水位運行，所以實際上水庫運行水位較高；近10年來水庫最低水位為184.73 m，遠高于原設計的死水位167.67 m和后期規定的枯水期限制最低水位176.27 m。考慮到改造后，汛期4臺機組均可發電，其過流能力達到7 m3/s，所以水庫的調節庫容不必太大，枯水期限制最低水位可繼續提高；建議限制最低水位為184.27 m，相應庫容為330.4萬m3，調節庫容為690萬m3。

選用2012—2020年間的水位數據復核水頭，1號廠房(灌渠)正常尾水位167.00 m，1號廠房3臺機組的毛水頭17.73～29.4 m，水輪機運行水頭范圍約為17.23～28.90 m，合理額定水頭24.00 m。目前1號廠房3臺機組的額定水頭為30.50 m，已超出實際的運行水頭范圍，水輪機效率很低。

2號廠房正常尾水位160.03 m，最低尾水位159.93 m。4號機組只有在水庫保證灌溉、供水和生態流量的前提下還有富余水量的時候發電，其運行水位較高；如果考慮水庫最低運行水位190.00 m，則其運行的毛水頭為29.97～36.47 m，水輪機運行水頭范圍約為28.87～35.37 m。目前4號機組的額定水頭為36.50 m，已超出實際的運行水頭范圍，水輪機效率也很低。更換水輪機推薦額定水頭32.00 m。

4 裝機容量選擇

從近年來的發電量看，東方紅水庫電站的發電利用小時數不足1 400 h，水能資源利用已很充分，裝機容量已偏大了。但東方紅水庫電站不是單目標的小水電工程，其擔負著水庫的調洪和下游灌區的灌溉任務，本次改造還需要考慮下游河道的生態修復，所以裝機容量的選擇要從這3方面考慮。

東方紅水庫灌區中灌渠設計流量為4.50 m3/s，目前1號廠房3臺機組的設計流量為4.80 m3/s，可滿足灌溉的需要，所以1號廠房3臺機組的裝機容量可保持不變。改造工程完成后，1號廠房為滿足灌溉和生態流量的平均年發電用水量約為177萬m3，相應年均發電量約10萬kW·h，汛期可搶發電量約20萬kW·h。扣除1號廠房發電用水量、從泄流支管泄放的生態流量和少量的漏水量后，2號廠房的平均年發電用水量約為3 400萬m3，發電平均流量為1.08 m3/s，發電量約262萬kW·h。如果裝機容量維持630 kW，則利用小時數4 163 h。考慮到1號廠房場地有限，也受壓力鋼管限制，2號廠房增容的條件很差；且改造工程完成后，泄洪棄水量可進一步減小，并可利用1號廠房在汛期可搶發電量。所以2號廠房的增容條件不具備，也無必要，可維持裝機容量630 kW不變。

本電站需要下泄的最小生態流量為0.14 m3/s，機組停機時可通過1號廠房的泄流閥泄放生態流量。

改造工程完成后，東方紅水庫電站維持裝機容量1 830 kW，在保證灌溉、供水和生態流量的前提下，年均發電量約292萬kW·h。

5 水庫運行方式及生態用水調度

東方紅水庫正常蓄水位196.27 m，臺汛期限制水位195.27 m，建議限制最低水位為184.27 m。東方紅水庫原來的主要任務是以防洪、灌溉為主，結合供水、發電，從2020年開始增加了生態用水調度。

5.1 灌溉供水保證線的繪制

為了合理地指導水庫及其水電站的運行，解決在徑流不能準確預知的情況下，保證灌溉和供水不受影響，首先需要提出水庫的灌溉供水保證線。

根據東方紅水庫的氣候特點，全年可分為3個時期：4月至7月上旬為梅汛期，是水庫蓄水期；7月中旬到10月中旬為臺汛期，此時也是干旱灌溉期；10月下旬至次年2月為枯水期；所以確定從3月至次年2月為水庫水文年。

灌溉和供水的保證率為90%，選取P=90.2%的2011—2012年、P=87.8%的2018—2019年和P=92.7%的2006—2007年度為設計枯水年的典型年，作為調節計算、繪制灌溉供水保證線的依據。3個典型年的各月來水量如下所示(見表2)，2006年和2008年的天然來水量用2011年(設計枯水年)的天然來水量來修正。以3個典型年的月入庫水量為來水過程繪制了灌溉供水保證線(見圖1和表3～表5)。圖1中的上包線為灌溉供水防破壞線，也作為生態放水最低水位線；下包線為限制灌溉供水線。

表2 典型年各月來水量 萬m3

表3 設計枯水年(2011年)逆時序調節計算 萬m3

表4 典型年(2006年)逆時序調節計算 萬m3

表5 典型年(2018年)逆時序調節計算 萬m3

圖1 東方紅水庫興利調度示意

5.2 發電限制水位線的繪制

在保證灌溉和供水的前提下，壩址處需要泄放的最小生態流量為0.14 m3/s，各月水庫需要儲存相應的水量，在灌溉供水防破壞線以上繪制生態用水防破壞線，即發電限制水位線(見圖1)。

實時調度時，水電站應根據面臨時段水庫水位、入庫流量、短期預報的流量態勢，在發電限制水位線以上按長期發電量最多的原則運行，讓水庫水位遠離發電限制水位線。當枯水年份，水庫水位逼近發電限制水位線時，要減少機組發電；水庫水位低于或落在發電限制水位線時，機組不能發電。

6 機組選型

4號機組運行水頭范圍為28.87～35.37 m，額定水頭32.00 m，裝機容量630 kW，適用的機型為混流式水輪機。

根據水頭范圍，機組可選用的混流式水輪機轉輪主要有以下幾種型號：HLA551、HLA743、HLA904a等轉輪(見表6)。

表6 適用630 kW不同轉輪性能比較

從模型性能表可以看出：這3種轉輪性能都比較優異，空蝕性能良好。對于2號廠房4號機組，雖然HLA551最高效率不是最高，但HLA743和A904a轉速偏低，轉輪直徑也大，機組造價高，與老機組的匹配也不高。雖然HLA551的氣蝕系數大，但額定工況時吸出高度為5.42 m，能滿足目前機組改造的要求，因此本階段推薦選用HLA551—WJ—62轉輪。

7 改造方案

(1)更新1號廠房部分機電設備，消除電站的安全隱患。

①水輪發電機組。更換3號發電機，采用無刷勵磁發電機。

②附屬設備。更換1、2、3號機組主閥，采用液控蝶閥。維修1、2、3號機組的調速器。

③勵磁設備。更換1、2號機組勵磁裝置，3號機組改為無刷勵磁方式。

④計算機監控系統。更換1、2、3號機組控制屏，增加公用屏用于放置視頻監控交換機、監控交換機、硬盤錄像機等設備；增加線路解列保護裝置、增加監控計算機、廠用電備自投屏、柴油發電機等。

(2)更新2號廠房全部機電設備，包括更換4號機組、主閥、調速器、勵磁裝置、電氣一次和二次設備等。

8 結 語

通過提出東方紅水庫電站增效改造設計方案及水庫興利調度圖的繪制方法，對其進行了增效改造。項目實施后，電站棄水量大、機組效率低等問題得到了解決，發電效益得到明顯提高。