刘东东，周丽娜，肖 妮

(1．水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012；2．水利部农村水电工程技术研究中心，浙江 杭州 310012；3．杭州亚太水电设备成套技术有限公司，浙江 杭州 310012)

1 工程概况

东方红水库位于浙江省东阳市虎鹿镇溪口村之北1 km处，地处钱塘江流域金华江水系东阳江支流白溪上游河段，水库集雨面积59.3 km2，多年平均径流量4 357.4万m3，总库容1 445万m3，是1座以防洪、灌溉为主，结合供水、发电等综合利用的中型水库。东方红净水厂从东方红水库取水，主要为虎鹿镇、巍山镇供水，供水规模为8 000 t/d。东方红水库电站目前总装机容量1 830 kW，2010—2019年年均发电量255万kW·h。

东方红水库电站为坝后式开发，由发电引水系统和2座发电厂房组成，2座发电厂房位于坝下游左岸台地上。引水隧洞出口接压力钢管，其后接4条发电支管、1条泄流支管和1条净水厂的原水管。

1号厂房现装有3台卧轴混流式水轮发电机组(1～3号机组)，装机容量3×400 kW。1号厂房尾水经东、西2条干渠流入东方红水库灌区。尾水出口设有闸门，灌溉富余水量经弃水闸流入2号厂房尾水渠再流入白溪。泄流支管布置在1号厂房，当1号厂房的机组不能发电时，可通过泄流支管向灌区供水。当所有4台机组不发电时，也通过泄流支管下泄生态流量。

2号厂房在1号厂房下游50 m处，现装有1台卧轴混流式水轮发电机组(4号机组)，装机容量1×630 kW。2号厂房主要用于发电及生态流量泄放。

2 现状分析及改造的必要性

2.1 现状分析

2.1.1 水库生态流量调度问题

东方红水库是白溪上游的龙头水库，具有较强的调节能力，对下游河道的生态流量泄放具有调节作用。根据浙江省浙水农电〔2020〕25号文要求，东方红水库要进行生态流量调度，设置“发电限制水位线”和“生态放水最低水位线”。

2.1.2 1号厂房存在的问题

3号发电机推力轴承温度偏高，发电机碳刷、滑环检修维护工作量大，需更换。3台机组的主阀漏水严重，而且满足不了自动化运行的要求，需要更换。机组自动化程度不高，需要对计算机监控系统、视频监控系统进行升级改造。

2.1.3 2号厂房存在的问题

4号机组自1999年12月投产后未进行过技术改造，机组运行年限长，机电设备老化、磨蚀严重，存在严重安全隐患，已停机多年，需要更换全部机电设备。

2.2 改造的必要性

2.2.1 保障电站安全运行的需要

部分机电设备落后、老化，特别是2号厂房的电气设备已运行超过20 a。4号发电机绝缘等级为B级，主变压器为S7系列，存在严重安全隐患，已不能保证电站安全运行，亟需进行更新改造。

2.2.2 提高发电能效的需要

4号水轮机经长期运行，过水部件气蚀、磨损严重，机组效率低下，难以正常运行，亟需进行更新改造。

2.2.3 降低电站运行成本的需要

东方红水库电站装机容量小、厂房多、机组台数多，机组自动化水平低，造成运行管理人员多、劳动强度高、运行管理成本高，降低了电站的效益，需要通过监控系统的升级改造，并纳入区域化运行管理平台，从而降低运行管理成本。

3 特征水位及水头复核

东方红水库库区多年平均降雨量1 467.2 mm，多年平均径流深734.8 mm，多年平均径流量4 357.4万m3，多年平均流量1.38 m3/s(见表1)。

表1 东方红水库水位～库容关系

东方红水库正常蓄水位196.27 m，台汛期限制水位195.27 m，枯水期限制最低水位176.27 m，供水、灌溉死水位167.67 m。2012—2020年，东方红水库最高水位196.4 m，最低水位184.73 m。

由于灌溉和供水水量不大，水库的兴利库容得不到充分利用，特别是4号机组停机后，1号厂房机组不适合水库低水位运行，所以实际上水库运行水位较高；近10年来水库最低水位为184.73 m，远高于原设计的死水位167.67 m和后期规定的枯水期限制最低水位176.27 m。考虑到改造后，汛期4台机组均可发电，其过流能力达到7 m3/s，所以水库的调节库容不必太大，枯水期限制最低水位可继续提高；建议限制最低水位为184.27 m，相应库容为330.4万m3，调节库容为690万m3。

选用2012—2020年间的水位数据复核水头，1号厂房(灌渠)正常尾水位167.00 m，1号厂房3台机组的毛水头17.73～29.4 m，水轮机运行水头范围约为17.23～28.90 m，合理额定水头24.00 m。目前1号厂房3台机组的额定水头为30.50 m，已超出实际的运行水头范围，水轮机效率很低。

2号厂房正常尾水位160.03 m，最低尾水位159.93 m。4号机组只有在水库保证灌溉、供水和生态流量的前提下还有富余水量的时候发电，其运行水位较高；如果考虑水库最低运行水位190.00 m，则其运行的毛水头为29.97～36.47 m，水轮机运行水头范围约为28.87～35.37 m。目前4号机组的额定水头为36.50 m，已超出实际的运行水头范围，水轮机效率也很低。更换水轮机推荐额定水头32.00 m。

4 装机容量选择

从近年来的发电量看，东方红水库电站的发电利用小时数不足1 400 h，水能资源利用已很充分，装机容量已偏大了。但东方红水库电站不是单目标的小水电工程，其担负着水库的调洪和下游灌区的灌溉任务，本次改造还需要考虑下游河道的生态修复，所以装机容量的选择要从这3方面考虑。

东方红水库灌区中灌渠设计流量为4.50 m3/s，目前1号厂房3台机组的设计流量为4.80 m3/s，可满足灌溉的需要，所以1号厂房3台机组的装机容量可保持不变。改造工程完成后，1号厂房为满足灌溉和生态流量的平均年发电用水量约为177万m3，相应年均发电量约10万kW·h，汛期可抢发电量约20万kW·h。扣除1号厂房发电用水量、从泄流支管泄放的生态流量和少量的漏水量后，2号厂房的平均年发电用水量约为3 400万m3，发电平均流量为1.08 m3/s，发电量约262万kW·h。如果装机容量维持630 kW，则利用小时数4 163 h。考虑到1号厂房场地有限，也受压力钢管限制，2号厂房增容的条件很差；且改造工程完成后，泄洪弃水量可进一步减小，并可利用1号厂房在汛期可抢发电量。所以2号厂房的增容条件不具备，也无必要，可维持装机容量630 kW不变。

本电站需要下泄的最小生态流量为0.14 m3/s，机组停机时可通过1号厂房的泄流阀泄放生态流量。

改造工程完成后，东方红水库电站维持装机容量1 830 kW，在保证灌溉、供水和生态流量的前提下，年均发电量约292万kW·h。

5 水库运行方式及生态用水调度

东方红水库正常蓄水位196.27 m，台汛期限制水位195.27 m，建议限制最低水位为184.27 m。东方红水库原来的主要任务是以防洪、灌溉为主，结合供水、发电，从2020年开始增加了生态用水调度。

5.1 灌溉供水保证线的绘制

为了合理地指导水库及其水电站的运行，解决在径流不能准确预知的情况下，保证灌溉和供水不受影响，首先需要提出水库的灌溉供水保证线。

根据东方红水库的气候特点，全年可分为3个时期：4月至7月上旬为梅汛期，是水库蓄水期；7月中旬到10月中旬为台汛期，此时也是干旱灌溉期；10月下旬至次年2月为枯水期；所以确定从3月至次年2月为水库水文年。

灌溉和供水的保证率为90%，选取P=90.2%的2011—2012年、P=87.8%的2018—2019年和P=92.7%的2006—2007年度为设计枯水年的典型年，作为调节计算、绘制灌溉供水保证线的依据。3个典型年的各月来水量如下所示(见表2)，2006年和2008年的天然来水量用2011年(设计枯水年)的天然来水量来修正。以3个典型年的月入库水量为来水过程绘制了灌溉供水保证线(见图1和表3～表5)。图1中的上包线为灌溉供水防破坏线，也作为生态放水最低水位线；下包线为限制灌溉供水线。

表2 典型年各月来水量 万m3

表3 设计枯水年(2011年)逆时序调节计算 万m3

表4 典型年(2006年)逆时序调节计算 万m3

表5 典型年(2018年)逆时序调节计算 万m3

图1 东方红水库兴利调度示意

5.2 发电限制水位线的绘制

在保证灌溉和供水的前提下，坝址处需要泄放的最小生态流量为0.14 m3/s，各月水库需要储存相应的水量，在灌溉供水防破坏线以上绘制生态用水防破坏线，即发电限制水位线(见图1)。

实时调度时，水电站应根据面临时段水库水位、入库流量、短期预报的流量态势，在发电限制水位线以上按长期发电量最多的原则运行，让水库水位远离发电限制水位线。当枯水年份，水库水位逼近发电限制水位线时，要减少机组发电；水库水位低于或落在发电限制水位线时，机组不能发电。

6 机组选型

4号机组运行水头范围为28.87～35.37 m，额定水头32.00 m，装机容量630 kW，适用的机型为混流式水轮机。

根据水头范围，机组可选用的混流式水轮机转轮主要有以下几种型号：HLA551、HLA743、HLA904a等转轮(见表6)。

表6 适用630 kW不同转轮性能比较

从模型性能表可以看出：这3种转轮性能都比较优异，空蚀性能良好。对于2号厂房4号机组，虽然HLA551最高效率不是最高，但HLA743和A904a转速偏低，转轮直径也大，机组造价高，与老机组的匹配也不高。虽然HLA551的气蚀系数大，但额定工况时吸出高度为5.42 m，能满足目前机组改造的要求，因此本阶段推荐选用HLA551—WJ—62转轮。

7 改造方案

(1)更新1号厂房部分机电设备，消除电站的安全隐患。

①水轮发电机组。更换3号发电机，采用无刷励磁发电机。

②附属设备。更换1、2、3号机组主阀，采用液控蝶阀。维修1、2、3号机组的调速器。

③励磁设备。更换1、2号机组励磁装置，3号机组改为无刷励磁方式。

④计算机监控系统。更换1、2、3号机组控制屏，增加公用屏用于放置视频监控交换机、监控交换机、硬盘录像机等设备；增加线路解列保护装置、增加监控计算机、厂用电备自投屏、柴油发电机等。

(2)更新2号厂房全部机电设备，包括更换4号机组、主阀、调速器、励磁装置、电气一次和二次设备等。

8 结 语

通过提出东方红水库电站增效改造设计方案及水库兴利调度图的绘制方法，对其进行了增效改造。项目实施后，电站弃水量大、机组效率低等问题得到了解决，发电效益得到明显提高。