摘要：低水頭水電站的規(guī)劃設計相對比較復雜，本人根據(jù)幾年來的工作實踐對于其規(guī)劃設計進行了分析總結。

關鍵詞：低水頭水電站，規(guī)劃設計，總結。

1、序言

現(xiàn)在隨著各地水電開發(fā)的深入，各地都在充分開發(fā)利用大流域的水力資源建設低水頭電站，而低水頭電站由于其流域集雨面積大，一般位于流域的中下游河谷平原，工程涉及面較廣，同時設計水頭較低（一般水頭范圍為3-15m），所以其水力資源開發(fā)有其自身的特殊情況，規(guī)劃設計工作相對比高水頭電站復雜，如何開展合理的規(guī)劃設計工作是個值得研究的問題。本人根據(jù)這幾年的低水頭水電站工程的規(guī)劃設計工程實踐，從流域水力資源規(guī)劃、水能開發(fā)方式、攔河壩壩型選擇、裝機規(guī)模論證、水輪發(fā)電機組選型這五個方面進行分析總結后形成了本次技術論文。

2、低水頭電站規(guī)劃設計總結

2.1流域水力資源規(guī)劃

⑴梯級電站的布局

流域水力資源規(guī)劃主要應該與本地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃、國土利用規(guī)劃、城市建設規(guī)劃和流域綜合規(guī)劃相協(xié)調，流域水力資源規(guī)劃主要涉及到梯級電站的布局，而梯級電站布局關鍵是各級電站壩址位置的選擇， 電站壩址位置的選擇具體來講，既要考慮到上下兩級電站水位銜接問題，又要考慮到該壩址位置的選擇對于上游兩岸城鎮(zhèn)、農(nóng)村防洪影響及耕地的淹沒，在以上因素兼顧的前提下，各級電站壩址的位置盡量往下游移動，以減少引水渠道或尾水疏浚的長度，提高電站水頭利用的穩(wěn)定性，并節(jié)省工程投資。

⑵梯級電站水位的銜接

梯級電站里上游電站的尾水位與下游電站正常蓄水位的關系是流域水力資源規(guī)劃的核心問題。而低水頭電站一般機組裝機臺數(shù)為2-6臺，相應的上游電站由于有正常尾水位、平均尾水位、加權平均尾水位、最低尾水位等幾種水位，而下游電站有以正常蓄水位、活動壩起翻水位等。另外，根據(jù)實際工作情況來看，有的地方考慮上游正常尾水位與下游正常蓄水位銜接的方案，有的地方考慮上游平均尾水位與下游正常蓄水位銜接的方案，有的地方考慮上游加權平均尾水位與下游正常蓄水位銜接的方案，有的地方考慮上游最低尾水位與下游正常蓄水位銜接的方案，所以上游兩級電站水位如何銜接是個應該仔細分析的技術問題。

根據(jù)多年大流域低水頭電站規(guī)劃設計工作實踐來看，本人認為采用上游加權平均尾水位（2/3正常發(fā)電流量時尾水位）與下游正常蓄水位銜接方案作為梯級電站水位分配原則為妥。這樣既有利于上級電站水力資源的充分利用，又有利于減少上下級區(qū)間兩岸的淹沒政策處理工作難度。水力水位銜接通過天然河道水面回水曲線程序進行水位推算，推算前應對沿程河床斷面進行測量，斷面間隔根據(jù)河床坡降情況一般取在200-1000m之間，在利用天然河道水面回水曲線程序時最好利用現(xiàn)狀實測的水面線進行相關主要參數(shù)的擬合后再進行水位推算，同時根據(jù)所計算的成果，最好留有0.1-0.2m左右余度，以保證上下游兩級電站的正常運行。

2.2、電站水能開發(fā)方式

對于低水頭電站而言，由于一般處于流域中下游的平原地帶，其水能利用主要有常規(guī)的引水式、河床式以及結合下游河道疏浚的特殊河床式三種開發(fā)方案，各個電站的水能開發(fā)采用何種開發(fā)方式既要考慮到工程層因素，又要考慮蓄水淹沒等政策處理因素，而政策處理等社會因素現(xiàn)在已越來越成為水能開發(fā)方式的決定式因素，總之最后水能開發(fā)方式的選用是一個綜合權衡工程技術和經(jīng)濟社會后的結果。

根據(jù)這幾年來的工程實踐來看，常規(guī)引水式水能開發(fā)方案一般適用于局部走向呈“U”型的河流或原歷史已建引水渠道的老電站改造，此時可考慮在“U”型兩頂端通過布置較短的引水渠道集中落差進行水力資源利用，相應的工程投資及政策處理工作也比較簡單；而常規(guī)的河床式水能開發(fā)方案一般適用于壩址上游水能較為集中而下游河段較為平緩的河流；而大部分較為順直的山區(qū)性河流上新建電站的水能開發(fā)則比較適用于采用結合下游河道疏浚的特殊河床式水能開發(fā)方式。

因為一般較為順直的山區(qū)性河流上采用引水式方案的話，則引水渠道及前池等工程投資較大；并且引水渠道等今后每年都存在維護、管理問題,相應地存在廠、壩區(qū)之間的斷流問題，存在對區(qū)間的生態(tài)環(huán)境影響問題；另外引水式開發(fā)占用土地及河床灘地面積均較大，相應的河道占用費及土地占用補償費用較大，相應政策處理工作困難。但是采用普通的河床式開發(fā)方案，水頭落差一般比引水式方案低很多，雖然工程投資較省，但工程整體效益一般。而采用結合河道疏竣的河床式開發(fā)方案,其與引水式方案相比，不僅可以取得相同的水頭落差，電站的綜合效益相差不大，而且工程可比性投資卻節(jié)省較多，整個工程的政策處理工作變得簡單，所以一般考慮推薦采用結合下游河道疏竣的河床式開發(fā)方案這樣既可以達到增加電站水頭的目的，又節(jié)省了引水渠道、前池等工程投資，又減少了占用土地及河灘地的面積，相應地減少河道水域占用補償費用，相應電站政策處理工作變得簡單。當然采用結合河道疏竣的河床式開發(fā)方案，也要結合當?shù)貙嶋H，要考慮河流的自然沖淤規(guī)律。

2.3、攔河壩壩型選擇

在一般平原建設低水頭電站，為了洪水期不淹沒上游兩岸民房、沿岸公路以及不遷移人口，以減少上游淹沒損失，而平時又能適當抬高水位增加發(fā)電效益，因此一般低水頭電站攔河壩均采用活動壩形式，而現(xiàn)在主要活動壩有橡膠壩和水力自控翻板壩兩種。

根據(jù)這幾年的實際工程實踐總結來看，橡膠壩優(yōu)點：跨度大，過水能力較大，可坍壩，相對洪水影響小，對下游的沖刷力較小，壩袋也比較美觀，漏水量相對較少，并且水位可控制運行。橡膠壩缺點：抗沖擊能力和抗磨損能力較差，相對耐久性較差，易老化、易破壞、需要專門的充水設備與值班操作管理人員，運行管理相對要求較高，結構相對復雜，且運行管理費用較高、投資也相對較大（造價相對于翻板壩高出15～40％）。而水力自控翻板壩的優(yōu)缺點剛好與橡膠壩相反，翻板壩優(yōu)點：無人操作，自動運行、結構簡單，施工方便、運行管理成本較低，壽命較長，運行費用低，并且近年來已發(fā)展出液壓控制翻板門，大大豐富了翻板壩的應用范圍。翻板壩缺點：洪水影響略大，漏水量相對較大，密封性相對較差，美觀性方面略差于橡膠壩。

經(jīng)過綜合分析，在今天市場來講，兩者工程投資相差不大，但各有優(yōu)缺點，不能簡單地排斥那個方案,相對來講翻板壩比較適合山區(qū)性河流，而橡膠壩比較適合對景觀有所要求的城鎮(zhèn)附近平原性大流域河流，并且對單位運行管理能力要求相對較高。根據(jù)這幾年來的實際工程運用上來看，水力自控翻板門的應用越來越廣泛，也出現(xiàn)了可人為控制關閉的液壓水力自控翻板壩，所以如果防洪能力滿足要求，還是選用翻板閘門相對較好的。兩種活動壩的固定壩頂高程均要求略高于上游灘面平均高程0.3～0.5m左右，并且對于上游的灘面應進行清理平整處理，以保證活動壩的正常運用。

2.4、電站裝機規(guī)模論證

由于中高水頭電站可以搶發(fā)豐水期或洪水期電能，而低水頭電站裝機規(guī)模有其自身特殊性，即其電站設計水頭一般為3-15m左右，豐水期或洪水期時由于其尾水位上升而導致機組偏離正常工況區(qū)而不能搶發(fā)豐水期或洪水期電能，所以其裝機利用小時數(shù)一般比中高水頭電站略為偏大，根據(jù)現(xiàn)在的區(qū)域電價水平和流域水文豐枯情況，一般低水頭電站的裝機利用小時數(shù)控制在3000-4500小時為好，過大的裝機水平由于洪水期電站不低搶發(fā)電能而導致設備出力閑置。當然，在電站裝機規(guī)模的水能分析計算程序設計時，應充分結合低水頭電站的實際情況，將上下游的水位流量關系曲線送入程序，由電站程序進行逐時判別，當電站可利用水頭低于設計水頭的60%時則停止電站發(fā)電，這樣設計的模型才是很安全工程實際的，否則容易陷入中高水頭電站的裝機容量越大電站效益越好的怪圈。

電站裝機規(guī)模論證時，電站設計水頭應以上下游加權平均水位進行分析計算，即以庫區(qū)正常消落深度的2/3處水位作為上游加權平均水位，而下游則以2/3正常發(fā)電流量時的尾水位作為電站下游加權尾水位，另外再考慮引水系統(tǒng)水頭損失后最終才確定出電站的設計水頭，而不宜以上下游的正常水位來確定電站設計水頭，這樣不利于今后電站其他各種運行工況的兼顧。

低水頭電站的裝機規(guī)模論證應進行全方位的可比性分析，從機組臺數(shù)上來說，一般宜結合電站樞紐布置安排3-6臺為好，沒有特殊情況不宜采用2臺裝機方案，同時也應重點分析比較采用多臺低壓機組方案還是臺數(shù)少點的高壓機組方案，機組臺數(shù)的選擇也要考慮到上游電站的機組臺數(shù)配合后再選擇3-4個最現(xiàn)實可比性方案進行重點分析論證。對于各方案的可比性投資方面應對主要機組設備和起重機、檢修閘門等輔助設備以及廠房上部和基礎土建投資進行詳細地可比分析，特別是分析不同的裝機方案由于其水輪機規(guī)格的不同，一方面帶來廠房平面尺寸不同，一方面機組吸出高度不同帶來的基礎土建投資區(qū)別，另一方面相關機電設備投資的差異變化。同時也運用電能計算程序對于其發(fā)電效益進行分析，最后通過差異投資內部收益率以及綜合權衡運行管理等其他因素進行最終方案的取舍。

在機組的規(guī)模論證時應注意 “低壓機組喜好傾向”，一般中小型的工程勘測設計單位可能簡單認為低壓機組由于保護控制相對比較簡單、投資較為節(jié)省而比較傾向采用多臺低壓機組的規(guī)劃設計方案，這種思路在3000kw以下的電站中可能是比較合理的，但在3000-5000kw的電站中可能就有其一定的偏面性了，3000-5000kw的電站中雖然采用低壓電站其機電設備投資略為減少，但廠房的建筑工程投資由于其建筑面積增多而較大增加，并且采用大容量機組的效率較低壓小機組略高，總體而言采用高壓機組方案較為有利，不過具體的方案也應進行具體地分析。當電站裝機容量在5000kw以上的則比較明顯應采用高壓機組方案為宜。

但采用高壓機組時也并非機組臺數(shù)越小越好，如我們在論證某地一只低水頭電站時，采用了2×2000kw、3×1600kw、2×2500kw這三個不同裝機規(guī)模進行動能經(jīng)濟可比性分析比較，最后因2×2500kw方案相關的機電設備投資和基礎土建投資增大較多相應增加投資部分效益較差而選用了3×1600kw方案，因此也不能一概而論高壓機組臺數(shù)越小越好，這與正常認為機組臺數(shù)越小廠房土建投資節(jié)省幾間土建投資而機電設備差不多的簡單化想法存在實際的差別，應引起重點注意。

2.5、水輪發(fā)電機組設備選型

水輪發(fā)電機組設備選型工作是低水頭電站規(guī)劃設計的一項重要內容之一，水輪發(fā)電機組選型應通過技術經(jīng)濟綜合比較后選取。機組選型比較時不僅應考慮機組設備的投資變化，還應結合電站廠房的水工布置實際和水輪機汽蝕性能的好壞對廠房基礎土建投資進行仔細比較，并考慮兩套方案之間的效率區(qū)別，最后通過水能計算程序比較電能區(qū)別后再進行綜合選取。

低水頭段水輪機主要機型有貫流式和軸流式兩種，相對來講兩者主廠房土建投資接近，但采用貫流式水輪機比軸流式水輪機設備投資增加較多，而貫流式機組的效率比軸流式機組略低，所以綜合考慮，一般情況下低水頭電站水輪機采用軸流式機組方案為妥。

當電站設計水頭低于6m、轉輪直徑不大于1.6m時，由于機組單機容量較小，可考慮采用明槽、內調結構的水輪機，以節(jié)省水輪發(fā)電機組的設備投資。但當電站設計水頭大于6m、轉輪直徑大于1.6m時，雖然明槽、內調結構的水輪機價格較低，但考慮到所選的水輪機轉輪直徑已經(jīng)較大，并且明槽結構容易在槽內產(chǎn)生旋渦水頭損失，另外進入轉輪的環(huán)量相對不足，對水輪機的效率略有影響，并且明槽結構的導水機構頂蓋長期容易磨損、環(huán)向拉桿容易松動，導致機組長期運行穩(wěn)定性較差，所以水輪機選型設計宜考慮采用混凝土蝸殼、外調結構形式。

常規(guī)臥式發(fā)電機組選型相對比較簡單，只需各自按常規(guī)選取即可，而立式軸流水輪發(fā)電機組的設備選型與臥式發(fā)電機組不同，如果采用圓筒式封閉機墩時，還有個今后機組的檢修問題，即水輪機轉輪、頂蓋和發(fā)電機的配合問題，應加以特殊考慮。具體來講就是發(fā)電機下機架牛腿內徑應略大于水輪機轉輪直徑，發(fā)電機上機架牛腿外徑應略大于水輪機頂蓋外徑，確實配合相關太大時，可考慮在圓筒發(fā)電機上機架牛腿之間開挖一定寬度的內槽供今后取水輪機頂蓋用。但是如果采用4根框架立柱來承重的話則頂蓋可考慮放在水輪機層檢修，有利于水輪機轉輪、頂蓋和發(fā)電機的配合問題的解決。4根框架立柱的機墩可考慮將發(fā)電機層的苛載分擔至機組兩側機墩上，有利于減少水輪機層進水室和尾水室的頂板受力荷載，優(yōu)化廠房結構布置。是今后立式機組圓筒式封閉機墩結構優(yōu)化方向。

3、結語

低水頭水電站的規(guī)劃設計相對比較復雜，本人根據(jù)幾年來的工作實踐對于其規(guī)劃設計進行了分析總結，希望本人的一些粗淺思考能給大家提供有益的參考。

陳斌（1975.10～），男，大學、工程師，設計所所長，主要從事水利水電工程的規(guī)劃、設計工作。