新疆英吉沙县康帕二级电站增容改造（王强,张强,冯春燕,王海涛）

 

摘 要：通过对新疆英吉沙康帕二级水电站引水渠、前池和尾水改造，解决了该电站引水、排冰、排污及泄水不利的问题。提高了电站运行工况和出力，并为电站机电部分改造打下了良好基础，也为北方多泥沙河流上的径流式水电站提供了一个新的改造方式。

 

关键词：水电站 引水渠 前池 尾水 泥沙 排污 拦污栅

 

1、工程基本概况

 

英吉沙县位于昆仑山北麓、塔里木盆地西沿,东经75?45′～77?00′，北纬38?30′～39?03′之间,海拔1246～2256m。总面积约3900km2，折合约585万余亩。东西长125km，南北宽70km。西北、西南靠阿克陶，东北与疏勒县、岳普湖县毗邻。东部是沙丘、荒滩和莎车县接壤，南部为昆仑山区，喀什至和田315国道由此向南纵贯县境中部。

 

纵观全县地势，自西向东北倾斜。从艾古司乡起有一长约70km的喀腊克丘陵，由西向东横贯县境中部，把全县分为南北两部分。芒申、沙罕、英叶、色提力、龙甫、城关等七个乡座落在喀腊克山以北，地处冲积扇的中下部和扇缘地带，地势由西南向东北倾斜。其它五个乡座落在喀腊克山以南。

 

全县有十二个乡、一个镇、六个农、林、牧、渔场。全县人口23.86万人，其中农业人口21.2万人，城镇人口2.7万人，农业劳动力12.01万人，由维吾尔、汉、回、柯尔克孜、哈萨克、乌兹别克、塔吉克等民族组成，以维吾尔族为主。2001年全县工农业总产值达到26692万元，其中农业总产值达到23192万元，工业总产值达到3500万元，畜牧业总产值达到3909.6万元。2001年粮食总产值达到9.31万吨，棉花总产值达到22万吨，牲畜存栏35万头（只），农民人均收入达到790元。

 

康帕二级水电站始建站二十世纪80年代中期，是康帕大渠上的第二级梯级电站，电站布置形式为引水式水电站，电站主要由进水闸、进水渠、直线沉沙池、调节池、前池、压力钢管、发电厂房和尾水渠组成，电站装机容量N装=2×800+1×1600kw，但长期以来，该电站一直未能达到设计出力，随着英吉沙县国民经济的不断增长，人民生活不断改善和提高，对电能的需求量不断增加，尤其2002年该县被列入全国第四批中级电气化县后，对电能的需求量更大，为了满足英吉沙县国民经济的要求和人民生活的需要，现有的发电量已不能满足需要，必须开发新的电源，在开发新电源中，首先对原有电站进行增容改造，康帕二级水电站长期未能达到设计出力的原因，通过现场调查，从水工建筑物来讲主要有以下几方面：一是引水渠衬砌采用干砌卵石灌浆，由于引水渠沿线是含粘土较多的砂卵砾石层，渗透性较差，冬季在衬砌的卵石灌浆底部发生冻胀，衬砌层膨胀或塌落（尤其是背阴面），造成引水渠断面减小，糙率增加，影响了发电水通过，不能达到设计引用流量。二是引水渠与前池联接处扭面角度较大，形式不合理，造成过流断面减小，水流不畅。三是上游来水含砂量较大，夏季水通过直线沉砂池只能排除来水中部分砂石，冬季上游来水量小，发电用水量都不能满足，自然不能有水冲砂，造成引水渠发生淤积，大量泥砂进入前池，造成过流部件严重磨损。四是前池排砂能力较差，造成大量泥砂进入水轮机。五是压力管道较长，达583.9m，管径D=1.3m,直径小,造成水头大量损失,降低了有效运行水头。六是三台机尾水管出口端与尾水渠联接处设计不合理，造成尾水出口不利，尾水水面壅高，水面波动较大，水轮机发生震动，影响机组出力。七是机组过流部件经多次修复后，线形已不是原机组线形，机组效率下降，出力降低。根据以上所分析的原因，本次将对引水渠、前池和尾水管出口端与尾水渠联接段加以改造，保证水电站能将发电用水引进来，排的出去，为电站增容改造打下一个良好的基础。

 

2、水文

 

库山河发源于海拔高7555m的慕士塔格峰和7579m的公格尔山东南坡。由慕士塔格—公格尔高山冰川及冰雪融化稳定地补给河道,成为库山河的基本径流。库山河自1956年在沙曼设置水文测站至今已有40多年，根据观测资料统计，多年平均径流量为6.3亿m3，最大为8.05亿m3，最小为4.3亿m3。河水径流年内变化显著大，季节性分布相差悬殊，汛期较其他河流为晚，一般在五月下旬。英吉沙县康帕二级水电站属引水式电站，该电站是利用康帕大渠下游的灌溉用水进行发电，在康帕大渠桩号6+065处设进水闸将水引入电站引水渠。

 

3、径流

 

英吉沙县康帕二级水电站利用康帕大渠下游的灌溉用水进行发电，在康帕大渠桩号6+065处设进水闸将水引入电站引水渠。库山河沙曼站具有三十多年的径流资料，经径流分析计算，75%保证率时的年平均流量为18m3/s，年径流量为5.7亿m3。英吉沙县按分水比例通过康帕干渠从库山河引用的年引水量为2.56亿m3。

 

4、泥沙

 

库山河多年平均输沙率为57.7kg/s,多年平均输沙量为182万t,多年平均含沙量为2.83 kg/m3,平均粒径达0.182mm,中值粒径0.0951mm,粒径大于0.050mm的泥沙占全年泥沙总量的67%,其原因是,该河上游汇集公格尔、慕士塔格的冰川堆积物，再加上坡陡，流急，含沙量主要集中在5～8月汛期。因此,泥沙颗粒粗。

5、引水流量确定

 

英吉沙康帕二级水电站是经康帕大渠从库山河的木华里引水枢纽引水发电，木华里引水枢纽是向英吉沙县、阿克陶县和疏勒县三个县共同供水，故康帕二级水电站只能引用康帕大渠所引用的水量。座落在库山河的沙曼水文站距离木华里引水枢纽28km,由于河床以卵块漂砾为主,缺少细粒成分,造成水量渗漏严重,根据盖孜河库山河水管处提供的库山河出山口流量损失情况:84年10月7日至11月27日测出流量损失结果23%～27%,86年10月19日至10月27日观测46次,得出流量损失结果19.5%。木华里引水枢纽建成后,有效的将渗入河床的潜流截取,大大提高了引水率。但潜流不可能做到100%，截取大河损失为10%，引水渠经改建后，考虑2%的损失。

 

根据康帕二级水电站引用的典型年的月平均流量计算典型年电站出力。

 

6、发电水头确定

 

英吉沙县康帕二级水电站属引水式电站，该电站是利用康帕大渠下游的灌溉用水进行发电，在康帕大渠桩号6+065处设进水闸将水引入电站引水渠，进水闸底板高程为▽=1587.6m,发电后的水经退水渠退到康帕大渠乌鲁巴西闸前,乌鲁巴西闸底板高程▽=1530.92m,故康帕电站总水头为:

 

H总=1587.6-1530.92=56.68m

 

从发电水头计算参数可以看出，电站出力达不到设计出力的主要原因是由于压力管道长度数长达583.9m,管道直径小，D=1.3m,管内流速过大,造成压力管内水头损失大的原因。本次改造为了使电站达到设计出力，将压力管进行改造，原D=1.3m压力管为1#、2#机供水，而3#机从压力前池进水室渐变段处新接出一根压力管，管径D=1.6m，向3#机供水。这样1#、2#机水头损失Σ△h1#、2#=5.0376+2.6894=7.73m,3#机水头损失Σ△h3#=2.32m,改造后,电站水头:

 

①1#、2#机设计水头:

 

HP1#、2#=52.26-7.73=40.53m

 

②3#机设计水头:

 

HP3#=52.26-2.32=49.94m

 

③电站最大运行水头:电站最大运行水头发生在上游来水量只满足一台机运行时或后半夜时段电负荷数,康帕二级电站只需发一台1600kw机组时,此时电站最大运行水头:

 

Hmax=54.02-2.32=51.7m

 

7、水工建筑物

 

本次康帕二级电站增容改造内容有如下几项:

 

（1）、引水渠改造

 

（2）引水渠与前池联接扭面改造

 

（3）前池改造

 

（4）尾水渠出口端与尾水渠联接段改造

 

（5）压力管和尾水闸门

 

8、金属结构

 

从沿程水头损失计算看出，由于压力管内流速过大，管道长度较长，造成水头损失成倍增长，从而使该电站出力一直不能达到设计出力。

 

解决水工建筑物存在的问题以后，但由于压力管的水头损失过大，造成电站出力不能达到设计出力，为降低压力管的水头损失，考虑在原有压力管一侧平行增设一根压力管，为3#机专用，原有的压力管向1#、2#机供水，压力管内径D=1.6m。

 

9、机电部分改造

 

本次电站机电部分主要是改造三台水轮发电机组、调速器更换为带微机接口可编程智能调速器，及电站自动化系统的改造。康帕二级水电站改造后装机容量为3台水轮发电机组。该电站增容改造后实行监控装置实现无人值班、少人值守的目标，配置SJK-3000型电站微机综合自动化系统一套。该系统能完成和实现电站机电设备数据采集、设备运行监视和控制操作、功率调节和运行管理职能，为电站实现“无人值班”（少人值守）提供技术支持与保障。电站增容改造后，从该电站至县城中心变的35KV输电线路同时需要改造，线路总长度为16km，本次改造考虑康帕一级水电站上马时输送该电站容量（康帕一级水电站装机容量为2×1600kw），导线截面选择为LGJ-120型，其中有4km左右穿过居民集中区与林带区，为安全起见，导线选择架空绝缘电缆，截面为A=95mm2。

 

10、投资估算

 

康帕二级水电站增容改造是英吉沙县农村电气化改造的一个重点工程，工程所在地距县城29km，装机容量2×800+1600kw，属于小型水电工程，主要有3.697km引水渠改建；前池、溢洪道、日调节池、澄清池等建筑物的改建以及压力钢管更新和尾水渠的改建和两台水轮发电机组组成。

 

工程总投资为1506.85万元，其中：建筑工程308.17万元；机电设备及安装工程587.52万元；金属结构设备及安装工程356.83万元；临时工程10.96万元；其他费用71.08万元；预备费用133.53万元；环境影响补偿费5万元；水土流失防治费10万元；建设期贷款利息23.04万元；工程静态总投资为1483.81万元。

 

11、经济评价

 

康帕二级水电站工程的实施不仅有一定的社会效益，对英吉沙县的国民经济和人民生活水平的提高起着一定的促进作用，按现行水价分析计算，该项目的财务盈利能力很强，从国民经济分析来看，各项经济指标均符合以电代柴项目规范要求，经济内部收益率为7.95%＞7%；经济净现值为294.55万元＞0；经济效益费用比为1.07＞1。当效益和费用各上下浮动±10%工程有一定的市场变化承受能力。因此，工程的实施有一定的现实性和可行性。

 

12、结论

 

在开发新电源中，首先对原有电站进行增容改造，康帕二级水电站由原三台机总出力1457.14kW，可增容到3400kW，三台机年发电量由734万kw.h可增加至1586.18万kw.h。电站增容改造总投资1506.85万元，单位千瓦投资4432元/KW，单位电能投资9500元/kw.h。通过改造，相当于新建一座装机容量为1800kw的电站。同时使原电站充分利用水能资源，提高电能质量，降低了电能成本，按现有上网电价0.24元/kw.h计算，年可增加收入204.5万元。

 

二、第一阶段水工部分增容改造情况

 

1、引水渠改造

 

本次改造采取将原衬砌的干砌卵石全部拆除，在衬砌层底部增设30cm厚的戈壁石防冲层，为提高衬砌层的抗冻性，考虑冬季运行水位，引水渠从渠底1.0m高包括渠底采用浆砌卵石,表层打60厚C15细石砼,降低引水渠表面糙率, 糙率原为干砌石（0.033）,现改为砼(0.017),提高渠道的引水能力,渠道流速为1.94m/s,远大于输冰流速, 输冰问题便解决了。渠道引用流量由原来的6.0m3/s增至8.0m3/s，引水渠1.0m以上边坡由底部1.0m范围采用1:1边坡变为1:1.5,底部设戈壁石垫层,厚度30cm,表层采用预制砼板铺设,水泥砂浆钩缝。同时在引水渠内每12.42m设一道砼隔墙。为了保证冬季排冰效果，使浮冰顺利流到排冰悬板上，冬季引水渠水面宽度应与前池宽度基本相等，渠底宽度取1.2m,边坡取1：1，当冬季通过4.0m3/s水时,水面宽度3.08m,而前池宽度为3.05m。基本相等,从而保证了排冰效果。

 

2、引水渠与前池联接扭面改造

 

原引水渠与前池的联接扭面结构形式不合理，角度过大，过流断面小，水流不畅，本次改造将原扭面拆除，扭面采用浆砌卵石砌筑，扭面厚为400mm,采用C15细石砼砌筑，水泥砂浆钩缝，扭面的平面角度取α=13.4°，长度由原来5.25m改为16.4m,使引水渠边坡与前池垂直挡土墙很平顺的联接,保证水流流态的平稳性。

 

3、前池改造

 

前池存在的问题主要是排冰排砂不利，拦污栅清污不方便。根据前池已布有排冰悬板，悬板安装高程与引水渠末端高程基本相等，原设在倒坡始端到悬板间的舌瓣门拆除，因为舌瓣门只起到切断发电引水的作用，引水渠来水中的悬浮物和冬季冰凌由于舌瓣门的阻挡，全部进入进水室，造成流道阻塞和产生磨蚀。

 

在挡砂坎与排冰悬板之间用浆砌石做一挡水墙，该挡水墙底宽2.3M,顶宽0.3M,并在顶部设宽0.3M,高0.5M的钢筋砼卧梁, 卧梁下设0.3×0.3M的排气孔, 卧梁做为拦污栅铰支座的基础,将原发电水从悬板底部进入前室，改设到从悬板顶部经水平拦污栅进入前室，悬板与前室联结处挡墙拆除，原垂直安放的固定拦污栅采用水平安放，布置形式由原来垂直固定形式变为水平铰支座形式, 拦污栅可水平安放,清污可由手动吊葫芦提起拦污栅。舌瓣门改设到溢流堰处，为保证冬季舌瓣门正常运行，并提高舌瓣门的止水效果，在舌瓣门两侧增设保温箱。如上游悬浮物来量较大，冬季气温过低，来冰量较大时，降低机组出力可将拦污栅拉起，放倒舌瓣门，此时悬板上面水位迅速下降，拦污栅前后端形成较大落差，水通过拦污栅反向流到悬板上，在水流的作用下将附着在拦污栅上的悬浮物或冰块排入泄水渠。当把悬浮物和冰凌排净后，拉起舌瓣门放平拦污栅后机组正常进行发电。

 

将原设计发电用水从悬板底部通过改设到悬板上部通过水平拦污栅进入压力管内，在冬季，引水渠表层水面宽度为3.08m,前池宽度3.05m二者基本相等,水面不发生收缩,在水流惯性力的作用下,冰凌随水流进入前池,送到设在进水室上端的原排冰槽内,再加上人工辅助工作,可保证冰凌排除,保证正常发电。

 

由于在拦沙坎上部和悬板底部之间增设了挡水墙，当排砂孔闸门关闭时，悬板底部成为一死水区。水流流入前池时，由于倒坡始端距悬板有4.28m的水平距离,水流挟带的泥砂推移质一般在水流底部,当水流进入前池后,底部水流流速迅速降低,挟砂能力相应降低,使粗颗粒泥砂沉降到倒坡底部,使发电用水中含砂量大为降低,从而减少机组过流部件磨损。泥砂沉积在前池底板后，当发电用水减少时，或上游来水大于发电用水时，可开启排砂闸，将沉积在底板上的泥砂排入泄水道。

 

舌瓣门改设到溢流堰顶部，为保证冬季舌瓣门正常运行，并提高舌瓣门的止水效果，在舌瓣门两侧增设保温箱。前池正常运行时，舌瓣门拉起的安放角度为75°，舌瓣门顶部高程为1586.57M,此时前池最高水位可达到1586.57m的日调节水位。当电站不发电或排冰排污需泄水时，可将舌瓣门放平，前池水经溢流堰泄到泄水道。为保证舌瓣门有安放支撑点，在溢流堰侧增设一根横梁，梁顶高程与溢流堰顶部高程相等。

 

前池改造后设计水位1585.16 M，最高日调节水位1586.57m，最低水位1584.79m，非常溢流水位1587.23M。

 

4、尾水渠出口端与尾水渠联接段改造

 

原设计三台机尾水管出口端采用半园形砼墙围起，合并为1个出口与尾水渠联接，造成尾水管出口端水流不畅，尾水水位上升，降低了运行水头，同时造成尾水水面发生波动，造成机组发生震动。本次改造将半园形砼墙拆除，尾水管出口端与尾水渠联接采用25m半径中心直线长18.35m的扭面连接，扭面采用浆砌卵石砌筑，扭面厚为400mm,采用C15细石砼砌筑，水泥砂浆钩缝，从而使尾水管出流顺畅，尾水水体积增大，能有效吸收尾水管出口端水流剩余能量，保证尾水水面平稳，机组运行稳定，增加机组出力，电站发电量增加。

 

三、改造实施效果

 

第一期改造实施为2002年6月，利用康帕大渠改造施工期间停水，康帕二级水电站无法引水发电，利用此段时间对康帕二级水电站引水渠中日调节池至前池段3+237～3+697段引水渠进行改造，同时对前池、尾水管与尾水渠之间联接段进行改造，保证该电站将发电水能引进来，排得出去，同时提高前池的排冰排砂能力，减少过流部件的磨损，也为电站增容改造打下良好基础，第一期实施工程完成投资56.5万元。

 

第一期改造实施完毕后，于2002年11月完工,投入运行,经现场观察看,浮冰能顺利进入前池悬板,经人工辅助,将浮冰全部排入排冰槽内,过机泥砂明显降低,引水渠内无淤积现象，尾水水面平稳,在机组停机后，观察渠道淤积情况，尾水渠不再出现粗颗粒泥砂，说明泥砂全部沉积在悬板底部，机组运行震动消失,机组出力在原相同运行工况下,增发200kw, 年发电量增发84万kw.h，使原电站充分利用水能资源，提高电能质量，降低了电能成本，按现有上网电价0.24元/kw.h计算，年可增加收入20.16万元。通过以上情况反映,本次对水工部分的改造是成功的,为水轮发电机组改造打下了良好的基础。

    

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