五岳抽水蓄能電站輸水隧洞經(jīng)濟洞徑分析

鄢軍軍，周鐵柱

（中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 前言

五岳抽水蓄能電站位于河南省信陽市光山縣境內(nèi)，位于鄂豫電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的東通道上，電站建成后主要服務于河南電網(wǎng)，在電網(wǎng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等任務。電站擬裝4 臺250 MW 的立軸可逆混流式機組，總裝機容量1000 MW。電站加權(quán)平均水頭238.3 m，額定水頭241.0 m。

輸水發(fā)電系統(tǒng)布置在上水庫東側(cè)雄厚山體中，地下廠房采用首部式。引水和尾水系統(tǒng)均采用兩洞四機布置、斜進正出廠房方案，輸水系統(tǒng)主要建筑物包括上水庫側(cè)式進/ 出水口、2 條引水主洞、2 個引水岔管、4 條引水支洞、4 條尾水支洞、1 個尾水閘門室(內(nèi)設(shè) 4 個閘門井)、2 個尾水岔管、2 條尾水主洞、下水庫側(cè)式進/出水口，對應每條尾水主洞設(shè)置1個阻抗式調(diào)壓室。下水庫進/出水口與五岳水庫間采用進出水渠連接。除引水支洞和尾水支洞大部分采用鋼板襯砌外，其余洞段均采用鋼筋混凝土襯砌[1]。輸水隧洞總長度為2078.2 m，其中引水隧洞線路長度為621.7 m，尾水隧洞線路長度為1456.5 m。

1 洞徑比選方案擬定

通常輸水洞徑越大，水頭損失越小，電能損失越小，電站運行長期效益較優(yōu)，但工程一次性投資較大；反之洞徑小則水頭損失大，電能損失大，長期效益較差，但工程一次性投資省。抽水蓄能電站的輸水隧洞經(jīng)濟洞徑選擇，應根據(jù)地形、地質(zhì)條件及電站的運行方式，并結(jié)合電站裝機容量、機組機型選擇等綜合分析，并通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定[2]。根據(jù)經(jīng)濟流速估算和輸水隧洞地質(zhì)條件及布置要求，本文共擬定了5 個洞徑比較方案，各方案引水主洞直徑、引水支洞直徑、尾水主洞直徑和尾水支洞直徑見表1。

表1 輸水系統(tǒng)各經(jīng)濟洞徑方案表 單位：m

2 容量、電量損失計算

根據(jù)2025 年水平河南電力系統(tǒng)典型日模擬運行方式，五岳抽水蓄能電站一般在用電低谷時段 (夏季2：00～8：00，冬季1：00～7：00)作抽水填谷工況運行，日抽水歷時一般為6 h～7 h，在用電高峰時段(夏季12：00～13：00，16：00～18：00，20：00～23：00，冬季 11：00～13：00，18：00～22：00)作發(fā)電調(diào)峰工況運行。河南電網(wǎng)夏季季節(jié)性用電負荷比重較大，最高負荷出現(xiàn)在夏季7 月份，為系統(tǒng)裝機控制月份。由于五岳抽水蓄能電站下水庫利用已建的五岳水庫，該水庫為具有防洪、灌溉等綜合利用要求，根據(jù)多年運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，五岳水庫7 月份多年平均運行水位85.55 m。本次經(jīng)濟洞徑選擇時采用上水庫從正常蓄水位347.50 m、下水庫從7 月多年平均水位85.55 m 開始放水發(fā)電作為初始工況進行容量、電量損失分析計算。

引水系統(tǒng)各經(jīng)濟洞徑方案1#～4#機發(fā)電、抽水工況水頭損失方程見表2。

表2 輸水系統(tǒng)各經(jīng)濟洞徑方案水頭損失方程

（1）容量損失計算。根據(jù)各洞徑比選方案水頭損失方程，對五岳抽水蓄能電站各輸水隧洞洞徑方案進行滿負荷連續(xù)發(fā)電運行模擬計算，根據(jù)發(fā)電水頭過程按機組限制出力線計算各方案發(fā)電工況的受阻容量。經(jīng)分析，以滿發(fā)第3 h 平均受阻容量作為日調(diào)節(jié)運行的容量損失。

（2）電量損失計算。根據(jù)河南電網(wǎng)設(shè)計水平年2025 年五岳抽水蓄能電站各月典型日模擬運行發(fā)電出力和抽水入力過程，確定電站各時段相應的發(fā)電、抽水開機臺數(shù)，計算抽水工況、發(fā)電工況單臺機組流量和相應的水頭損失△H，根據(jù)△N=A×Q×△H 計算各時段的電量損失，從而求得各方案年發(fā)電量損失和抽水電量損失。各方案容量和電量損失計算成果見表3。

表3 引水系統(tǒng)各經(jīng)濟洞徑方案容量、電量損失表

3 經(jīng)濟洞徑確定

在同等滿足系統(tǒng)電力、電量需求的前提下，按年費用法進行比較。各方案費用包括設(shè)計電站、補充電站的投資和運行費用。各方案容量效益差由燃煤火電替代補充，火電投資按火電擴機情況下單位投資4100 元/kW 考慮，五岳抽水蓄能電站、補充火電 (不含燃料費) 年經(jīng)營成本分別按其固定資產(chǎn)投資的2.5%、4.5%計；計算期取36 年，其中建設(shè)期6 年，正常運行期30 年，社會折現(xiàn)率取8%。輸水隧洞各經(jīng)濟洞徑方案經(jīng)濟比較計算成果見表4。

表4 輸水隧洞各洞徑方案經(jīng)濟比較成果表

由工程投資可知，輸水隧洞洞徑越小，輸水系統(tǒng)建筑物及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備工程量越少，工程投資越小。方案2、方案3、方案4、方案 5 比方案 1 投資分別多 1468 萬元、3853 萬元、6809 萬元和9238 萬元。

由表4 可知，各經(jīng)濟洞徑方案年費用在596 萬元～951 萬元之間。其中，方案3 即主洞直徑8.0 m、支洞直徑5.2 m 年費用最低，為596 萬元。方案1、方案2、方案4 和方案5 年費用比方案 3 分別多 355 萬元、16 萬元、68 萬元和 41 萬元。

五岳抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)地質(zhì)條件較好，洞室穩(wěn)定問題不大，從輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置和施工技術(shù)難度等方面各方案無較大差異，各方案均可行。從經(jīng)濟指標看，方案3 年費用最小，經(jīng)濟性較好。因此，本階段選擇洞徑方案3，即引水主洞直徑8.0 m，引水支洞直徑5.2 m，尾水支洞直徑6.0 m，尾水主洞直徑8.0 m。

4 結(jié)語

輸水隧洞是抽水蓄能電站的重要組成部分，其規(guī)模合理與否對電站的一次投資和運行效率影響較大，因此，選擇合理的洞徑十分重要。本文綜合考慮工程投資、容量電量損失，對各種運行工況下洞徑方案進行動能分析計算，以同等滿足電力系統(tǒng)需求為基礎(chǔ)，采用年費用現(xiàn)值最小法，選擇抽水蓄能電站經(jīng)濟洞徑，可為同類工程參考借鑒。