门子哨水电站装机方案及工程布置研究

□赵 磊 杜 平

门子哨水电站位于潘家口水库末梢，尾水受库水位顶托影响较大，水能计算呈现出丰水年发电量较小，平水年发电量多于丰水年，而枯水年发电量较大的特点，越是丰水年水库水位越高，电站发电水头越小，甚至为负水头，致使电站发电量较小，甚至不能发电。门子哨水电站厂房、厂区按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。结合本工程实际情况，通过水能分析和计算研究，确定了装机推荐方案和工程布置方案，旨在为类似工程提供参考。

1.工程概况

门子哨水电站位于潘家口水库库区末梢兴隆县境内滦河上，利用水库低水位运行期，集中滦河水头落差发电，属低水头电站。该电站开发河段自柳河入滦河口至门子哨村第一个弯道末端，开发河段约10km，集中落差约14.5m。电站引水枢纽上游设计水位222.5m，电站下游河道水位受水库蓄水位影响，可开发利用水头约11.87m。电站装机容量4600kW，设3台大小机组（1000kW+1600kW+2000kW），多年平均发电量1249.5万kW·h，装机年利用小时数2716h。

表1 水能计算成果表

表2 安装间不同高程时四种方案投资对比表 单位：万元

2.水能计算和装机方案

结合本工程实际情况，电站水能计算按常规典型年法进行计算已失去意义，不能准确反映电站发电情况。基于此，电站水能计算采取根据潘家口水库站址处25年（1991～2015年）逐日入库平均流量、平均库水位和电站下游尾水位与流量关系曲线，逐年逐日进行计算。初步选定3个装机容量方案，即方案1装机3850kW（1000kW+1250kW+1600kW）、方案 2装机 4600kW（1000kW+1600kW+2000kW）、方案3装机 5100kW（1000kW +1600kW +2500kW），并针对这3个装机容量方案，分别计算电站多年平均年发电量、装机年利用小时数、加权平均水头及水能利用率等。

电站日出力按下式计算：

式中：

N—日平均出力（kW），计算时，出力小于500kW的舍弃，出力大于装机容量的取装机容量值；

k—综合出力系数，水头低于8m时取k=7.0，8m以上取k=8.0；

Q—日引用流量（m3/s），流量大于装机额定流量的取额定流量值；水能计算时，已扣除维持河道生态环境用水；考虑断流河段较短，且水库高水位时可回水至电站上游，河道生态环境用水约取日平均流量的5%；

H—净水头（m），H=Z前-Z尾-h损；式中Z前为前池正常蓄水位，Z前=222.0m；Z尾为下游尾水位，比较库水位和根据下游水位与流量关系曲线查取的尾水位，取两者的高值；h损为水头损失，取h损=0.5m。

电站多年平均年发电量按下式计算：

式中：

E年—多年平均年发电量（万kW·h）；

N—日出力（kW）；

T—日发电小时（h）；

n—计算年数，n=25年。

加权平均水头按下式计算：

H加权=∑（H×E）/∑E

式中：

H—日发电水头（m）；

E—日发电量（kW·h）。

水能计算成果见表1。

以上3个方案装机均为3台，大、小机组相组合，该选择主要是考虑兼顾小流量发电和尽量减少弃水。根据电站发电水头和流量，适合的水轮机型式为轴流定浆或贯流定浆。定浆水轮机稳定出力范围为额定出力的75～100%。因此，为了机组间出力能够顺利衔接过渡，均选择了3台异型机组相组合的装机方案。根据水能计算成果，本着尽可能多利用水能发电，控制装机年利用小时数在2500～3000小时之间。方案3虽发电量较多，但较方案2增加电量并不明显，且电站厂房尺寸及吊车等均需按大机组选择布置，厂房布置尺寸较大，投资较高。方案2兼顾发电量和年利用小时数较好，确定为本电站装机推荐方案。根据《小型水力发电站设计规范》，设计水头与加权平均水头的比值应在0.85～0.95之间选择，由此确定电站设计水头为10.5m。

图1 电站布置位置图

3.工程总体布置方案

3.1 工程位置及安装间高程确定

3.1.1 站址确定

站址选定在门子哨村北约1.3km滦河右岸，电站引水枢纽、厂房紧邻承德市内现有公路，对外交通便利，有利发展生态景观。该段河道深槽稳定，便于取水、冲沙和厂房等建筑物布置，工程地质条件良好，引水隧洞较短，上游防护工程量较小。电站整个工程位于潘家口库区，不涉及永久征地，初步确定站址选定在门子哨村北河段。电站布置位置见图1。

3.1.2 安装间高程选择

水电站厂房、厂区按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核，根据本工程地形条件，为了合理确定安装间高程，初拟以下4种方案：方案1安装间高程同发电机层地面高程（215.15m），与厂区间设混凝土连接路，连接路临河侧设浆砌石防洪墙；方案2安装间高程按10年一遇洪水标准设计（220.09m），与厂区间设混凝土连接路，连接路临河侧设浆砌石防洪墙；方案3安装间高程按20年一遇洪水标准设计（223.12m），与厂区间设混凝土连接路，连接路临河侧设浆砌石防洪墙；方案4安装间高程按50年一遇洪水标准设计（225.97m），与厂区间设混凝土连接路。以上4种方案浆砌石防洪墙、混凝土连接路和由于安装间抬高而增加的厂房投资对比见表2。方案1具有管理和运行方便的优点，但由于安装间高程远低于厂房处50年一遇洪水位，需要修筑较高的防洪墙，造成防洪墙投资较大，最终该方案投资也较大。方案2虽在方案1的基础上一定程度抬高了安装间高程，降低了防洪墙高度，但由于此时防洪墙仍较高，由于安装间抬高厂房投资也有所增加，方案2投资低于方案1。方案3在方案2的基础上继续抬高安装间高程，有效地降低了防洪墙高度，虽然由于安装间抬高厂房投资较方案2增加，该方案总投资相对较低。方案4不需要修筑防洪墙，连接路路基土方填筑较大，由于土方填筑单价较小，加上由于安装间抬高厂房投资的增加，总投资比方案3略微增。但此时总厂房总高度太大，管理和运行较为不便，不作为推荐方案。综合以上分析，安装间高程按方案3确较为合适，最终确定为223.45m。

3.2 工程总体布置方案

门子哨水电站装机容量4600kW，属小（2）型水电站，工程等别为V等，主要建筑物均按5级建筑物设计。本工程主要建筑物包括拦河坝、冲砂闸、进水口、引水闸、引水隧洞、压力前池，进水闸、压力管道、厂房及尾水建筑物等。

3.2.1 引水枢纽

引水枢纽包括拦河坝、冲砂闸、进水口、引水闸等建筑物。

拦河坝布置于深槽，坝长110m，最大坝高8.07m，正常蓄水位222.5m，分上下两部分坝体，底部为钢筋混凝土石料坝（坝体内为硬岩石料，表层为钢筋混凝土），坝顶高程218.7m，顶部为4m高橡胶坝，坝顶高程222.7m。

冲砂闸紧邻拦河坝右侧布置，闸室为开敞式钢筋混凝土结构，共2孔，单孔净宽5m，底板顶面高程217.0m，闸墩顶高程223.3m。墩顶上部设排架柱、工作桥和启闭机室。

进水口位于河道右岸，顺水流方向长10m，钢筋混凝土矩形槽结构，上游底高程216.0m，底宽15m，下游底高程215.4m，底宽7m。为防止河内推移质进入引水隧洞，在进口渐变段前端设拦砂坎和拦污栅。

进水口后为涵洞式引水闸，闸室段全长12m，垂直水流方向宽9m，钢筋混凝土结构，单孔布置，净宽7m，闸底板高程215.4m，结合河道右岸现状地形，墩顶上设置竖井，竖井上布置启闭机室。

为保证枯水季节河道不断流，在冲砂闸和橡胶坝之间导流墙内，预埋泄水钢管，设阀门井控制下泄流量，保证河道不断流。

3.2.2 引水隧洞

引水隧洞长682m，城门洞型，设计纵坡1/2000，设计水深6.98m，底宽7m，拱顶圆弧半径4.04m，圆心角120°，隧洞总高9.02m，断面面积59.03m2。隧洞沿线以灰岩为主，未发现明显断裂破碎带，按无衬砌隧洞设计，进出口采用0.25m厚钢筋混凝土衬砌，洞顶进行回填灌浆。局部岩石破碎段，开挖后锚喷混凝土。

3.2.3 厂房及进水建筑物

厂房及进水建筑物包括压力前池，进水闸、压力管道、厂房等。

压力前池为钢筋混凝土结构，顺水流方向长25m，上游底高程215.05m，底宽7m，下游底高程211.55m，底宽20m。

进水闸为涵洞式，闸室长10m，垂直水流方向宽24m，钢筋混凝土结构，共3孔，闸孔尺寸分别为5.5m×3m、6m×3.5m、4.5m×2.5m（宽×高）。闸底板高程214.55m，墩顶高程223.75m。排沙闸布置在压力前池进水闸底板下方，竖井式，侧向进水，后接隧洞，末端为尾水渠下游滦河。

压力管道为钢筋混凝土箱涵，总长15.54m，矩形结构，压力箱涵进口底高程为214.55m。压力管道选用单元供水，包括1台大机组、1台中机组和1台小机组，3孔箱涵进口尺寸分别于进水闸闸孔尺寸匹配，出口底高程为206.98m，压力管道中部为渐变段，长6.9m。

厂房包括主厂房和副厂房。主厂房按50年一遇洪水标准设计，226.3m高程以下外墙为钢筋混凝土结构，安装间处设钢制防水门。主厂房长39.02m，宽12.90m，厂房内布置3台立式轴流水轮发电机组，大机组布置于中部，中、小机组分别布置于大机组左右两侧，大中机组间距8.25m，大小机组间距7.75m，装机高程208.45m，发电机层地面高程215.15m。安装间布置于厂房左侧，地面高程为223.45m。

副厂房位于主厂房上游压力管道左侧，长29.08m，宽9.04m，分两层布置；1层地面高程与安装间相同，2层与厂区相通。

3.2.4 尾水建筑物

尾水建筑物包括尾水闸、尾水池和尾水渠。

尾水闸为钢筋混凝土结构，与电站地下结构为一整体。闸室顺水流方向长5m，底板高程204.25m，墩顶高程210.95mm。尾水口尺寸自左向右依次为5.434m×3m、5.920m×3m、4.576m×3m（宽×高），3个尾水口均设钢闸门。尾水闸末端接钢筋混凝土尾水池。尾水池顺水流方向长14.75m，为1∶5反向坡，底高程204.25～207.20m。尾水池两岸为钢筋混凝土岸坡，坡比为1∶2，底部为钢筋混凝土护底。尾水池末端接尾水渠。尾水渠渠首宽度为22.70m，渠底渐宽折向下游滦河河底。尾水渠采用岸坡式浆砌石断面，渠底高程为207.2m，设计纵坡1/3000。

3.2.5 厂区

厂区位于拦河坝坝址下游约5.2km滦河左岸，包括主副厂房、进厂道路等，管理房位于厂区内。升压占位于前池左侧，地面高程为227.25m，厂区内布置1台S11-6300/11主变及11kV出线构架。

4.调度运用原则

门子哨电站利用滦河来水发电，受上游调蓄和下游水库的双重影响，引水枢纽的拦蓄和泄水建筑物的洪水调度运用初步确定“洪峰敞开泄流，首尾拦蓄发电”的策略，具体采用以下运用原则：

一是当洪水流量大于电站设计流量小于一定深度时，按发电要求正常引水发电，由拦河坝自由溢流下泄余水，保持坝前水位正常挡水位与最高溢流水位之间运用，同时准备开启冲沙闸。

二是当洪水流量大于电站设计流量与拦河坝最大溢流流量之和时，开启冲沙闸助泄，并在上游水位不低于正常挡水位的条件下，尽量利用冲沙闸泄流、冲砂。

三是当洪水流量大于电站设计流量、溢流坝最大溢流流量及冲沙闸泄流能力三者之和时，冲沙闸敞泄，拦河坝坍坝运用，根据水头电站相机发电。

四是洪峰过后，当洪水流量小于电站设计流量、溢流坝最大溢流流量及冲沙闸泄流能力三者之和时，拦河坝充坝挡水，恢复电站发电运行。

5.结语

门子哨水电站是以水电为主的综合开发利用工程，主要工程任务为生态式水电开发。通过研究电站位于水库末梢的实际情况，确定了装机利用方案，结合电站站址地形、地质、交通等情况，确定了电站布置方案。门子哨水电站的建设对当地经济发展将起到有力的促进作用，启动该类型小水电综合开发工程是必要的，如资金、环境等条件允许，建议建设单位根据实际情况，争取优惠条件，通过采取协商提高电价等措施，促使该类型电站建设并投入使用。