小型电站引水系统设计

摘要：阐述了水电站引水系统设计应引起重视的几个问题,如开发方式、洞径选择、调压井与钢岔管型式选择等,供同行参考。

关键词：小型水电站; 引水系统; 洞径选择; 经济流速

引水系统在水电站中占有重要位置,特别是有压引水式电站,它对水电站投资和发电量均有较大影响。所以作好引水系统设计,有重要的经济意义。本文以贵州省三都县白梓桥电站引水系统的设计举例进行说明。

贵州省三都县白梓桥电站引水系统采用一洞两机的引水方式，由岸塔式进水口、引水隧洞和压力管道及钢岔管、支管组成。均布置在河流右岸，引水隧洞长151.3m，直径5m。

一、引水系统布置

通过水能计算的比选，选择两台机组，其中1#机组容量为6.8MW，2#机组为3.2 MW。引水系统采用一洞两机的布置型式。电站最大水头24.82m，引用流量53.5m3/s，1#机组引用流量36.38 m3/s，2#机组引用流量16.17 m3/s。

（1）引水线路选择

本工程采用“截弯取直”利用河道转弯落差进行发电的特点，引水系统及厂房均布置于河道右岸，根据坝线及厂址位置并结合工程地质、地形条件，本次设计比较了3种引水线路方案，按照规范对隧洞覆盖厚度及隧洞转弯半径等要求，进行比选。

经比选，洞线采用折线布置方式。本方案隧洞大部分穿越板岩夹砂岩地厚实山体，地形地质情况较好。在确保隧洞有足够厚度稳定围岩体的条件下，按引水线路最短的原则进行发电引水隧洞线路布置。

（2）取水口布置及结构选择

1.进水口型式比较

根据进水口的地形地质条件，本次设计选取了塔式和竖井式两种进水口型式进行比较选择。

两种方案的主要工程量和投资比较见下表。

两种取水口型式比较工程量表

表1

项 目 单位 塔式方案 竖井方案 备注

明挖石方 m3 2856.3 1053.3

洞挖石方 m3 705.3

C20砼衬砌 m3 98（路面） 153（洞底、洞脸支护）

Ф25锚杆 根 540（边坡支护） 305（侧墙支护） 单根长3m

喷C25砼 m3 40（边坡支护） 71（顶拱、侧墙支护） 喷厚10cm

M7.5浆砌块石 m3 34 44.7

工程投资 万元 22.89 25.54

经综合比较认为，塔式进水口具有结构紧凑、工程量少、投资较省，较适合进水口的地形地质条件，故推荐采用塔式进水口。

2.取水口结构布置

根据比较选择，本设计将取水口布置在离大坝右坝肩约30m处的岸坡上，采用岸塔式进水口。

根据规范要求和进水口的运行条件，其进口底板高程比淤沙高程369.00m高，比死水位380.00m低，使得当电站运行于水库死水位附近时，仍能保证电站的取水要求，同时还需保证进水口的最小淹没深度要求，由此，拟定进水口底板高程为370.50m，以保证“门前清”。

为减少进水口明渠段和隧洞进口段的开挖及衬砌量，进水口中心线方向为N84°W，由喇叭口和闸室段组成，沿水流方向依次设2扇4×10m拦污栅和1扇5×5m事故检修闸门，总长14.24m。进口采用三面收缩的喇叭形，底部为平底，顶部及侧面椭圆曲线方程：

。

喇叭口后为闸门井，为井筒式结构，采用C20钢筋砼浇筑，顶部高程386.00m，以上设框架结构的启闭机室。其内布置有1台固定式卷扬机。事故检修闸门后设断面0.6×2.5m的通气孔兼进人孔，闸门井后设长9m渐变段，由5×5m的方孔渐变为直径5m圆洞。

3.进水口淹没深度计算

根据SL285－2003《水电站进水口设计规范》，有压进水口最小淹没深度应满足下式要求：

，式中：

S－闸孔顶板高程以上最小淹没水深，m；

c－进水口形状系数，取0.73；

v－闸孔断面流速，v=Q/A=53.5/（5×5）=2.14m3/s；

d－闸孔高度，d=5m；

经计算，进水口最小淹没深度3.5m，实际喇叭口顶以上水头为5m大于3.5m，故当水库水位接近死水位时，满足电站取水要求。

4.进水口稳定分析

进水口闸室位于中厚层含铁质、泥质的板岩夹砂岩岩基上，地基基础无断层和软弱结构面，故进水口无深层软弱面抗滑稳定问题，仅对进水口进行沿建基面整体抗滑稳定、抗倾覆稳定及抗浮稳定计算。

①自重及上部永久设备重;

② 设计运行水位时的静水压力;

③设计运行水位时的水重和扬压力;

④ 泥沙压力+土压力

⑤风压力;

⑥ 设计运行水位时的浪压力;

⑦活荷载

a.进水口抗滑稳定采用抗剪强度计算公式：

式中：Kc―按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；

f―底板混凝土与基础接触面的抗剪摩擦系数，取0.55；

∑W、∑P―分别为建基面上作用力的法向分量总和和切向分量总和。

A―建基面面积。

b.进水口抗倾覆稳定计算公式：

式中：

Ko―抗倾覆稳定安全系数；

∑Ms―建基面上稳定力矩总和；

∑Mo―建基面上倾覆力矩总和。

c.进水口抗浮稳定计算公式：

式中：

Kf―抗浮稳定安全系数；

∑V―建基面上垂直力总和（不含设备重量）；

∑U―建基面扬压力总和。

d.计算工况

i、基本组合

正常蓄水位（382.0）：自重+静水压力+扬压力+浪压力+泥沙压力+土压力+风压力+活荷载

ii、特殊组合

校核洪水位（384.97）：自重+静水压力+扬压力+浪压力+泥沙压力+土压力+活荷载

进水口整体稳定计算成果表

表2

计算

情况 抗滑稳定安全系数Kc 抗倾覆稳定安全系数Ko 抗浮稳定安全系数Kf

要求值 计算值 要求值 计算值 要求值 计算值

基本组合 1.05 4.472 1.3 2.148 1.10 2.069

特殊组合 1.00 2.94 1.15 1.778 1.05 1.701

(3)发电引水隧洞布置及水力计算

1.洞径选择

隧洞设计引用流量：Q=53.5m3/s，根据工程特点选择经济流速Ve=2.5～4.5m/s，则经济洞径D=3.89～5.22m。

根据水工建筑物布置情况，在经济洞径范围内，按调保计算成果分析，本工程不需要设置调压井。因此洞径选择主要考虑在经济洞径范围之内进行技术经济比较即可。本次设计中，根据设计引用流量，选择3种不同洞径方案的比较。

在该3种不同洞径方案中，洞径为5m方案单位电度投资指标较好，且发电引水隧洞的流速满足水机调保计算要求，因此推荐采用5m洞径。

2.隧洞布置及结构选择

进水口位置确定后，根据选定厂址位置和左岸地形地质条件，隧洞轴线起点桩号引0+000m坐标为：x= 36492529.190，y= 2873249.679，底板高程370.50m。起点桩号引0+000～引0+031.20m之间方位角为N85°W；桩号引0+031.20～引0+041.02m段为隧洞第一个水平转弯段，转角24°，转弯半径35m；桩号引0+041.02～引0+075.58m为水平直段, 桩号0+075.58～0+117.63m为竖直转弯段(该段由2段竖向转弯段与1段斜坡段组成, 竖向转弯段转角30°，转弯半径30m, 斜坡段水平夹角为30°), 桩号0+117.63～0+151.30m为水平直段, 桩号0+041.02～0+151.30m段方位角为N109°W；终点桩号0+151.30m坐标为：x= 36492666.989，y= 2873280.433；隧洞进口设渐变段与闸门井相接，末端与压力钢管相接，隧洞全长151.30m。

隧洞纵坡除斜坡段外，其余洞段均为3‰，设计引用流量为53.5m3/s。经技术经济比较，隧洞选择断面采用圆形，拟定洞径为5m，设计流速2.73m/s，满足经济流速的控制条件。根据隧洞地质条件，隧洞衬砌结构考虑全部采用C20钢筋砼衬砌，进口渐变段9m采用厚1m钢筋砼，渐变段后进口段和出口段25m范围与F3断层经过洞段为厚0.6m钢筋砼A型衬砌，中部洞段为0.5m钢筋砼B型衬砌。

3.水力计算

①隧洞过流能力计算

本设计采用有压圆形隧洞，其过流能力由公式：

μ―流量系数；μ取0.55

ω―隧洞出口断面面积（m2）；ω＝11.34 m2

H―作用水头；只验算死水位情况， H=21m；

经计算，死水位380m时隧洞可过流量Q=126.64m3/s，满足最低库水位时的取水要求。在设计引用流量Q=53.5m3/s时，流速v=2.73m/s，属经济流速范围。

②隧洞水头损失计算

隧洞水头损失，式中：

―水头损失总和（m）；

―沿程水头损失，；

Q―隧洞设计流量，Q=53.5m3/s；

―隧洞长，=151.3m；

D―洞径，D=5m；

C―谢才系数， ；

n―隧洞糙率，n=0.015；

R―水力半径，R=D/4=1.25m；

―局部水头损失总和，；

―局部水头损失系数总和，；

V―进水口闸孔断面流速，V=2.14m3/s。

经计算，=0.2m，=0.3m，则隧洞总水头损失=0.5m。

作者简介：

关新宏（1976―），男，工程师，从事水利水电工程管理工作。

1.工程概况

某学院位于天津市河东区，担负着逾2000名中高级指挥人才、高级参谋人才的培训。该学院为新建校区，为解决全院师生冬季供热和日常生活热水洗浴问题，同时配合国家倡导发展绿色低碳能源的号召，从降低能耗，有利于学院长远发展的角度考虑，学院决定采用地热作为供热热源和生活热水水源。

学院内教学办公楼、图书馆等供热末端为中央空调风机盘管；学院六栋宿舍、警官公寓（分为高区和低区）等供热末端为散热器；干部公寓供热末端为地板采暖。设计中需要同时兼顾上述三种供热形式，同时，系统还需要为训练馆游泳池池水提供日常热维护换热负荷以及利用地热水和供热地热尾水为全院提供非饮用生活热水。

2009年学院开凿一眼蓟县系雾迷山组地热井，根据水质报告分析，地热水属于CL•HCO3•SO4-Na型，矿化度为1700mg/l，总硬度为130mg/l，PH值为7.7，根据抽水试验结果，该地热井稳定出水温度为85.5℃，设计出水量为125m³/h，系统设计尾水温度为10℃。

2.地热利用方案

2.1负荷计算

① 供热热负荷

学院内末端供热方式、供热面积、热指标及设计热负荷等，经过计算，供热工程的总设计热负荷为95 59.6kW。

② 生活热水系统

根据《建筑给水排水设计规范》（GB 50015-2003）和地热水供应非饮用生活热水用水的特点，按照实际需要确定生活热水供水温度为58℃~60℃，最高日用水定额为40L/(人•d)。全日制供水系统的热水年用量q计算式为：

（1）

式中 q-年生活热水用量，m³/a；qm-最高日用水定额，L/(人•d)

n-用水人数；t-年用水时间，d/a；k-年变化系数，取2

学院学员及教官年用水时间为300d/a。由式（1）计算得，年生活热水用水量为1.2×104m³/a。

③ 地热井产热量计算

地热井产热量Q的计算式为：

Q=1.163×G×（td-tw） （2）

式中 Q―地热井产热量，kW； G―地热井出水量，m3/h；

td―地热井稳定出水温度，℃； tw―地热尾水温度，℃。

经计算得，地热井的产热量为10976kW，其中系统中一级系统的部分地热水是作为生活热水水源进行供应，因此在设计中二级系统已经考虑到该部分地热水热量的损失，通过设计计算得出地热水可以满足整个系统的热负荷需要以及生活热水供应的需要。

2.2工程设计方案

地热井85.5℃的地热水经过旋流除砂器除砂后由地热加压泵进行加压，一部分接训练馆游泳池热维护和换热供水管，另一部分进入一级三台并联的板式换热器，分别为散热器系统高区、低区提供二次侧为供/回水设计温度为80℃/60℃的热源以及为训练馆提供二次侧供/回水设计温度为45℃/35℃的热源。一级系统温度为61.3℃的尾水进入二级系统，一部分为生活热水提供热水，由于地热水中TFe浓度为0.88mg/L，不能直接用于生活热水，经曝气除铁罐的过滤以及生活储水箱的混水，通过生活水给水泵对该系统提供50℃～60℃的生活热水，这样一来，地热供应生活热水成为系统中的一个分支而已，生活热水系统可以充分利用供热系统中的各设备，节省了设备投资费用的同时，在采暖期也完全可以减免作为单独供水系统所要消耗的设备运行的费用，大大提高了设备的利用率，另一部分进入空调系统板式换热器，为空调系统提供设计温度为45℃/40℃的供/回水。二级系统43℃的尾水进入热泵板式换热器通过换热后为水源热泵机组提供15℃/7℃的供/回水，整个系统的设计尾水温度为10℃，经回灌装置回灌至地下。系统流程见图1：

图1 系统设计工艺流程图

3.经济性分析

3.1 工程造价

地热站、热力网管道及设备等主材价格按照2008年7月天津市场价计算。工程概算未包括电力增容费用。该工程造价合计899.8万元。

3.2年运行费用

运行时间：冬季采暖时间为120d，每日运行24h计算。年维修费按设备造价的1.5%折算，电价为0.49元/(kW•h)，自来水价格为3.4元/t，未回灌的地热水价格为2元/t，回灌地热水价格为0.6元/t，其中回灌量按照总开采量的90%计。该项工程单位建筑面积年运行费用为16.3元/(•a)，同时该运行费用已经包含了生活热水系统的运行费用，对非采暖期来讲也只是多出潜水泵和生活热水给水泵的少量电费而已。通过对系统造价分析以及运行费用的估算，该工程达到了绿色节能供热的目的，具有良好的经济性，降低了环境污染。

4.结论

本项目利用地热作为热源，对地热资源进行梯级综合开发利用，不仅满足了全院包括散热器系统、风机盘管系统和地板采暖系统超过12.4万的供热面积，并且解决了训练馆游泳池日常换热所需热量和全年非饮用生活热水的需求，系统尾水设计温度为10℃，地热利用率可达100%，提高设备利用率的同时，充分的利用了地热资源。

参考文献：

[1]李悦.天津地区地热利用工程实例分析[J].煤气与热力,2009,29（3）:A01-A02．

[2]尹航,朱能.地热水水源热泵在校园建筑的应用[J].煤气与热力,2006,26(1):56-60．