[摘　要]土坎电站系土坎河上的梯级电站，分四级开发。在充分利用渠道、压力管道的过水能力和配套修建1座日调水库，使电站从径流电站变成日调节电站，合理地利用了水利资源；在电网中起到了积极参与调峰的作用；在二、三、四级电站进行扩建，各增装1台机组的改造方案实施后，通过增加发电量，调节电量增加收入，还享受了部分新电新价和调价的政策，每年电费收入1000万元以上，比原收入翻了一倍，国家税收和职工的收入实现了同步增长。运行9年的实践说明，增加装机的改造是成功的，具有良好的经济和社会效益。

[关键词]电站　增装机组　效果

1　工程概况

土坎发电站是1座梯级开发的高水头电站，位于重庆市武隆县境内乌江北岸的土坎河上，以发电为主，兼顾农业灌溉和人畜饮水。该电站始建于1964年，电站分四级开发，总利用水头704．6m，总装机容量13120kW。1993～1995年土坎发电厂对梯级电站中的二、三、四级站分别进行了增装机组的改造，增加装机容量5630kW，平均每年增加发电量1182万kW·h;并配套修建7万m3的日调节水库1座，提高了电站的调峰能力，使土坎电站从无调节能力变为具有日调节能力的电站。

该电站是上世纪60年代修建的1座老电站，通过增装机组的改造，使旧电站焕发了生机。电站改造后现已运行了9年，平均每年比改造前增加发电量991万kW·h，通过日调节水库的调节平均每年可使600万kW·h的电能由低谷转为高峰，加上新电新价的政策，土坎发电厂改造前后的电费收入增加了一倍多，同时也给电网带来了较好的经济效益。

2　增装机组方案的提出

土坎电站是四川省国家三五期间的重点建设项目，是继四川乐山龙池电站后的又1座梯级开发的高水头电站：1964年12月土坎二级站机组发电，次年3月土坎三级站发电，1965年9月土坎一级站投产发电，土坎梯级中的四级站在1967的11月建成投产。四级梯级开发加上双龙洞水源电站，土坎发电厂共装机9台，装机容量达到13120kW，多年平均发电量6000万kW·h。

土坎河的水源主要为老龙洞和双龙洞，其中老龙洞出水占整个河流水量的90％。老龙洞为该地区有名的地下暗河，最大流量可超过40m3／s；在夏季伏旱水量最小，实测最枯流量为0．2m3／s；多年平均流量为2．5m3／s。

老龙洞出水高程为932．10m，距乌江的水平直线距离为3200m，垂直落差750m，利用落差704．61m，其中一级站132．65m、二级站251．59m、三级站256．60m、四级站63．77m。从四级站至乌江河面有30m多的水头未利用，主要是从整个乌江流域和三峡电站的长远规划来确定四级站的尾水高程；土坎电站一级站引用流量2．96m3／s，二、三、四级站均为2．1m3／s；一级站机组容量为2×1580kW，二级站机组容量为2×2200kW，三级站机组容量为2×2200kW，四级站机组容量为2×500kW；双龙洞水源电站机组容量为1×160kW；土坎电站改造前共计装机容量为9×13120kW。

土坎发电站多年运行中，平均年发电6000万kW·h，年利用小时数为4573h，经济效益较好。但由于引用流量的不配套，一级站流域面积比二级站流域面积小，而引用流量反而要大得多；一级站满发时，二、三、四级站都要大量翻水，常常冲坏溢洪道，每年维修工作量大；这一问题的出现，引起了专业技术人员的思考，提出了可否对二、三、四级站进行扩建，各增装1台机组的方案。

3　增装机组的可行性

3．1　来水情况分析

土坎电站主要水源为老龙洞和双龙洞两股地下泉水，出露于可溶性石灰岩与不透水的页岩的接触层上，汇水流域均在1100m高程以上的仙女山上，地表流域面积80km2，推测流域面积1OOkm2；流域为著名的仙女山风景区，生态保护良好，除少量平坝地被农民耕种之外，基本上都被乔木、灌木和草地覆盖；流域为石灰岩地区，岩溶较为发育，降水中大部分流入灰岩的裂隙、落水洞变为地下水，河沟除在雨季可见水流外，平时均无流水。

老龙洞是地下暗河的出口，水源受降雨的补给，具有一定的存贮作用，涨水要比相同地区的地表河流滞后5～8h，涨一次大水可持续6～1Od，显示出地下暗河来水情况比较复杂；流域面积也难以计算准确，与相同面积的地表河流比较，具有蒸发量少、径流量较大、发水滞后、洪峰流量偏小的特点。

土坎电站建站初期，在老龙洞和双龙洞都设立了量水设施，在扩装机组改造前已有28年的水量记录，分别对每年的资料进行统计和分析；选择平水年作为代表年，假设二、三、四级站均增加1台机组，引水流量增大至与一级站基本配套，并以渠道不进行大的改造就能安全过流为原则，选定流量在3．2～3．4m3／s。

选择平水年1990年的实测来水量，逐日计算出＞2．1m3／s的时段的发电量；当设计流量为3．2m3／s时，全年可增加发电量1080万kW·h；当设计流量为3．4m3／s时，全年可增加发电量1170万kW·h。一级站的年利用小时数为4114h，二、三、四级站增加装机后年利用小时数可达到3500h以上。

3．2　渠道及水工建筑的过流能力

土坎电站渠道总长8．49km，其中一级渠道4．32km、二级渠道3．80km；一级站设计流量2．96m3／s、二级站设计流量2．1m3／s，因此渠道设计过流量为3．5m3／s(加上灌溉及渠道渗漏)。

渠道根据地形地质条件，分别采用梯形断面和矩形断面，设计水深1．2m，安全超高0．3m，渠道深1．5m，经过流计算，渠道基本上可以通过3．4m3／s；如果渠道局部过流量不足，可让渠道超高部分过流，安全超高可采用加高渠道边墙的办法来解决。

一级渠道和二级渠道各有渡槽1座：二级渠道筲箕湾渡槽设计流量3．2m3／s，可以通过改造后的流量；一级渠道双龙洞渡槽位于双龙洞水源与老龙洞水源之间，过流能力只有2．5m3／s，当老龙洞发水而双龙洞未发水时，改造后的机组就不能满发，将影响整个电站的经济效益，在改造工程设计的同时也对此进行改造，使其达到3．4m3／s的过流能力。

3．3　压力管道的过流能力

土坎电站4个梯级电站均采用钢管，一级站、三级站和四级站的压力管道内径均为1000mm；二级站3号镇墩以上钢管内径为1000mm、管道长217．85m，3号镇墩以下管道内径为850mm、管道长253．31m。通过对需要改造的二、三、四级站进行过流能力进行校核，各站在设计时都留有余地，都可以通过其改造后的流量；只是二级站下段压力钢管内径稍小，使二级站的水头损失增大，3台机组同时满发，将有一定的影响。

3．4　电网情况

土坎电站位于武隆县土坎镇，改造前电能主要供给涪陵地方电网和附近厂矿企业和当地的人民生活用电。由于电力的发展滞后于地方的经济的发展，涪陵电网缺电较为严重，特别是在用电的高峰时段，常常出现企业停产保居民和保城市用电的现象，因此电力能源是有市场的。由于水电的成本低，上网的电价也比火电价格低得多，所以大量的水电上网，有利于用电企业和居民用上廉价的电力能源，同时电网也可获得较好的利润，有利于电网和电力事业的发展。

4　扩装机组的设计

4．1　规模的确定

整个电站渠道设计过流量为3．5m3／s，其中机组设计流量为2．96m3／s、农田灌溉用水0．3m3／s、渠道沿途渗漏水量为0．2m3／s；在渠道不作大的改动的情况下，充分利用渠道的过流能力，局部渠段过流成问题时可作适当的改造。

增加部分机组发电时均处在降水较大的月份，即老龙洞发水的情况；在降水较多的月份，农田引用渠道水灌溉的可能性不大，当农田需要灌溉时，老龙洞水已经下降，这时增加机组部分已无水发电，因此增加的机组发电引水与农田灌溉用水互不影响。

土坎二、三、四级站增装机组后完全可以利用原有渠道过流发电，但增加机组的发电引用流量不宜超过3．5m3／s，否则，渠道的受力结构必须加固才能保证安全运行，必然会引起渠道全线改造，投资也会大大增加。

为了便于运行检修方便，土坎电厂二、三、四级站可增加1台相同型号的机组，二、三级站增加装机容量2200kW；但由于2200kW的机组是过去的老型号并经过改造后的容量，属非标准机组，因此选取2000kW和2500kW2种型号进行比较。2500kW的机组引用流量为1．3m3／s，加上原机组的引用流量后二级站的引用流量为3．4m3／s，水能利用充分，渠道的使用也达到了较好的程度，因此增装2500kW的机组更为合理。三、四级站增装机组与二级站配套，分别增加装机2500kW、630kW。

按确定的增加装机的容量，从28年的运行记录上可统计出来水情况，分别进行分析汇总，选取代表年进行来水量的逐日推算，计算出可增加发电量1170万kW·h，年利用小时数为3820h。从来水的逐年情况分析，土坎发电厂增加装机的规模为5630kW是较为合理的。

4．2　渠道的过流量校核

建渠道时为了适应各段的地质情况和节省工程量，渠道断面和渠底坡降各不相同，但渠道深度均为1．5m，其中水深均为1．2m、安全超高为0．3m；设计中对各个断面进行了复核，当水深达到1．4m时，过流量为3．6m3／s，渠道通过3．4m3／s是完全可行的，但安全超高差0．2m，则采取渠顶用砖加高的方法解决。

一级渠系双龙洞渡槽将老龙洞的水从土坎河的右岸引至左岸，双龙洞渡槽设计为钢筋混凝土渡槽，渡槽底坡为1／500，矩形断面(高1.44m、宽1．5m)；渡槽上口设有断面为18cm×18cm的钢筋混凝土拉杆，渠道实际净空只有1．26m，校核洞口全部过流时只有2．8m3／s，因此设计采用在原渡槽上重新加高设置钢筋混凝土拉杆，然后拆除原拉杆，让渡槽的净空高度达到1．66m，渡槽改造后完全可以满足增加装机的过流量要求。

4．3　增装机组的主要设备

水轮机：二级站与三级站采用相同的冲击式水轮机，其型号为CJ22-W-110／2×11、四级站采用混流式水轮机，其型号为HL160-WJ-50A；

发电机：二级站与三级站采用相同型号为SFW2500-10／1730的发电机、四级站则为SFW630-6／990；

变压器：二级站安装(新购)1台SF7-8000／38．5的变压器，将原二级站SFj-5600／38．5的变压器调到三级站，四级站则用6kV线路与三级站联通，三、四级站共同通过2台5600kVA的变压器上网。

4．4　增装机组在厂房中的布置

土坎梯级电站中4个站厂房内均布置2台机组，改造后二、三、四级站将为3台机组，3个站的厂房宽度基本相同，厂房长度则不一致，但各厂房原来都比较宽大，留了4～6m的安装间位置。

新机组视各厂房的实际情况，布置在厂房的一端；并使3台机组的轴线间距一致，水轮机布置在一条直线上，厂房则按机组段的尺寸增加其长度，故二、三级站加长8m，四级站加长6m；进水管则在原压力钢管上加一分岔管将水流引入水轮机，发电后尾水汇入原尾水渠道。

四级站厂房原没有设计吊车，安装和检修极不方便，这次改造增设了16t的吊车1台；对二、三、四级站厂房内外也进行了适当装修和绿化，让改造后的面貌焕然一新。

5　增设日调节水库提高调节能力

在二级前池的西面，相邻有一低洼地形，面积约为25000m2、深15m，三面环山、一面为斜坡，斜坡之外为陡崖，土坎建厂初期把它作为二级前池的选址比较方案。经过踏勘比较，此处为修建日调节水库的良好地址。

日调节水库三面环山，并与二级渠道和二级前池相邻，修1座14m高的坝即可形成7万m3的日调节水库；大坝设计为土工膜防渗的土坝，利用库内的风化页岩作为筑坝材料，可增大库容和减少弃土外运及堆放。

二级前池可调节的水位为3．5m，而日调节水库的调节水位为9．5m，为了充分利用水库的调节作用，重新设置取水口；在原压力钢管的斜段上适当位置布置的岔管，引出一平管伸入日调节水库内，在库内设一塔式取水口。引水钢管直径1m、壁厚12mm，库内段埋入混凝土中，库外段为明管敷设；工作闸门为滚轮式平板闸门，取水口设拦污栅2道用电动葫芦交替提出水面清污。

日调节水库与二级前池仅一墙相隔，在前池胸墙上部开一个1m深、3m长的孔口，便于连通和灵活调度，多余的水也可流入前池再通过前池的溢洪道泄掉，以保证安全；渠道与日调节水库间则用浅水平板闸门控制，入口采用加墩陡槽消能，避免水流冲刷护坡和产生水流漩涡。

日调节水库的设置将增大土坎电厂的调节能力，由于是高水头梯级开发的水电站，在调节容量不大的情况下就可进行日调节，通过调节把用电低谷的电调节到用电高峰或用电平值时段，提高了电能质量，也给电网和电站本身带来经济效益。

6　增装机组的实施

　土坎发电厂增装机组的改造是在土坎电站建成后最大的基建项目，整个工程牵连到各级电站各个方面配套改造，土建工程量最大的是在日调节水库的施工，机电设备安装侧重在各个站增加机组的施工。

　1992年开始作日调节水库的施工准备，1993年3月正式破土施工，4月开始筑坝，1994年1月升坝结束，5月开始大坝帷幕灌浆施工，年底开始蓄水发挥调节作用。

　各站的改造是在原机组未停产的情况下进行的，因此在施工中对原有机组的保护和保证其正常运行是改造工程成败的关键。改造工程中土建施工必然会产生大量的粉尘和偶然的坠物，因此必须在对原机组进行严格的防护后才能施工；在水轮发电机组的四周用混凝土空心砌块干砌防护墙，墙高2．4m，在墙上再安木檩条，间距80cm，檩条上满铺5cm厚的松木板，然后在四周和顶面用土工布或薄膜防尘。实践证明防护效果良好，没有影响正常的生产，未对机组和设备产生损害；但灰尘进入发电机组难以避免，在增装机组改造完工后，对原机组均进行了清洗和检修。

　1994年1月土坎四级站、二级站、三级站增装机组的改造工程相继动土开工，由于机组生产周期的不同，四级站机组到货较快，二、三级站机组到货的时间相对较晚，因此四级站在同年5月土建施工完成，并开始安装机组，8月10日投产发电；二级站、三级站年底土建基本完工，开始安装水轮发电机组，1995年6月二级站新机组安装完工并投产；三级站的水轮发电机组安装在1995年10月完成，开始投入发电生产运行。

7　增加装机后的运行效果

7．1　充分利用日调节水库的调节作用

土坎电站的水源均为地下水，每天的来水基本固定，电网要求电站上网的日负荷曲线也事先知道，可按日调节水库的库容水位关系曲线求出每天的最佳调节方案，使电站达到最好的经济效益。基本的调节方案有3种：1)当来水量<1／3设计流量时，可将全部水量蓄起来，调到8h的高峰时段内发电；2)当来水>1／3而<2／3设计流量时，可在高峰时段满发，平谷时段发剩余的水量；3)当来水>2／3的设计流量时，可在高峰和平谷时段满发，低谷时段发剩余的水量；4)日调节水位尽量处于高水位，以增加水头多发电；5)在暴雨来临前日调节水库可留1m的防洪库容，以防山洪的突然暴发。

7．2　电站增装机组后的运行效果

随着工农业生产的发展和人民生活水平的日益提高，电力供不应求的矛盾越来越突出，特别是峰谷差大，用电高峰时常常限电供应，给地方的工农业生产造成较大的影响，也给人民的生活带来诸多不便，同时电网和电站也受到损失。

土坎发电站增装机组已投入运行9年，共增加发电量8920万kW·h，平均每年增加发电量991万kW·h；增加部分按丰水电价0．136元／kW·h计，平均每年增加收入135万元。

由于日调节水库的调节作用，多年平均可将近600万kW·h的电量从低谷调到高峰，可将约800万kW·h的电量由低谷调到平谷；根据涪陵地方电网的电价政策，高峰电价上涨32．5％，低谷时电价下调50％，且电量只收平谷时的65％；土坎电站利用日调节水库和二、三、四级站全部机组参与经济合理调度后，平均每年可增加收入150万元。

土坎发电厂增加机组的改造不但可通过增加发电量、调节电量增加收入，还享受了部分新电新价和调价的政策；土坎发电厂在改造前电费收入只有500多万元，增加机组的改造后每年电费收入1000万元以上，土坎电站的收入翻了1倍，国家税收和职工的收入也实现了同步增长。

8　结　语

土坎电站充分利用渠道、压力管道的过水能力，在投资不大的情况下实现了增装机组的改造，充分合理地利用了水利资源；特别是配套修建日调节水库1座，土坎电站从1个径流电站变为日调节电站，在电网中起到了积极参与调峰的作用。运行9年的实践说明，增加装机的改造是成功的，具有良好的经济效益和社会效益，该工程的成功经验对需要进行更新改造的电站和新电站的建设有一定的参考价值。

查永林(1964-)，男，工程师，水工基建科科长。

Email：chayuling63@126.com