中偏尾部開發(fā)方式在洛寧抽水蓄能電站中的應(yīng)用

趙 路，雷谷峰，童恩飛

（中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410014）

1 工程概況

洛寧抽水蓄能電站位于豫西的洛三濟(jì)地區(qū) （即洛陽、三門峽、濟(jì)源），該地區(qū)負(fù)荷增長較快，是全省除鄭州以外的第二負(fù)荷中心。河南以火電為主的電網(wǎng)，需要有足夠的抽水蓄能電源來幫助實(shí)現(xiàn)降低煤耗、減少廢氣排放的目標(biāo)，建設(shè)洛寧抽水蓄能電站是十分必要的。

工程區(qū)位于熊耳山北坡洛河右岸一級(jí)支流白馬澗及其右岸一級(jí)支流大魚溝上。北臨洛河河谷，區(qū)內(nèi)地形切割強(qiáng)烈，地形起伏大。工程場區(qū)出露的基巖地層主要為燕山晚期花崗巖類侵入巖體，第四系松散地層主要為沖洪積、殘坡積、崩坡積等作用形成的堆積物。

洛寧抽水蓄能電站預(yù)可研階段總裝機(jī)容量1 200 MW，由4臺(tái)300 MW的可逆式水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組組成，額定水頭590 m，最大水頭652 m，輸水線路水平距離大于4 200 m。上水庫正常蓄水位1 220.00 m，上水庫庫容約695萬m3，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高76 m；下水庫正常蓄水位614.00 m，下水庫庫容約687萬m3，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高107.5 m。工程等別為一等，規(guī)模為大 （1）型。

洛寧抽水蓄能電站最大水頭高，輸水線路水平距離長，如何在保證工程運(yùn)行安全、穩(wěn)定的前提下，減少工程投資，是該工程需要解決的難點(diǎn)。本文主要對中部式、中偏尾部式、尾部式開發(fā)方式進(jìn)行方案比選。

2 開發(fā)方式選擇

2.1 方案擬定

根據(jù)地下廠房在輸水系統(tǒng)的位置，廠房布置形式一般可分為尾部式、中部式、首部式3種。由于本工程首部式開發(fā)方案，除引水系統(tǒng)較短具有一定優(yōu)勢之外，其輔助洞室長度、出線、施工支洞長度均明顯長于中部與尾部方案，工程量大，通風(fēng)與施工條件差，運(yùn)行管理不便，工程投資高，洞室埋深大，地應(yīng)力較高，所以排除首部式方案。

廠房中部方案除出線較尾部方案長以外，其輔助洞室布置順暢，輸水系統(tǒng)鋼襯長度短于尾部方案，廠區(qū)地質(zhì)條件略優(yōu)于尾部方案，地下廠房覆蓋較深。尾部開發(fā)方案引水系統(tǒng)雖較長，但與中部開發(fā)方案相比，主要優(yōu)勢為出線較短，尾水隧洞可不設(shè)尾水調(diào)壓井。綜合考慮中部、尾部方案優(yōu)缺點(diǎn)，制定了中偏尾部式方案，對此3種方案進(jìn)行進(jìn)一步比較。

中偏尾部方案確定的廠房位置，若往上游移，高壓電纜洞、進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞及高壓電纜工程量均增大，而引水系統(tǒng)鋼襯段不能縮短，投資將增加；若往下游移，鋼襯段增加投資約26萬元/m，高壓電纜洞等節(jié)省投資約14萬元/m，也不經(jīng)濟(jì)。故中偏尾部方案確定廠房位置原則上具有合理性。

2.2 輸水系統(tǒng)布置

洛寧抽水蓄能電站地下廠房3種開發(fā)方式方案中，上、下水庫進(jìn)出水口位置和布置形式、主副廠房布置形式和尺寸、裝機(jī)規(guī)模、機(jī)組安裝高程、輸水系統(tǒng)供水方式均相同。上水庫進(jìn)/出水口布置在大壩左壩肩，距離壩頭約260 m，為側(cè)式進(jìn)/出水口；進(jìn)/出水口底板高程1 169.20 m。下水庫進(jìn)/出水口布置在右岸，距離右壩腳線約420 m，為側(cè)式進(jìn)/出水口；進(jìn)/出水口底板高程550.90 m。機(jī)組安裝高程均為490.00 m。各方案中，輸水隧洞各對應(yīng)洞段的洞徑均取相同，各方案立面布置見圖1，輸水系統(tǒng)參數(shù)比較見表1。

圖1 開發(fā)方式比選方案輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面

表1 廠房開發(fā)方式比選輸水系統(tǒng)參數(shù)比較

從表1可以看出，3個(gè)方案輸水系統(tǒng)總長度相差很小，最大僅差18 m，輸水線路長度引起的工程量和水頭損失差別較小。引水系統(tǒng)的立面均采用二級(jí)斜井布置，隨廠房位置的后移，引水隧洞長度逐漸變長，鋼襯起點(diǎn)均始于引水中平洞，尾部式方案鋼襯段長度比前兩個(gè)方案長975 m。尾水隧洞鋼襯段長度和岔洞形式相同，中部式方案的尾水系統(tǒng)最長，尾部式最短。對于輸水系統(tǒng)布置，引水系統(tǒng)高內(nèi)水壓力段越短越好，中部式和中偏尾部方案較好，尾部式較差。

為滿足過渡過程要求，3個(gè)方案均需設(shè)置調(diào)壓室。在設(shè)置調(diào)壓室之后，3個(gè)方案的Tw值分別為2.12、1.11 s和2.22 s，Ta/Tw分別為 3.80、7.26和3.63，均處于調(diào)速性能好的區(qū)域。3個(gè)方案的調(diào)節(jié)保證能力均能滿足規(guī)范要求，但我國建成投產(chǎn)的幾座大型抽蓄電站的Tw值基本都小于2.0，Ta/Tw基本都大于4.0[3]，只設(shè)一個(gè)調(diào)壓室的中部式和尾部式方案調(diào)保參數(shù)不太理想。調(diào)節(jié)保證能力方面，中偏尾部的方案最優(yōu)。

2.3 廠區(qū)布置

廠房布置位置不同，對主副廠房、主變洞、母線洞等主要洞室布置沒有影響，主要影響廠房對外聯(lián)系的輔助洞室的布置。因地形條件的限制，無論哪種布置方案，輔助洞室的進(jìn)口位置都只能在下水庫右岸的山腳附近選擇。中部式方案因?yàn)槁裆罡螅势涞叵聫S房的進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞等較中偏尾部式方案長約630 m。中部式高壓電纜平洞長1 326.00 m，豎井高約113.30 m，連接線路總長約1 439.30 m，高壓電纜長度過長，增大了電能損耗，較大幅度地增加了設(shè)備投資。

2.4 投資比較

對3種方案輸水系統(tǒng)、廠房系統(tǒng)和一次電纜的投資進(jìn)行比較 （見表2）。從表2可以看出，相比其他兩個(gè)方案，中偏尾部方案需多布置一個(gè)調(diào)壓室，但壓力鋼管、廠房附屬洞室和高壓電纜等主要投資較優(yōu)，故總投資最低，且調(diào)保參數(shù)最優(yōu)。

表2 開發(fā)方式比選可比投資對比

綜上，初選中偏尾部式廠房開發(fā)方式。

3 過渡過程計(jì)算

抽水蓄能電站機(jī)組較常規(guī)電站機(jī)組工況轉(zhuǎn)換多，開、關(guān)機(jī)頻繁，對調(diào)壓井的運(yùn)行穩(wěn)定性要求相應(yīng)也高，國內(nèi)已建抽水蓄能電站大多采用單調(diào)壓井，只有廣州抽水蓄能和惠州抽水蓄能電站采用了上下游雙調(diào)壓室的布置，但其最大水頭均低于560 m。而洛寧抽水蓄能電站最大水頭高達(dá)652 m，如此高水頭抽水蓄能電站設(shè)置雙調(diào)壓室在國內(nèi)尚屬首例。因此需通過過渡過程計(jì)算驗(yàn)證中偏尾部開發(fā)方式的可行性。

選用參數(shù)相近的西龍池機(jī)組特性曲線，采用水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院和武漢大學(xué)共同開發(fā)的 “水電站水力過渡過程計(jì)算軟件Topsys1.0”程序?qū)Β佟ⅱ谔?hào)機(jī)組組成的水力單元進(jìn)行的水力過渡過程計(jì)算。擬將管道系統(tǒng)分成19段，其計(jì)算簡圖如圖2所示，圖中J16、J17分別代表①、②號(hào)機(jī)組，J3、J19分別代表上、下游調(diào)壓室。

圖2 洛寧抽水蓄能電站過渡過程計(jì)算示意

導(dǎo)葉的關(guān)閉和開啟均采用直線規(guī)律。水輪機(jī)工況選用30 s直線關(guān)閉規(guī)律和30 s直線開啟規(guī)律，水泵工況選用50 s直線關(guān)閉規(guī)律作為計(jì)算條件。導(dǎo)葉正常關(guān)閉時(shí)，不考慮球閥參與調(diào)節(jié)，導(dǎo)葉拒動(dòng)時(shí)，球閥按先快后慢的60 s折線關(guān)閉（15-45-0.18）。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 過渡過程大波動(dòng)計(jì)算極值統(tǒng)計(jì)

從表3可以看出，蝸殼末端最大動(dòng)水壓力水頭為892.32 m，壓力升高率22.2%，滿足小于30%的限值要求；尾水管出口最小壓力46.46 m，考慮計(jì)算誤差 （壓力下降值10%）和渦流 （凈水頭3.5%）修正后為17.45 m，仍滿足不出現(xiàn)負(fù)壓要求，其裕度較大；機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率27.64%，滿足小于45%的要求。

4 結(jié)論

（1）洛寧抽水蓄能電站廠房采用中偏尾部開發(fā)方式，引水和尾水系統(tǒng)均較長，需設(shè)置上、下游雙調(diào)壓室，但鋼襯、廠房附屬洞室、高壓電纜等工程量均較少，因此綜合投資最少。

（2）電站最大水頭652 m，如此高水頭抽水蓄能電站設(shè)置雙調(diào)壓室在國內(nèi)尚屬首例。但過渡過程計(jì)算結(jié)果表明，壓力上升、尾水管最小壓力、轉(zhuǎn)速上升參數(shù)良好，說明結(jié)構(gòu)布置合理，且洞徑仍有優(yōu)化余地。

綜上所述，對于高水頭、長輸水道的抽水蓄能電站，相比傳統(tǒng)的中部式和尾部式開發(fā)方式，中偏尾部開發(fā)方式優(yōu)點(diǎn)突出。可為類似工程開發(fā)方式方案比選提供參考。

［1］羅紹基.廣州抽水蓄能電站介紹［J］.水力發(fā)電， 1990（10）:47-50.

［2］鄭晶星，黃立財(cái)，姚廉華，等.惠州抽水蓄能電站工程調(diào)壓井布置及體型優(yōu)化研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2006（10）:172-176.

［3］DL/T 5208—2005 抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］.

［4］邱彬如，劉連希.抽水蓄能電站工程技術(shù) ［M］.北京：中國電力出版社，2008.