一、电站概况康帕二级水电站地处新疆喀什地区英吉沙县境内，位于昆仑山北麓、塔里木盆地西沿。电站始建于二十世纪80年代中期，是康帕大渠上的第二级梯级电站，利用康帕大渠下游的浇灌用水进行发电，布置形式为引水式。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，装机容量P=2×800 1×1600kW，但长期以来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，现有的发电量已不能满足需要，必须开发新的电源，对原有电站进行增容改造是重要的途径之一。二、电站达不到额定出力的原因分析通过现场调查，分析康帕二级水电站长期未能达到设计出力的原因，从水工建筑物来讲主要有以下几方面：1．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，使流速较大幅度降低，达不到设计引用流量。2．引水渠与前池联接处扭面角度较大，形式不合理，造成过流断面收缩减小过大，水流不畅，水头损失加大。3．库山河多年平均含沙量为2.83kg／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，故泥沙颗粒粗。夏季来水量大时，通过直线沉砂池也只能排除来水中部分砂石；冬季上游来水量小时，连发电用水量都不能满足，更没有多余的水冲砂，造成引水渠淤积，大量泥砂进入前池。4．前池排砂能力较差，使大量泥砂进入水轮机，造成过流部件严重磨损。5．压力管道较长(583.9m)，直径小(∮=1.3m)，造成较大水头损失，降低了有效运行水头。6．尾水管出口端与尾水渠联接处设计不合理，造成尾水出口出流不利，尾水水面壅高，水面波动较大，水轮机发生振动，影响机组出力。此外，机组过流部件经多次修复后，型线已与原机型不符，机组效率大幅度下降，也是机组达不到额定出力的重要原因之一。根据以上分析，本次将对引水渠、前池和尾水管出门端与尾水渠联接段加以改造，降低机组进口前、出门后的水头损失，为电站增容改造打下一个良好的基础。三、电站改造的基本内容1．水工建筑物。本次康帕二级电站增容改造水上建筑物方面的基本内容有如下几项：(1)引水渠改造本次改造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.Om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(原糙率为干砌石0.033，现改为砼0.017)，提高了渠道的引水能力。改造后，渠道流速增为1.94m／s，远大于输冰流速，输冰问题解决了，渠道引用流量也由原来的6.Om3／s增至8.0m3／s。为保证冬季排冰效果，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.Om3／s水时，水面宽度3.08m，而前池宽度为3.05m，基本相等，从而保证了排冰顺畅。(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，扭画的平面角度取a=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主要问题是排冰排砂不利，拦污栅清污不方便。因为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。因此，将舌瓣门拆除，在挡砂坎与排冰悬板之间用浆砌石做一挡水墙，并在顶部设宽0.3m、高0.5m的钢筋砼卧梁，卧梁下设0.3m×O.3m的排气孔。卧梁作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为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，布置形式改为水平铰支座形式，清污时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，来冰量较大时，机组出力会降低，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即可正常发电。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。(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，同时造成尾水水面波动，引起机组振动。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，从而使尾水管出流顺畅，尾水渠容积增大，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。2．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。电站自动化系统同时进行改造，配置SJK—3000型电站微机综合自动化系统一套，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、功率调节和运行治理职能，为电站实现“无人值班”(少人值守)提供技术支持与保障。四、电站改造前后水头流量等基本参数的变化1．电站改造前后引用流量变化。康帕二级水电站经康帕大渠从库山河的木华里引水枢纽引水发电。木华里引水枢纽向英吉沙县、阿克陶县和疏勒县供水，故该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，1984年10月7日至11月27日测出流量损失23％～27％；1986年10月19日至10月27日观测46次，测得流量损失19.5％。改造前康帕二级水电站经康帕大渠可引用的月平均流量如表1所示。木华里引水枢纽建成后，有效地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，大河损失仍有10％左右。引水渠改建后，漏水损失约为2％左右。改造后康帕二级水电站经康帕大渠可引用的月平均流量如表2所示。2．电站改造前后水头变化康帕二级水电站前池设计水位为1585.19m，尾水渠设计水面高程1532.93m，毛水头为52.26m。电站改造前，压力管道比较长(583.9m)，管道直径小(D=1.3m)，管内流速过大，压力管内水头损失较大。当三台同时运行时，引用流量Q=8m3／s，压力总管内水头损失△h总=18.8836m，1#、2#机支管内水头损失△h支1=2.6894m，3号机支管内水头损失△h支3=3.0839m。因此，1#、2#机运行净水头约为30.69m，而3#机运行净水头则只有30.29m。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压力管只为1#、2#机供水；另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△h1#、2#=5.0376 2.6894=7.73m，3#机水头损失△h3#=2.32m。如此，改造后电站净水头分别为：(1)1#、2#机净水头：Hp1#、2#=52.26-7.73=44.53m(2)3#机净水头：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只有一台机运行时，此时该水头Hmax=54.02-2.32=51.7m3．电站改造前后水能变化根据上述对改造前后流量、水头的分析比较，以水轮机效率nT=90％、发电机效率nf=95％和机组出力P=9.81×HP×Q×nTnf(kW)计算，则改造前、后各月的平均出力情况分别如表3和表4所示。比较改造前后的出力，改造效果非常明显。以出力最大的6～10月份为例，改造后出力增加1636kW，比改造前超发100％以上。五、改造实施效果第一期改造于2002年6月开始实施。利用康帕大渠改造施工期间，电站因停水无法发电，对电站引水渠从日调节池至前池段进行改造，同时对前池、尾水管与尾水渠之间联接段进行改造，提高前池的排冰排砂能力，减少过流部件的磨损，为电站机电设备的增容改造打下良好基础。第一期改造于2002年11月完工，现已投入运行。经现场观察，浮冰能顺利进入前池悬板，经人工辅助，可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，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；机组运行振动消失，机组出力在原相同运行工况下，增发200kW，年发电量增加84万kW·h。按现有上网电价0.24元／kW·h计算，年可增加收入20.16万元。机电设备增容改造后，三台机总出力可由原来的1534.42kW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，相当于新建一座装机容量为1800kW的电站，年可增加收入204.5万元。康帕二级水电站的改造不仅经济效益显著，社会效益也很大，提高了系统电能质量，降低了电能成本，减少了水能浪费，对英吉沙县的国民经济和人民生活水平的提高起到一定的促进作用。按现行水价分析计算，该项目的财务盈利能力很强，各项经济指标均符合以电代柴项目规范要求。因此可以认为，康帕二级水电站的改造是成功的。