武川水厂水能利用改造工程规模设计

武川水厂采用有压管线从武川水厂引水，引至厂区减压后进入湍流池。水厂采用减压阀进行减压消能，由于减压阀需根据引流量调整阀门的开启度，减压阀长期处于局部开启状态。减压阀震动大，损耗严重、检修费用高，并且这种减压方式也是对水能的一种浪费，因此需要对消能方式进行改造，充分利用水能资源。武川水厂水能利用改造工程装机容量430kW，最大水头56.55m，最小水头34.93m，设计水头53m，机组台数2台，单机额定流量0.5m3/s。

一、概述

白银市武川水厂位于白银市武川乡东涧沟村境内，距白银市区13km。水厂4.5km处有包兰铁路和兰景公路通过，且工程区有多条乡间大道相连。工程场内外交通条件良好，对外交通较为便利。水厂每年向白银市提供城镇生活毛用水量2404.62万m3。日平均供水量6.59万m3，高峰期日供水量8.56万m3。武川水厂通过有压管线从武川水库引水，引水管线长810m。

武川水库为一峡谷型注入式水库，主要任务是调蓄引大工程水量，改变引大供水结构，提高引大工程水资源利用的综合效益。水库总库容839.22万m3，兴利库容779.22万m3，正常蓄水位1929.9m，设计洪水位1930.06 m，校核洪水位 1930.52m，防洪限制水位为1929.9m。水库回水长度约1.7km。

武川水厂采用有压管线从武川水库引水，引至厂区减压后进入湍流池。目前水厂采用减压阀进行减压消能，这种减压方式也是对水能的一种浪费，因此通过在引水管线下游设水电站，达到消能，并充分利用水能目的。

二、工程建设的必要性

（一） 改造消能方式充分利用水能

武川水厂采用有压管线从武川水厂引水，引至厂区减压后进入湍流池。目前水厂采用减压阀进行减压消能，由于减压阀需根据引不流量调整阀门的开启度，减压阀长期处于局部开启状态。减压阀震动大，损耗严重、检修费用高，并且这种减压方式也是对水能的一种浪费，因此需要对消能方式进行改造，充分利用水能资源。

（二）增加企业收益

白银市动力公司净化水厂是一个源能消耗性单位，水电站利用水库至净水厂之间的输水落差，可充分利用水力资源，降低水厂对外的能源需求量。两电站每年可发电500kW·h，除自用外，大部分上网，给企业带来一定的经济收益。

（三）节省不可再生资源、减轻环境污染

水电站的适度开发不但可以缓解当地电力需求带来的压力，而且可以有效减少常规能源尤其是煤炭资源的消耗及烟尘等有害物质的排放，减轻了环境污染，保护了生态环境。原水厂的冬季取暖全部采用燃煤锅炉，耗煤量大、污染物排放量大，不符合环保部门的要求，该工程建成后，可对采暖方式进行改造，全部采用电能，从而减少污染、降低运行成本。

综上所述，尽早开始武川水厂水能利用改造工程工程是非常必要的。

三、特征水位选择

（一）基本资料

1.水库供水流量资料

武川水库为注入式水库，水源全部来自引大工程，水库为白银市自来水厂水源。在水厂建成后，对注入水库水量进行连续监测记录，对从水库取水量也进行了连续监测记录，成果十分可靠。考虑到水库为人工注入式水库，无天然径流影响，无丰、平、枯年份区别，因此只对2015年的水量记录作为分析对象。取水流量过程见图1。

2015年主要特征流量如下。

最大取水流量：1.094m3/s;最小取水流量：0.438m3/s;加权平均流量：0.712m3/s。

2.水库蓄水位

本水库为年调节水库，根据引大来水过程和设计水平年用水过程进行兴利调节计算。设计水库从3月开始蓄水，水库初始库容为死库容30万m3，水位为死水位1900.5m，入库流量为2.22m3/s，日入库水量为19.16万m3，出库流量为0.78m3/s，日出库水量为6.71万m3。8月上旬水库蓄满，水库库容为839.22万m3，水位为正常蓄水位1929.9m;8月中旬开始放水，此时进入引大工程的检修期，水库没有入库水量，出库流量为1.19m3/s，日出库水量为10.28万m3，放时时段一直到9月末，月末库容为373.4万m3，水位为1920m;10月份再次蓄水，入库流量为1.39m3/s，日入库水量为11.99万m3，出库流量为0.78m3/s，日出库水量为6.71万m3，蓄水时段持续至11月11日引大供水期结束，此时水库库容为699.53万m3，水位为1928m; 11月11日以后开始第二次放水，出库流量为0.78m3/s，日出库水量为6.71万m3，到次年3月上旬放至死库容。

不考虑降水影响，扣除蒸发、渗漏损失后，水库兴利库容为779.22万m3，正常蓄水位为1929.9m，年供水量2404.62万m3。

在投入进行后，对水库水位进行观测，2015年的全年水库水位变化如图2所示。

2015年特征水位。

水库最高蓄水位：1930.14m;水库最低蓄水位：1913.02m;全年水位变幅差为：17.12m。

（二）特征水头

1. 水库水位

武川水库为注入式水库，为年调节水库。水库水位随注入水量与水厂取水量的增加减少而变化。根据对2014年、2015年的水位变化统计，水库最高蓄水位1930.45m，水库最低蓄水位1909.79m，全年水位变幅差为：20.66m。

2.设计尾水位

电站尾水出来后接原输水管线，进入净水厂的湍流池，湍流池内水面高程1871.65m，考虑到管线水头损失及湍流池对水头的要求，电站设计尾水位为1873.65m。

3.设计水头

可利用的水头落差： ▽Z=水库水位-尾水出口水位

经计算可利用的水头在56.8m～36.14m之间。

4.管道水头损失

电站压力管线利用原水厂引水管线，引水管道810m，全部为球墨铸铁管，管径d=900mm，在电站厂房前，分成两叉管接入厂房。经计算，总水头损失为1.21m。

5.最大水头

武川水厂水能利用改造工程最大水头按水库最高水位1930.45m，最小发电流量工况计算，此时厂房尾水位为1873.65m，扣除此流量下的水头损失0.25m，则最大水头取56.55m。

6.最小水头

武水电站最小水头按能发电的最大流量满发工况计算，水库蓄水位1909.79m，此时尾水位为1873.65m，扣除压力管道、机组及流道、尾水系统总计水头损失1.21m，则水电站最小水头为34.93m。

7.加权平均水头

对水库2015年的水库位过程及水厂引水流量数据统计，经计算，水电站加权平均水头为52.5m。

四、装机容量、额定水头及机组台数

（一）装机容量

1.方案拟定

武川水厂水能利用改造工程开发任务为发电，水厂2015取水加权平均流量为0.712m3/s，根据省内已建同类型、同规模电站和取水过特点及城市发展会及取水量的增加，选择0.1 m3/s为一个流量梯度，初步拟定0.9 m3/s、 1.0m3/s、1.1 m3/s三个流量方案。 方案一： Q=0.9 m3/s

方案二： Q=1.0 m3/s

方案三： Q=1.1 m3/s

三方案性质上属互斥方案，不同方案其工程规模不同，采用方案间差额边际效益指标（静态）进行比选，各方案具体特性指标见表1。

三个方案相比，引水流量越大，发电量增加值越小，水力资源开发程度越小，差额静态抵偿年限越长。考虑到该电站为自来水厂引水管线上的电站，水厂要求供水证率高。加之城市的发展需水量也不断增加，需满足城市发展后的供水要求，故二方案较优。推荐的引水流量Q=1.0m3/s。

2.机组台数

根据本电站的设计流量，最终选定两台装机215kW的机组。

五、结束语

武川水厂水能利用改造工程主要开发任务是利用现有水厂输水线路水头发电。在满足水厂取水要求的前提下发电，电调服从水调。

武川水厂水能利用改造工程水库蓄水位1930.45～1909.79m，设计尾水位1873.65，装机容量430kW，最大水头56.55m，最小水头34.93m，设计水头53m，机组台数2台，单机额定流量0.5m3/s，经计算，加权平均水头52.5m，电站保证出力400kW，多年平均电量为290万kW·h，年利用小时数6640h。

（作者单位：甘肃弘大工程咨询有限责任公司）