马 彪
(国际小水电中心，浙江 杭州 310002)
2018年以来，国家对长江经济带省市完成2.5万多座小水电清理整改，保留的2.1万座电站需完成生态泄流等改造。按照《黄河流域生态保护和高质量规划纲要》，2024年底前黄河流域小水电站也需按要求完成生态泄流改造。由此可知，生态泄流是我国当前小水电发展的一个重要方向，而生态机组是生态泄流的其中一种方式，国内部分对其进行了探索研究[1-13]。生态机组是以泄放生态流量为主要目的，除特殊原因外几乎不间断运行的小机组，主要承担基荷发电任务，且其发电流量必须满足生态流量。
我国有部分小水电站因建设年代久远、设计建设不合理、管理不规范等原因，面临着水资源利用率不高以及生态泄流无法达标的问题，急需增效扩容及生态泄流改造。现有河流上的坝或堰结构有非常巨大的分散型发电潜力，传统类型的水电开发需要新建一座引水式电站，而德国福伊特Stremdiver机组技术则可在无需建造电站厂房的情况下，以较低成本集成到现有的水坝、拦河堰、渠道以及管道等设施中运行发电，可为小水电站增效扩容及生态泄流改造提供优秀的解决方案。
1.1 概况
图1为StreamDiver机组相关示意，福伊特以最小化复杂性、最小化故障、保持较低的投资和运行成本为设计理念，开发了StreamDiver[14-16](以下简称SD)水电机组技术。SD机组采用高度集成化的极简设计，将水轮机、发电机和控制系统一体化。SD机组主要结构(见图1a)如下：①永磁发电机；
②水润滑轴承；
③充水水轮机舱中的无动密封灯泡；
④带有固定导向叶片的水轮机外壳；
⑤螺旋桨式转轮。SD机组转轮采用定桨式设计，叶片和固定导叶都不可拆卸。机组包括定速和变速两种运行方式，通过调解水轮机转速就能控制机组的过机流量。整个机组完全安装在水中，仅有电缆从水下引出(见图1b、1c)。SD具有5种基本型号(见图1d)，2种大尺寸转轮型号，机组使用水头范围为2～8 m，单台机组流量应用范围为2～12 m3/s，单机输入输出功率可达到50～1 450 kW。
图1 StreamDiver机组相关示意
1.2 机组特点
与传统水轮机组相比，SD机组具有结构紧凑、灵活性高、维护成本极低且特别环保等特点：①机组抗磨损和气蚀性能良好；
②采用无油脂、完全用水润滑的传动系统，能够保证100%无油、无泄漏、无污染；
③无励磁、冷却排水、供油管、齿轮以及动密封等系统组件；
④无厂房布置，体积小巧，占地及土建工程量小；
⑤能以较低成本集成到现有的水坝、拦河堰、渠道以及管道等设施中；
⑥只需要一个节省空间的电气容器就可以容纳控制电子设备和监控运行数据；
⑦视觉影响小，无噪音；
⑧安装方便，机组质量不足10 t，两三个人借助简单的工具即可完成安装拆卸；
⑨电站无人值守且维护量极低，所有相关的运行参数和系统状态都可以远程监测；
⑩系统复杂性极低，每5年现场检查一次，每10 a才进行一次滑动轴承模块之类的大修；
与传统的轴流式水轮机方案相比，SD机组大大降低混凝土和土方工程的施工成本，这样整体项目的成本可降低多达25%。
1.3 应用情况
我国尚无SD机组技术的替代产品，水利部科技推广中心将SD技术列入“第十五届国际水利先进技术(产品)推介名录”。SD机组自投放市场以来，已在奥地利等8个国家进行了装机应用(表1)，总计10个电站32台SD机组在可靠运行。其中秘鲁Huampani电站为利用SD机组回收尾水能量的典型案例：秘鲁Huampani水电站原装机31.5 MW，电站尾水渠道中已经过初次发电的尾水水流具有18 m3/s流量、4.5 m水头的剩余水能资源，遂在尾水渠道加装2台SD13.10机组(见图1c)，为电站扩机700 kW的装机容量。
表1 SD机组在全球应用情况统计表
2.1 基本情况
某水电站(见图2)为低水头径流式水电站，开发方式为无调节河床引水式，现有机组装机容量5 750kW，设计年发电量2 540万kW·h，年利用小时数4 619 h。电站主要建筑物有拦河坝、筏道、引水渠、主厂房、副厂房、升压站等。拦河坝为六跨的浆砌条石连拱坝，坝高11 m，坝顶高程99.2 m，右边墩接筏道外边墙；
筏道在大坝右端，浆砌石结构，长210 m，宽4.4 m；
电站采用明渠引水，引水渠宽44 m，全长182 m；
厂房为布置于右岸的地面式厂房，主厂房内装设五台轴流定浆式水轮发电机组，单机容量为1 150 kW，额定水头6.6 m，单机发电流量20.8 m3/s，总发电流量103.9 m3/s；
副厂房在主厂房右端，与主厂房成曲尺型布置；
升压开关站为35 kV户外式开关站，布置主变压器、开关设备等，出线一回送至城区。
2.2 主要问题
电站运行主要面临着两个主要问题：①丰水期弃水，电站现有机组发电引用流量为103.9 m3/s，仍明显低于坝址多年平均流量133 m3/s，电站平均每年过坝弃水(见图2b)天数约120 d以上，弃水几率达到30.4%，水量利用系数仅为40%左右，水资源利用率极低。②枯水期减脱水，如图2a所示，红线区域及下游河道为电站引起的河流减脱水河段区域，枯水期坝后河床可见明显的裸露现象(见图2d)。根据国家对电站的相关要求，水电站坝址需泄放最低23.14 m3/s生态流量，但电站无法满足国家要求。
图2 某水电站基本情况示意
2.3 解决方案
针对电站面临的两个主要问题，初步提出以下解决方案：①针对丰水期弃水问题，进行增效扩容改造，增加过机流量，提高水资源利用率；
②针对坝后河段减脱水问题，进行生态泄流改造，在坝后增加生态泄流实施下泄生态流量，防止坝后下游减脱水。
2.3.1 增效扩容改造
电站最初装机容量4 000 kW(5×800 kW)，扩机改造后装机容量提高到5 280 kW。随后再次增效扩容改造，装机容量提高5 750 kW(5×1 150 kW)，装设5台轴流定桨式水轮发电机组。因发电厂房已进行两次增效扩容改造，厂房机组已无额外的扩机或增效潜力，只能在坝后进行扩机改造，加装适合电站实际情况的水轮机组。
2.3.2 生态泄流改造
水电站生态泄流设施应在坝址处或尽量靠近坝址的地方，可采用8种方案(表2)进行生态改造。考虑研究水电站枢纽布置、地形、地质、机组等实际情况，对生态泄流可能采用的方案进行分析比选(见表2)，最后选用方案6，安装生态机组作为解决电站生态泄流的方案，可增加装机容量的年利用小时约3 500 h，年均增加发电量约为400万kW·h，生态机组两项合计年均发电效益约566万kW·h。
表2 生态泄流改造选择方案
2.3.3 最终方案
综上所述，电站在坝后增加生态机组放水发电，同时解决了电站丰水期弃水和枯水期减脱水两个主要问题，可使水量利用系数提高到54.4%，又满足了坝后23.14 m3/s的泄流要求。生态机组作为基荷机组，与原厂房机组通过协同优化运行，同时实现经济效率和生态效率最大化，是适用于电站的最优方案。
3.1 选型原则
机组型式及基本参数的选择首先根据水电站的枢纽布置、运行水头范围及其运行特点，从技术特性、生态特性、经济指标、运行可靠性、设计制造技术水平等方面出发，结合现场条件，确定机组选型基本原则(见表3)。
表3 机组选型基本原则
3.2 生态机组选型
因传统机组无法达到表3所述的相关要求，考虑到SD机组的优良特性正好与之匹配，故生态机组选用SD机组。由流量23.2 m3/s、水头6.6 m，根据水轮机组出力公式可得生态机组可装机总容量为1 277 kW。但根据国家对小水电站增效扩容改造的相关政策，扩建机组容量上限为电站现有机组装机容量(5 750 kW)的20%，即生态机组装机容量为1 150kW。依据前述对装机台数的要求，选择加装2台生态机组，则单台生态机组设计流量和水头分别为11.6 m3/s及6.6 m。将流量、水头在SD机组型谱(图1d)定位，可确定机组型号为SD13.10，进而可得SD生态机组基本参数：2台机组，总额定流量23.2 m3/s，综合效率0.85，总装机容量1 150kW；
水轮机型号为SD13.10，额定水头6.6 m，额定流量11.6 m3/s，额定功率575 kW，额定转速375 r/m，同步发电机为永磁式发电机，安装方式为IMB5，出口电压400 V，频率50 Hz，绝缘/温升等级为F/B。
3.3 机组布置及工程改造方案
3.3.1 基本原则
确保现有主要水工建筑物，特别是确保大坝、厂房的结构安全；
不增加现有厂房位置的洪水水位，不降低现有厂房防洪能力，确保厂房防洪安全；
不损伤电站枢纽现有功能，即除水力发电外，不破坏筏道、鱼道。
3.3.2 机组布置
根据基本原则以及电站的实际情况，扩建的SD生态机组布置在连拱坝6号拱下游，利用现有连拱坝6号拱位置作为生态扩建机组的取水口，取水口设隔墩分开为两组取水口，在清污机后合并为一个流道。此布置方案具有以下优点：①对厂房防洪及结构无安全影响；
②引水长度及水头损失很小；
③发电量相对较高；
④有一定的进场交通条件；
⑤施工时无需围堰；
⑥工程造价相对较低；
⑦施工工期相对较短。
3.3.3 工程改造方案
因6号拱的支墩及边墩是连拱结构安全的基础，对挡水坝的结构安全有一定的影响。故需对6号拱及支墩在不拆除的前提下加固改建，并在拱下游新建集水池、排水渠，形成完整的取水、输水、发电及排水系统。由于拱坝上游来渣较多，且渣子成分主要是竹枝，人工清理相当困难，故在取水口处设潜水式清污机，并新建清渣、检修平台。安装两门槽2套叠梁检修闸门以及2套清污机。机组无需拉低水库水位，2台机组同时停运，检修损失较低。综上所述，可形成如图3所示的最终机组布置及工程改造方案。
图3 机组布置及工程改造方案示意(单位：mm)
本文以低水头径流式电站为研究对象，对StreamDivr机组在某水电站生态机组改造进行应用研究。首先研究SD机组的技术特性、优点及其应用情况，其次梳理电站的基本情况，对电站面临的丰水期弃水和枯水期减脱水两个主要问题进行分析，研究适应于电站实际情况的增效扩容改造以及生态泄流改造方案，最终提出解决电站问题可行的设计方案：利用StreamDivr机组在某水电站进行生态机组改造。设计方案主要结论如下：
(1)2台总装机容量1 150 kW的SD13.10机组是生态机组改造的最优选择；
(2)SD生态机组布置在连拱坝6号拱下游，生态机组取水口利用现有连拱坝6号拱位置；
(3)在6号拱下游新建完整的取水、输水、发电、排水系统以及清渣、检修平台。
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