武川水廠水能利用改造工程規(guī)模設(shè)計(jì)

武川水廠采用有壓管線從武川水廠引水，引至廠區(qū)減壓后進(jìn)入湍流池。水廠采用減壓閥進(jìn)行減壓消能，由于減壓閥需根據(jù)引流量調(diào)整閥門的開(kāi)啟度，減壓閥長(zhǎng)期處于局部開(kāi)啟狀態(tài)。減壓閥震動(dòng)大，損耗嚴(yán)重、檢修費(fèi)用高，并且這種減壓方式也是對(duì)水能的一種浪費(fèi)，因此需要對(duì)消能方式進(jìn)行改造，充分利用水能資源。武川水廠水能利用改造工程裝機(jī)容量430kW，最大水頭56.55m，最小水頭34.93m，設(shè)計(jì)水頭53m，機(jī)組臺(tái)數(shù)2臺(tái)，單機(jī)額定流量0.5m3/s。

一、概述

白銀市武川水廠位于白銀市武川鄉(xiāng)東澗溝村境內(nèi)，距白銀市區(qū)13km。水廠4.5km處有包蘭鐵路和蘭景公路通過(guò)，且工程區(qū)有多條鄉(xiāng)間大道相連。工程場(chǎng)內(nèi)外交通條件良好，對(duì)外交通較為便利。水廠每年向白銀市提供城鎮(zhèn)生活毛用水量2404.62萬(wàn)m3。日平均供水量6.59萬(wàn)m3，高峰期日供水量8.56萬(wàn)m3。武川水廠通過(guò)有壓管線從武川水庫(kù)引水，引水管線長(zhǎng)810m。

武川水庫(kù)為一峽谷型注入式水庫(kù)，主要任務(wù)是調(diào)蓄引大工程水量，改變引大供水結(jié)構(gòu)，提高引大工程水資源利用的綜合效益。水庫(kù)總庫(kù)容839.22萬(wàn)m3，興利庫(kù)容779.22萬(wàn)m3，正常蓄水位1929.9m，設(shè)計(jì)洪水位1930.06 m，校核洪水位 1930.52m，防洪限制水位為1929.9m。水庫(kù)回水長(zhǎng)度約1.7km。

武川水廠采用有壓管線從武川水庫(kù)引水，引至廠區(qū)減壓后進(jìn)入湍流池。目前水廠采用減壓閥進(jìn)行減壓消能，這種減壓方式也是對(duì)水能的一種浪費(fèi)，因此通過(guò)在引水管線下游設(shè)水電站，達(dá)到消能，并充分利用水能目的。

二、工程建設(shè)的必要性

（一） 改造消能方式充分利用水能

武川水廠采用有壓管線從武川水廠引水，引至廠區(qū)減壓后進(jìn)入湍流池。目前水廠采用減壓閥進(jìn)行減壓消能，由于減壓閥需根據(jù)引不流量調(diào)整閥門的開(kāi)啟度，減壓閥長(zhǎng)期處于局部開(kāi)啟狀態(tài)。減壓閥震動(dòng)大，損耗嚴(yán)重、檢修費(fèi)用高，并且這種減壓方式也是對(duì)水能的一種浪費(fèi)，因此需要對(duì)消能方式進(jìn)行改造，充分利用水能資源。

（二）增加企業(yè)收益

白銀市動(dòng)力公司凈化水廠是一個(gè)源能消耗性單位，水電站利用水庫(kù)至凈水廠之間的輸水落差，可充分利用水力資源，降低水廠對(duì)外的能源需求量。兩電站每年可發(fā)電500kW·h，除自用外，大部分上網(wǎng)，給企業(yè)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)收益。

（三）節(jié)省不可再生資源、減輕環(huán)境污染

水電站的適度開(kāi)發(fā)不但可以緩解當(dāng)?shù)仉娏π枨髱?lái)的壓力，而且可以有效減少常規(guī)能源尤其是煤炭資源的消耗及煙塵等有害物質(zhì)的排放，減輕了環(huán)境污染，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。原水廠的冬季取暖全部采用燃煤鍋爐，耗煤量大、污染物排放量大，不符合環(huán)保部門的要求，該工程建成后，可對(duì)采暖方式進(jìn)行改造，全部采用電能，從而減少污染、降低運(yùn)行成本。

綜上所述，盡早開(kāi)始武川水廠水能利用改造工程工程是非常必要的。

三、特征水位選擇

（一）基本資料

1.水庫(kù)供水流量資料

武川水庫(kù)為注入式水庫(kù)，水源全部來(lái)自引大工程，水庫(kù)為白銀市自來(lái)水廠水源。在水廠建成后，對(duì)注入水庫(kù)水量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)記錄，對(duì)從水庫(kù)取水量也進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)記錄，成果十分可靠?？紤]到水庫(kù)為人工注入式水庫(kù)，無(wú)天然徑流影響，無(wú)豐、平、枯年份區(qū)別，因此只對(duì)2015年的水量記錄作為分析對(duì)象。取水流量過(guò)程見(jiàn)圖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;加權(quán)平均流量：0.712m3/s。

2.水庫(kù)蓄水位

本水庫(kù)為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，根據(jù)引大來(lái)水過(guò)程和設(shè)計(jì)水平年用水過(guò)程進(jìn)行興利調(diào)節(jié)計(jì)算。設(shè)計(jì)水庫(kù)從3月開(kāi)始蓄水，水庫(kù)初始庫(kù)容為死庫(kù)容30萬(wàn)m3，水位為死水位1900.5m，入庫(kù)流量為2.22m3/s，日入庫(kù)水量為19.16萬(wàn)m3，出庫(kù)流量為0.78m3/s，日出庫(kù)水量為6.71萬(wàn)m3。8月上旬水庫(kù)蓄滿，水庫(kù)庫(kù)容為839.22萬(wàn)m3，水位為正常蓄水位1929.9m;8月中旬開(kāi)始放水，此時(shí)進(jìn)入引大工程的檢修期，水庫(kù)沒(méi)有入庫(kù)水量，出庫(kù)流量為1.19m3/s，日出庫(kù)水量為10.28萬(wàn)m3，放時(shí)時(shí)段一直到9月末，月末庫(kù)容為373.4萬(wàn)m3，水位為1920m;10月份再次蓄水，入庫(kù)流量為1.39m3/s，日入庫(kù)水量為11.99萬(wàn)m3，出庫(kù)流量為0.78m3/s，日出庫(kù)水量為6.71萬(wàn)m3，蓄水時(shí)段持續(xù)至11月11日引大供水期結(jié)束，此時(shí)水庫(kù)庫(kù)容為699.53萬(wàn)m3，水位為1928m; 11月11日以后開(kāi)始第二次放水，出庫(kù)流量為0.78m3/s，日出庫(kù)水量為6.71萬(wàn)m3，到次年3月上旬放至死庫(kù)容。

不考慮降水影響，扣除蒸發(fā)、滲漏損失后，水庫(kù)興利庫(kù)容為779.22萬(wàn)m3，正常蓄水位為1929.9m，年供水量2404.62萬(wàn)m3。

在投入進(jìn)行后，對(duì)水庫(kù)水位進(jìn)行觀測(cè)，2015年的全年水庫(kù)水位變化如圖2所示。

2015年特征水位。

水庫(kù)最高蓄水位：1930.14m;水庫(kù)最低蓄水位：1913.02m;全年水位變幅差為：17.12m。

（二）特征水頭

1. 水庫(kù)水位

武川水庫(kù)為注入式水庫(kù)，為年調(diào)節(jié)水庫(kù)。水庫(kù)水位隨注入水量與水廠取水量的增加減少而變化。根據(jù)對(duì)2014年、2015年的水位變化統(tǒng)計(jì)，水庫(kù)最高蓄水位1930.45m，水庫(kù)最低蓄水位1909.79m，全年水位變幅差為：20.66m。

2.設(shè)計(jì)尾水位

電站尾水出來(lái)后接原輸水管線，進(jìn)入凈水廠的湍流池，湍流池內(nèi)水面高程1871.65m，考慮到管線水頭損失及湍流池對(duì)水頭的要求，電站設(shè)計(jì)尾水位為1873.65m。

3.設(shè)計(jì)水頭

可利用的水頭落差： ▽Z=水庫(kù)水位-尾水出口水位

經(jīng)計(jì)算可利用的水頭在56.8m～36.14m之間。

4.管道水頭損失

電站壓力管線利用原水廠引水管線，引水管道810m，全部為球墨鑄鐵管，管徑d=900mm，在電站廠房前，分成兩叉管接入廠房。經(jīng)計(jì)算，總水頭損失為1.21m。

5.最大水頭

武川水廠水能利用改造工程最大水頭按水庫(kù)最高水位1930.45m，最小發(fā)電流量工況計(jì)算，此時(shí)廠房尾水位為1873.65m，扣除此流量下的水頭損失0.25m，則最大水頭取56.55m。

6.最小水頭

武水電站最小水頭按能發(fā)電的最大流量滿發(fā)工況計(jì)算，水庫(kù)蓄水位1909.79m，此時(shí)尾水位為1873.65m，扣除壓力管道、機(jī)組及流道、尾水系統(tǒng)總計(jì)水頭損失1.21m，則水電站最小水頭為34.93m。

7.加權(quán)平均水頭

對(duì)水庫(kù)2015年的水庫(kù)位過(guò)程及水廠引水流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，經(jīng)計(jì)算，水電站加權(quán)平均水頭為52.5m。

四、裝機(jī)容量、額定水頭及機(jī)組臺(tái)數(shù)

（一）裝機(jī)容量

1.方案擬定

武川水廠水能利用改造工程開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，水廠2015取水加權(quán)平均流量為0.712m3/s，根據(jù)省內(nèi)已建同類型、同規(guī)模電站和取水過(guò)特點(diǎn)及城市發(fā)展會(huì)及取水量的增加，選擇0.1 m3/s為一個(gè)流量梯度，初步擬定0.9 m3/s、 1.0m3/s、1.1 m3/s三個(gè)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

三方案性質(zhì)上屬互斥方案，不同方案其工程規(guī)模不同，采用方案間差額邊際效益指標(biāo)（靜態(tài)）進(jìn)行比選，各方案具體特性指標(biāo)見(jiàn)表1。

三個(gè)方案相比，引水流量越大，發(fā)電量增加值越小，水力資源開(kāi)發(fā)程度越小，差額靜態(tài)抵償年限越長(zhǎng)。考慮到該電站為自來(lái)水廠引水管線上的電站，水廠要求供水證率高。加之城市的發(fā)展需水量也不斷增加，需滿足城市發(fā)展后的供水要求，故二方案較優(yōu)。推薦的引水流量Q=1.0m3/s。

2.機(jī)組臺(tái)數(shù)

根據(jù)本電站的設(shè)計(jì)流量，最終選定兩臺(tái)裝機(jī)215kW的機(jī)組。

五、結(jié)束語(yǔ)

武川水廠水能利用改造工程主要開(kāi)發(fā)任務(wù)是利用現(xiàn)有水廠輸水線路水頭發(fā)電。在滿足水廠取水要求的前提下發(fā)電，電調(diào)服從水調(diào)。

武川水廠水能利用改造工程水庫(kù)蓄水位1930.45～1909.79m，設(shè)計(jì)尾水位1873.65，裝機(jī)容量430kW，最大水頭56.55m，最小水頭34.93m，設(shè)計(jì)水頭53m，機(jī)組臺(tái)數(shù)2臺(tái)，單機(jī)額定流量0.5m3/s，經(jīng)計(jì)算，加權(quán)平均水頭52.5m，電站保證出力400kW，多年平均電量為290萬(wàn)kW·h，年利用小時(shí)數(shù)6640h。

（作者單位：甘肅弘大工程咨詢有限責(zé)任公司）