施 彬，牛文彬，田 迅

（1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

0 前言

根據(jù) 《中華人民共和國(guó)水法》、《水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》等國(guó)家法律法規(guī)的要求，水電建設(shè)項(xiàng)目不能破壞原有的生態(tài)環(huán)境，對(duì)環(huán)境有影響的項(xiàng)目必須泄放一定的流量來(lái)滿(mǎn)足減水河流的生態(tài)、生活、生產(chǎn)用水。國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局還要求：“對(duì)河流有斷流影響的電站，為保護(hù)水庫(kù)運(yùn)行期壩后減水河段的生態(tài)環(huán)境，電站必須下泄足夠的生態(tài)流量，滿(mǎn)足不小于壩址處多年平均流量10%的生態(tài)流量。”為提高所泄放生態(tài)流量的利用率，充分利用下泄生態(tài)流量的動(dòng)能，建設(shè)單位一般都設(shè)置生態(tài)小機(jī)組，在發(fā)揮其社會(huì)效益的同時(shí)再實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益。

1 關(guān)于生態(tài)流量及其保證率

1.1 生態(tài)流量的取值

根據(jù)國(guó)家相關(guān)法規(guī)，要求電站下泄的生態(tài)流量應(yīng)滿(mǎn)足減水河段工業(yè)、生活、生態(tài)等綜合用水要求，一般按壩址多年平均流量的10%考慮，但根據(jù)不同的情況也有一定的差異。

（1）對(duì)從水電站大壩至主體電站廠(chǎng)房尾水出口的天然河道被截?cái)嗟囊诫娬?，為了維護(hù)原河道的生態(tài)環(huán)境，下泄流量一般按不小于壩址處多年平均流量的10%考慮，如：卡基娃水電站（壩址處多年平均流量為101 m3/s，最小下泄的生態(tài)流量為10.1 m3/s）、黃金坪水電站（壩址處多年平均流量為841 m3/s，在黃金坪～瀘定水電站庫(kù)尾段常年維持景觀(guān)生態(tài)流量應(yīng)不低于84 m3/s）等。

（2）對(duì)從水電站大壩至主體電站廠(chǎng)房尾水出口的天然河道被截?cái)?，且被截?cái)嗪拥肋€有支流匯入的引水式電站，根據(jù) 《水利水電建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》的規(guī)定，經(jīng)實(shí)地調(diào)查和專(zhuān)題論證后，最小下泄流量不需嚴(yán)格按壩址處多年平均流量的10%考慮，可適當(dāng)放寬。

（3）對(duì)修建在大江大河上的河床式水電站，應(yīng)詳細(xì)分析水文情勢(shì)的時(shí)空變化過(guò)程，全面調(diào)查和分析對(duì)河流綜合用水的影響，提出滿(mǎn)足生活、生產(chǎn)、生態(tài)要求的河流生態(tài)水量。以老木孔航電樞紐的涌斯江水電站為例，老木孔航電樞紐壩址處多年平均流量2 470 m3/s，老木孔庫(kù)區(qū)內(nèi)防洪堤的修建將阻隔沿線(xiàn)岔河涌斯江的來(lái)水通道，從維護(hù)涌斯江基本的生態(tài)和景觀(guān)功能，并滿(mǎn)足沿江的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水需求出發(fā)，經(jīng)初步分析全年下泄為102 m3/s的生態(tài)流量，其中魚(yú)道需要12 m3/s的流量，另外90 m3/s的流量通過(guò)涌斯江水電站生態(tài)機(jī)組泄放。

1.2 生態(tài)流量的保證率

生態(tài)流量水電站在設(shè)計(jì)時(shí)，生態(tài)流量保證率應(yīng)按100%考慮，即無(wú)論什么時(shí)候、什么工況，采取什么方式，均應(yīng)保證能實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量的下泄。所以，即使修建了生態(tài)電站，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組不能發(fā)電泄水時(shí)，也應(yīng)考慮后備的泄水措施。

2 生態(tài)流量水電站裝機(jī)容量及機(jī)組臺(tái)數(shù)擬定

2.1 生態(tài)流量水電站裝機(jī)容量

生態(tài)流量水電站裝機(jī)容量的確定與常規(guī)電站裝機(jī)容量的確定不同，常規(guī)電站裝機(jī)容量選擇主要取決于兩個(gè)方面的因素，一是河川徑流大小及其分配特性，水庫(kù)調(diào)節(jié)性能，水電站利用水頭等特征；二是水電站的供電范圍、電力系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)展規(guī)模及其各項(xiàng)負(fù)荷特性指標(biāo)。而對(duì)生態(tài)流量水電站來(lái)說(shuō)，設(shè)置該電站的目的是為了充分利用減水河段的放水進(jìn)行發(fā)電，因此生態(tài)電站的裝機(jī)容量應(yīng)按照滿(mǎn)足最小下泄流量的容量設(shè)置即可。

我們知道，電站的裝機(jī)容量N=gQHη，式中，g、Q、H、η分別為電站機(jī)組安裝所在地的重力加速度、電站發(fā)電引用流量、水輪機(jī)運(yùn)行水頭以及水輪發(fā)電機(jī)組的效率。

可以看出，g和η基本變化不大，一旦生態(tài)流量Q和水輪機(jī)運(yùn)行水頭H確定后，電站的裝機(jī)容量就基本確定了。對(duì)于生態(tài)流量水電站，電站的裝機(jī)容量應(yīng)按水輪機(jī)最大運(yùn)行水頭考慮。

2.2 生態(tài)流量水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)的選定

生態(tài)電站的機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇，筆者認(rèn)為可分為兩種情況來(lái)考慮。

（1）對(duì)于生態(tài)流量不大，電站運(yùn)行水頭變幅較小，電站就設(shè)置在大壩附近且在大壩處有泄水閘門(mén)的生態(tài)流量水電站，可按最少的機(jī)組臺(tái)數(shù)1臺(tái)選取，如楞古生態(tài)電站、老木孔生態(tài)電站等。

（2）對(duì)于需下泄的生態(tài)流量較大、考慮機(jī)組運(yùn)行靈活性不高，電站運(yùn)行水頭變幅較大、或臥式機(jī)組單機(jī)容量受限的生態(tài)電站，機(jī)組臺(tái)數(shù)可按2臺(tái)選取，單機(jī)流量為生態(tài)流量的1/2，如黃金坪、毛爾蓋（考慮了兩個(gè)轉(zhuǎn)輪，以適應(yīng)不同水頭段）、卡基娃生態(tài)流量水電站等。但應(yīng)注意，當(dāng)機(jī)組檢修停機(jī)運(yùn)行時(shí)，仍應(yīng)有其他下泄放水措施。

3 額定水頭與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑的選擇

對(duì)于生態(tài)流量水電站來(lái)說(shuō)，水輪機(jī)在電站整個(gè)水頭運(yùn)行范圍內(nèi)都要保證幾乎恒定的下泄生態(tài)流量，機(jī)組運(yùn)行范圍較為特別，那么在水輪機(jī)參數(shù)選擇時(shí)，更應(yīng)關(guān)注流量的保證值，對(duì)電站的整個(gè)運(yùn)行水頭范圍進(jìn)行流量核算。由此可見(jiàn)，額定水頭在生態(tài)電站水輪機(jī)選擇中的意義并不大，若一定要象常規(guī)水電站水輪機(jī)選擇中那樣考慮設(shè)額定水頭，筆者認(rèn)為可以由水機(jī)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員根據(jù)電站運(yùn)行水頭變幅大小來(lái)擬定。

（1）對(duì)水頭變幅較小的生態(tài)電站，可以電站加權(quán)平均水頭的90%～95%作為額定水頭來(lái)選擇水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速，并復(fù)核最大水頭和最小水頭時(shí)的流量是否滿(mǎn)足生態(tài)流量要求。如果最大、最小水頭時(shí)的下泄流量不滿(mǎn)足要求，可適當(dāng)加大導(dǎo)葉開(kāi)度（一般宜控制在10%以?xún)?nèi)，且對(duì)應(yīng)的Q1'不宜超過(guò)出力限制線(xiàn)），以滿(mǎn)足最小下泄流量的要求。由于生態(tài)機(jī)組要求水輪機(jī)在任何工況下運(yùn)行，過(guò)流量均保持恒定，且基本不停機(jī)。因此，對(duì)生態(tài)機(jī)組水輪機(jī)參數(shù)的選擇更應(yīng)該重視水輪機(jī)的穩(wěn)定性和優(yōu)越的能量指標(biāo)，盡量使選擇的水輪機(jī)參數(shù)處于最優(yōu)效率區(qū)。

（2）對(duì)運(yùn)行水頭變幅較大的生態(tài)流量水電站（即按上述方法無(wú)法解決的機(jī)組），可以有以下兩種解決方式：①?gòu)陌l(fā)電效益角度出發(fā)，可按高水頭段和低水頭段分別選擇兩個(gè)轉(zhuǎn)輪，分別運(yùn)行；從節(jié)約投資角度出發(fā)，則可按水頭出現(xiàn)頻率高的水頭段來(lái)選擇轉(zhuǎn)輪參數(shù)，對(duì)出現(xiàn)幾率小且超過(guò)轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)的水頭段，限制水輪機(jī)的運(yùn)行工況，靠其他泄水方式下泄所需的生態(tài)流量。②按擬定的生態(tài)流量、最小水頭時(shí)的水輪機(jī)出力、最小水頭，計(jì)算選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1；再按選定的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1、生態(tài)流量、最大水頭，計(jì)算確定發(fā)電機(jī)容量。

4 發(fā)電機(jī)容量的選擇

常規(guī)電站的水輪發(fā)電機(jī)額定容量是由水輪機(jī)額定功率乘發(fā)電機(jī)效率確定的，但對(duì)生態(tài)流量水電站來(lái)說(shuō)，如前所述，機(jī)組發(fā)電機(jī)容量則應(yīng)是在最大水頭時(shí)，滿(mǎn)足生態(tài)流量的水輪機(jī)輸出功率，即滿(mǎn)足水輪機(jī)最大出力的容量。

5 實(shí)例分析

5.1 卡基娃生態(tài)流量水電站

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上，是該河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的 “控制性水庫(kù)”工程，水庫(kù)具有年調(diào)節(jié)能力，電站采用混合開(kāi)發(fā)方式，引水隧洞長(zhǎng)約6.36 km。為了保護(hù)從壩址到廠(chǎng)房尾水的天然河道生態(tài)環(huán)境，需要在卡基娃水電站壩址附近利用發(fā)電引水隧洞的施工支洞引水道常年下泄不小于10.1 m3/s的生態(tài)流量。為充分利用下泄生態(tài)流量的動(dòng)能，于壩軸線(xiàn)下游約850 m的木里河右岸設(shè)卡基娃生態(tài)流量小電站，電站裝機(jī)容量為12.4 MW。

卡基娃生態(tài)流量小電站若裝1臺(tái)機(jī)，雖然機(jī)電及土建投資省，但機(jī)組檢修時(shí)機(jī)組斷流時(shí)，必須另外設(shè)置1個(gè)生態(tài)放水閥或閘門(mén)才能達(dá)到泄放生態(tài)流量的目的，工程相對(duì)復(fù)雜。如果采用裝2臺(tái)機(jī)方案，雖然比前一種方案工程投資稍高，但電站運(yùn)行靈活，且更能保證生態(tài)流量的下泄。故卡基娃生態(tài)電站選擇裝機(jī)臺(tái)數(shù)為2臺(tái)的方案。

該電站最大水頭148.2 m，最小水頭90.9 m，加權(quán)平均水頭126.6 m，額定水頭91 m，電站引用流量即為最小下泄流量10.1 m3/s。根據(jù)以上基本動(dòng)能資料分析，電站最大最小水頭比為1.63，變幅較大，在全部水頭運(yùn)行范圍，單機(jī)出力范圍為3.75～6.2 MW，運(yùn)行范圍變幅也較大。為了使機(jī)組能安全、穩(wěn)定運(yùn)行，在保證下泄流量的基礎(chǔ)上采用了用最小水頭參數(shù)選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑、用最大水頭參數(shù)選擇發(fā)電機(jī)容量的方法，選擇卡基娃生態(tài)電站的機(jī)主要參數(shù)：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑1.0 m，額定流量5.15 m3/s，發(fā)電機(jī)額定功率6.2 MW，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)形式為臥式結(jié)構(gòu)。

5.2 涌斯江水電站

老木孔航電樞紐工程位于岷江干流樂(lè)山市境內(nèi)，是岷江（樂(lè)山～宜賓）干流航電梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第一級(jí)。涌斯江為岷江的左支汊河，從牛華鎮(zhèn)塘葉壩分流，經(jīng)竹根灘左側(cè)，于四望關(guān)與茫溪河匯合后至下游和尚垴注入岷江干流。老木孔庫(kù)區(qū)內(nèi)防洪堤的修建將截?cái)嘤克菇膩?lái)水通道，從維護(hù)涌斯江基本的生態(tài)和景觀(guān)功能，并滿(mǎn)足沿江的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水需求出發(fā)，需在塘葉壩分流處常年下泄生態(tài)流量，經(jīng)初步分析全年需下泄102 m3/s的生態(tài)流量，其中魚(yú)道需要12 m3/s，另外90 m3/s的流量通過(guò)電站泄放。故在涌澌江河口設(shè)涌斯江生態(tài)流量小電站。

經(jīng)計(jì)算，涌斯江電站最大水頭時(shí)水輪機(jī)出力約為5.7 MW，最小水頭時(shí)水輪機(jī)出力約為4.0 MW，該電站裝機(jī)臺(tái)數(shù)可以考慮1臺(tái)或2臺(tái)。設(shè)置涌斯江生態(tài)流量電站的目的主要有兩個(gè)方面的作用，一是充分利用下泄生態(tài)流量發(fā)電；二是當(dāng)庫(kù)區(qū)洪水未超過(guò)20年一遇時(shí)，開(kāi)閘泄洪，減輕庫(kù)區(qū)回水對(duì)上游的影響，起到部分分洪的作用。由于涌斯江電站裝機(jī)容量小，且電站樞紐主要建筑物還有5孔泄洪沖沙閘、魚(yú)道等。因此即使電站的機(jī)組檢修時(shí)停機(jī)斷流，還可以從泄洪沖砂閘下泄生態(tài)流量，以滿(mǎn)足河道保持生態(tài)的流量要求。故涌斯江生態(tài)電站采用1臺(tái)機(jī)方案。

該電站最大水頭7.0 m，最小水頭5 m，加權(quán)平均水頭6.73 m，額定水頭5 m。在滿(mǎn)足環(huán)保流量90 m3/s的前提下，對(duì)全部運(yùn)行水頭范圍內(nèi)各特征水頭進(jìn)行計(jì)算，該生態(tài)機(jī)組的參數(shù)選擇應(yīng)以水輪機(jī)最小水頭5 m時(shí)的出力4.0 MW，計(jì)算出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為3.6 m；水輪機(jī)的容量按最大水頭7 m時(shí)的出力5.4 MW計(jì)。涌斯江生態(tài)電站的機(jī)組主要參數(shù)：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑3.6 m，額定流量90 m3/s，發(fā)電機(jī)額定功率5.4 MW，水輪發(fā)電機(jī)組為燈泡貫流式。

5.3 毛兒蓋生態(tài)電站

毛兒蓋水電站位于四川省黑水縣～茂縣黑水河流域，水庫(kù)壩址位于河口下游1.2 km，是黑水河中游的 “龍頭水庫(kù)”，水庫(kù)具有年調(diào)節(jié)能力，電站采用混合開(kāi)發(fā)方式，引水隧洞長(zhǎng)約16.15 km。根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局對(duì)該電站環(huán)境影響報(bào)告書(shū)的批復(fù)，為保護(hù)水庫(kù)運(yùn)行期壩后減水河段的生態(tài)環(huán)境，電站必須下泄不小于5.2 m3/s的生態(tài)流量。為充分利用下泄生態(tài)流量的動(dòng)能，設(shè)置生態(tài)小機(jī)組，電站裝機(jī)容量為5MW。該電站最大水頭133.68m，最小水頭63.68 m，加權(quán)平均水頭116.29 m，額定水頭115.0 m，電站引用流量即為最小下泄流量5.2 m3/s。根據(jù)以上基本動(dòng)能資料分析，電站最大最小水頭之比為2.09，最大水頭與額定水頭之比1.162，變幅很大，在全部水頭運(yùn)行范圍，單機(jī)出力范圍為2.688～5.644 MW，運(yùn)行范圍變幅也很大。一個(gè)機(jī)組在如此寬廣的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)能否安全、穩(wěn)定運(yùn)行，需要非常謹(jǐn)慎地考慮水輪機(jī)參數(shù)的選擇。根據(jù)機(jī)組水頭運(yùn)行的特點(diǎn)可以考慮兩種參數(shù)選擇方案。

（1）根據(jù)水庫(kù)水位變化的特點(diǎn)，1月中旬到7月中旬，水頭變化范圍為63.68～102.0 m，7月中旬到次年1月中旬，水頭變化范圍為102.0～133.68 m。按照這兩種不同的電站水頭運(yùn)行規(guī)律分別選適合該水頭段的轉(zhuǎn)輪，并將其中一個(gè)轉(zhuǎn)輪的進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)處理，使得兩個(gè)轉(zhuǎn)輪可以在同一蝸殼中安全穩(wěn)定運(yùn)行。每年定期更換轉(zhuǎn)輪，更換轉(zhuǎn)輪同時(shí)更換尾水管。這樣兩個(gè)轉(zhuǎn)輪都在各自最優(yōu)區(qū)運(yùn)行，綜合效率較高，轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行情況也比較理想。

（2）選擇1個(gè)運(yùn)行范圍比較寬的轉(zhuǎn)輪，然后對(duì)超過(guò)其穩(wěn)定運(yùn)行范圍的工況限制運(yùn)行。根據(jù)此思路，根據(jù)毛兒蓋水庫(kù)水位變化特點(diǎn)，每年運(yùn)行水頭低于72 m的時(shí)間只有4月中旬到5月中旬1個(gè)月。而毛兒蓋生態(tài)電站選擇的轉(zhuǎn)輪在72 m水頭以下的運(yùn)行區(qū)域，效率較低，還將產(chǎn)生脫流而引起振動(dòng)、噪音、空蝕，水頭越低越嚴(yán)重，對(duì)機(jī)組運(yùn)行非常不利，因此建議在72 m水頭以下不宜開(kāi)機(jī)。