关渔塘电站水利动能设计
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摘要：关渔塘水电站为二道河中下游的一径流式日调节电站，本文主要论述在可行性研究阶段，关渔塘电站特征水位、装机容量、机型台数及库区回水分析思路，给出电站运行方式及动能计算的能量指标。
关键词：正常蓄水位 装机容量 机组机型 额定水头 库区回水 能量指标
中图分类号： S611 文献标识码： A
二道河属长江流域赤水河水系，为赤水河的一级支流。发源于贵州省大方县百纳镇的后山，河源高程为1980m，干流全长71.67km，总落差1509.4m，平均比降7.4‰，流域面积1353km2。关渔塘水电站坝址位于二道河中下游金沙县马路乡沙锅洛村河段的峡谷之中，坝址以上集水面积620.8km2；厂房位于坝址下游约2.6km处的硫磺场，集水面积640.7km2。关渔塘水电站的开发任务是为发电，并兼顾下游生态环境用水要求，关渔塘电站供电贵州电网。
2工程规模
2.1正常蓄水位
根据二道河水电梯级开发规划成果，本着梯级电站合理衔接、充分利用水电资源的原则，关渔塘电站正常蓄水位选择拟定722.0m 、720m和724m三个正常蓄水位方案进行比较。根据比较知，正常蓄水位722m的动能经济指标较好、单位千瓦投资及补充单位电能投资现值最小、梯级衔接较为合理、水库淹没及环境影响相对较小，关渔塘电站选定正常蓄水位为722m。
2.2死水位选择
死水位的确定，主要满足水平淤沙高程及取水口高程要求。
根据泥沙分析与计算成果，坝址以上悬移质多年平均输沙模数取400t/km2，只考虑悬质输沙，以多年平均排法确定水库泥沙淤积量，坝址以上流域集水面积620.8km2，多年平均净来水流量8.76m3/s，多年平均输沙量29.1万t，泥沙容重取1.3t/m3。关渔塘电站水库设计淤积年限取50年。设计淤沙量1455万m3，水平淤积高程为715m，坝前平淤沙高程712m，淤沙计算采用多年平均库容淤损率法。根据计算结果，死水位高程为718m，死库容为124.07万m3。
2.3装机容量
按同一正常蓄水位722.0m，结合本河段水文资料特点，拟定9MW、10MW和11MW三个装机容量方案进行比较。
根据比较，关渔塘水电站的装机容量从9MW增至10MW、10MW再增至11MW，年发电量分别增加124.87万kW・h和58.35万kW・h，而补充单位电能投资由2.29元增加到2.56元。装机容量从9MW增至10MW，补充单位电能投资2.29元/kw.h小于电站单位千瓦投资2.41元/kw.h，、差额投资内部收益率为10.17%，大于水电站社会折现率8%，说明装机容量10MW比装机容量9MW优越；装机容量从10MW增至11MW，补充单位电能投资2.56元/kw.h大于电站单位千瓦投资2.41元/kw.h，差额投资经济内部收益率小于8%，说明装机容量10MW比装机容量11MW优越，由此选定关渔塘水电站的装机容量为10MW。
2.4机组机型、台数选择
关渔塘水电站水头变化范围为49.52m～54.95m，加权平均水头为53.1m，根据本电站的动能参数，对各机型进行能量指标及空蚀性能的综合比较，择优比选出效率高，综合性能好，适合该电站水头段运行的三个混流式转轮进行比选，其型号为：HLA551、HLA384 、HL220/A153。经过比较，HLA551转轮较其他机型相对较优，即水轮机型号为HLA551-LJ-115。
根据本电站的地形地质条件、枢纽布置要求、电站运行灵活性的需要及水文动能相关参数，选择2台机和3台机两个方案进行技术经济比较，装机容量分别为2×5MW、3×3.333MW。为实现同精度比较，方案初选HLA551转轮进行计算，从投资、电力调度、运行维护、及流域联合运行等方面进行综合分析比较，2台机方案经济指标相对较好，推荐单机容量5MW，装机2台的方案。
2.5额定水头选择
关渔塘水电站最大水头为54.95m，最小水头为49.52m，加权平均水头为53.1m，汛期加权平均水头为52.56m。根据关渔塘电站水轮机运转特性曲线，电站额定水头取值为50.5～52.5m时，水轮机平均效率基本一致，不同额定水头方案对电站能量指标和水轮机参数无影响。根据其水头特性，并考虑到本工程在力系统中的作用，且在一定范围内水轮机水头受阻出力变化极小，故以额定水头略低于汛期加权平均水头考虑，本阶段额定水头选定为51.5m。
3库区回水分析
3.1水库淹没回水
为预测关渔塘水电站水库泥沙淤积后库区淹没影响范围，根据库区淹没影响对象的洪水标准，在关渔塘水电站水库泥沙冲淤平衡后的库区床面上，推算关渔塘水电站的库区回水水面线。
汛期5～10月回水计算，5年（P=20%）及20年（P=5%）一遇洪水分别为518m3/s和855m3/s，查水位流量关系曲线，得坝址处相应的天然水面线高程为694.25m和696.60m，建库后回水推算起调水位为正常水位722.00m。
非汛期11月～次年4月回水计算，5年（P=20%）及20年（P=5%）一遇洪水分别为141m3/s和255m3/s，查水位流量关系曲线，得坝址处相应的天然水面线高程为690.59m和691.93m，建库后回水推算起调水位为正常水位722.00m。
根据规范，取回水水面线高于同频率天然洪水水面线0.3m为回水尖灭点，回水淹没终点位置取为尖灭点水位水平延伸至天然河道多年平均流量（Q=8.76m3/s）相应水面线的相交处。
根据计算，内插取值求得：在汛期流量下，5%频率下建库后回水尖灭点水面线高程为726.18m，距坝址桩号3+369；20%频率下建库后回水尖灭点水面线高程为724.87m，距坝址桩号3+391；在非汛期流量下，5%频率下建库后回水尖灭点水面线高程为723.84m，距坝址桩号3+473；20%频率下建库后回水尖灭点水面线高程为723.37m，距坝址桩号3+532。
3.2水库衔接回水
关渔塘水电站衔接上级香坪水电站（已规划）尾水，香坪电站规划尾水位722.00m，为研究关渔塘水电站水库淤积后回水对香坪水电站的影响，在关渔塘水电站水库泥沙冲淤平衡后的床面上，进行了关渔塘水电站的梯级衔接小流量回水计算。
关渔塘水电站的梯级衔接回水计算表明：香坪水电站的发电流量为18.15m3/s时（此时水位对应香坪电站最低尾水位721.56m～正常尾水位722.00m），关渔塘水电站按正常蓄水位722.00m运行时，基本与上游香坪水电站衔接。
4水库与电站运行方式
4.1电站运行方式
关渔塘水电站没有防洪、航运、灌溉等综合利用要求，电站的主要开发任务是发电，因此关渔塘水电站的运行方式完全由发电要求来决定。
本电站为一引水式日调节电站，其发电出力主要受天然来水及水库调节控制。汛期库前水位应保持在正常高水位722m运行，以期获得较大的发电水头和发电效益，冬季枯水季节原则上只有一台机组运行，可以安排机组轮流检修。
4.2电站能量指标
关渔塘电站水利和动能指标按丰、中、枯三个代表年的逐日平均流量系列资料代替多年日平均流量系列进行径流调节及水能计算。将所采用的径流资料从小到大排队划分为若干流量等级，计算各流量等级出现的次数并进行水能计算，水能计算采用列表法进行。
关渔塘水电站的开发任务是发电，根据关渔塘电站所在电力系统的负荷特性、系统中水电比重小于25%，且关渔塘电站装机规模在贵州省电力系统中所占比重不足0.1%，根据贵州电力系统的电源构成和水利动能设计规范，关渔级水电站的设计保证率采用90%。
根据水利动能计算需要，水文在径流计算推求了关渔塘电站坝址典型年日流量过程。坝址处历年年径流量采用降水径流频率相应法进行计算，径流的年内月分配按木孔水文站相应年份月径流分配率来分配。根据水文计算成果，对坝址处1964年5月～2011年4月年径流系列进行分析比较后，根据典型年选择原则，选择了丰水年、平水年、枯水年三个典型年，分别为：丰水年（P=10%）：2001年5月～2002年4月；平水年（P=50%）：1986年5月～1987年4月；枯水年（P=90%）：2005年5月～2006年4月。
结束语
经计算，关渔塘水电站装机容量10.0MW，最大净水头54.95m，最小净水头49.52m，加权平均水头53.1m，汛期加权平均水头为52.56m，额定水头51.5m，机组台数2台，单机额定流量11.23m?/s，保证出力1.15MW，多年平均年发电量3205.88万kW・h，枯期电量677.54万kW・h。装机年利用小时数为3205.88h。