引漢濟渭工程三河口水庫壩后電站雙向機組裝機規模論證

彭穗萍

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 前言

引漢濟渭工程是解決陜西省關中地區水資源短缺，優化全省水資源配置的關鍵性跨流域調水工程，工程調度運行要求三河口水利樞紐壩后不僅要布置泵站抽漢江水量入支流三河口水庫調蓄，而且要布置電站利用供水發電進行電能回收。基于調度要求，在機組具備抽水發電雙向運行條件下，研究三河口水庫壩后電站機組抽水發電雙向運行的可行性，對雙向機組裝機規模進行論證。實現三河口水庫壩后泵站、電站聯合布置，優化設計，提高效率，節能降耗，減少投資的目標。

1 論證背景

1.1 引漢濟渭工程概況

陜西省引漢濟渭工程是從漢江流域調水至渭河流域關中地區，緩解關中地區水資源供需矛盾，促進陜西省內水資源優化配置，改善渭河流域生態環境，促進關中地區可持續發展的大型Ⅰ等調水工程。工程建設任務向渭河沿岸重要城市、縣城、工業園區供水，逐步退還擠占的農業與生態用水，促進區域經濟社會可持續發展和生態環境改善。工程調水量近期10.0 億 m3，遠期 15.0 億 m3。

調水工程主要由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和長98.3 km的秦嶺輸水隧洞組成，工程總體布局在漢江干流興建黃金峽水庫及在其支流子午河興建三河口水庫為水源，在黃金峽水利樞紐壩后修建泵站，抽漢江干流水通過黃三段隧洞輸水至匯流池，所抽大部分水量直接由越嶺段隧洞送至渭河流域關中受水區，黃三段輸水流量大于關中用水流量的部分水量由三河口泵站抽入三河口水庫存蓄，當黃三段輸水流量較小，不滿足關中受水區用水需求時，由三河口水庫放水補充，所放水經壩后電站發電后進入越嶺段隧洞送至關中受水區。

1.2 庫群聯合調度方式

引漢濟渭調水工程的水資源調度運行是一項復雜、大系統、多目標的決策問題。系統內各調蓄工程的任務不同，興利目標眾多，各目標的供水保證率又有較大差異[1]。

基于調水要求，建立供水系統網絡節點圖[2]，進行四水源庫群聯合調度，庫群調度方式為:調水區以三河口水庫為中心，黃金峽水庫為補償，調度目標盡量充分利用允許可調水量，通過三河口水庫進行多年調節，黃金峽水庫進行年調節，減少年內年際供水差別，提高枯水年調水量；受水區以黑河金盆水庫調度線實現黑河水庫和地下水供水的聯合運用，進行補償調節，黑河水庫解決年際不均勻的缺水過程，地下水主要解決年內不均勻的缺水過程[3]。

庫群聯合調度要求三河口水庫不僅要調蓄本流域年內年際的水量，而且還具有調蓄漢江干流年內水量的能力。

2 壩后電站雙向機組可行性研究

2.1 水庫雙向運行條件

引漢濟渭工程四水源庫群聯合調節，確定了黃金峽壩后泵站自庫區提水，入黃三段和越嶺段隧洞輸水至黑河金盆水庫下游的黃池溝；當黃金峽泵站抽水流量小于受水區需水要求時，由三河口水利樞紐壩后電站發電后，通過連接洞補充供水至越嶺段隧洞；當黃金峽泵站抽水流量大于受水區需水要求時，富余的水量通過連接洞由三河口泵站抽水入三河口水庫存蓄。

庫群聯合調度方式，三河口水庫供水發電時泵站不抽水，泵站抽水時不供水發電；供水發電、泵站抽水工作時間不同步，水庫具有供水發電與泵站抽水雙向運行的基礎條件。

2.2 壩后連接洞設計特點

三河口水庫抽水、供水運行的特點，要完成抽水、供水任務，需在水庫壩后修建泵站，提水入庫，利用水庫供水建電站發電、回收水能資源。

水庫實現雙向供水的工程設置:

1）修建秦嶺輸水隧洞的連接洞，需具有雙向輸水功能，連接洞縱向底坡i=0，與主洞銜接處節點高程642.65 m相同。

2）連接洞需同時聯通三河口水庫壩后電站與泵站。

連接洞向三河口水庫抽水時設計流量為18 m3/s；向越嶺段隧洞供水時，利用供水流量、泄放的生態流量和下泄水量進行發電，設計發電流量為72.7 m3/s。

2.3 雙向機組研究目的

庫群聯合調度方式要求，三河口水庫要完成抽水、供水任務，需修建泵站、電站工程措施，這就提出泵站、電站可否合二為一，雙向機組裝機容量論證的課題。在完成供水與抽水雙向任務情況下，達到有效回收水能資源、優化工程設計、便利運行管理的目的，為項目進行科技研發、提升設計水平，提供規劃依據與技術支撐。

3 電站雙向機組裝機規模論證

3.1 泵站裝機規模確定

三河口水利樞紐是以供水為主，結合發電，先確定壩后供水泵站裝機規模。

3.1.1 運行方式

在引漢濟渭工程聯合調度要求三河口水庫運行方式基礎上，確定壩后泵站運行方式為:在滿足三河口水庫下游用水與工程防洪條件下，水庫水位在防棄水線之上，泵站不抽水；在防棄水線之下，泵站抽取黃金峽泵站抽水量大于受水區需水要求的多余水量，抽入水庫存蓄備用；泵站單機抽水流量與黃金峽泵站單機抽水流量需進行合理匹配。

3.1.2 裝機規模

引漢濟渭工程四水源庫群調度計算結果，選定泵站特征揚程為:最大凈揚程93.96 m，設計凈揚程91.08 m，最小凈揚程29.8 m，結合三河口泵站單機抽水流量需與黃金峽泵站單機抽水流量進行合理匹配的要求，選擇2臺機組，單機抽水流量為9 m3/s，相應配套電機功率12 MW，確定泵站總裝機功率24 MW。

3.2 電站裝機規模確定

3.2.1 運行方式

在三河口水庫運行方式基礎上，確定壩后電站運行方式遵循“一水多用，先用后耗”的原則。電站利用水庫供水、下泄水量以及水庫與電站尾水之間的落差進行發電；結合機組的適應性，在正常蓄水位與水位593 m之間，按水庫供水與下泄水量進行發電；水位在593 m以下，電站不發電；泵站抽水時，電站不發電；依據水庫壩址長系列逐旬資料，進行電站的動能計算。

3.2.2 常規機組裝機容量

泵站電站分開布置方式為泵站前池、2臺機組、廠房、出水管道自成體系；電站進水管道、機組、廠房、尾水池也自成體系，發電流量為72.7 m3/s。

由于水庫消落深度較大，在發電水頭小于50 m，發電流量小于15 m3/s時，出力受阻。

以調水過程為基礎，受發電流量72.7 m3/s的限制，最大發電出力為56 MW。

在供水工況，結合發電水頭變化，機組按3臺考慮，相同條件下進行不同裝機容量的長系列計算，不同方案動能經濟指標比較見表1。

表1 不同布置方式不同裝機容量動能經濟指標比較表

經論證，確定三河口水庫壩后泵站與電站分開布置的電站裝機容量為45 MW。

3.3 可逆機組裝機容量

發電與抽水管道的布置方式為共用一個進口與管身段，管道的設計流量為72.7 m3/s，抽水機組也可以進行發電，抽水廠房與發電廠房有機合并為一個廠房。

可逆式機組的裝機是根據主要任務的抽水功能確定的，在不抽水時，可進行發電。

可逆機組泵工況的抽水流量為18 m3/s，選2臺單機12 MW的機組可滿足抽水任務。

經論證，在管道設計流量為72.7 m3/s情況下，扣除可逆機組發電18 m3/s后，還有54.7 m3/s流量需要常規機組發電，進行回收電能設計。剩余54.7 m3/s的流量，按三河口高位發電水頭100 m，常規機組出力估算為45 MW。

常規機組在發電水頭小于50 m，發電流量小于12.5 m3/s時，出力受阻；可逆機組在發電水頭小于65 m，發電流量小于6 m3/s時，出力受阻。

在確定可逆式機組為2臺，結合發電水頭變化，常規機組按2臺考慮，在相同條件下進行不同裝機容量的長系列計算，不同方案動能經濟指標比較見表1。

綜合電能回收、水資源利用、經濟指標論證后，確定三河口水庫壩后泵站與電站聯合布置的電站裝機容量為60 MW，其中常規裝機容量為40 MW，可逆式機組裝機容量為20 MW。

3.4 雙向機組裝機容量確定

從泵站、電站工程的經濟性、優化設計、科技含量等方面進一步綜合論證，以確定經濟合理的電站雙向機組裝機規模。綜合論證見表2、圖1、圖2。

表2 電站雙向機組裝機規模綜合論證表

圖1 泵站和電站分開、聯合布置發電流量頻率曲線圖

圖2 泵站和電站分開、聯合布置出力頻率曲線圖

從電能回收效益、工程投資、方案單位電能投資、科技創新等方面論證，推薦泵站、電站聯合布置方案，電站總裝機容量為60 MW，其中常規機組裝機容量為40 MW；可逆式機組發電工況裝機容量為20 MW，抽水工況裝機容量為24 MW。

4 結論

通過論證，得出如下結論:

1）引漢濟渭工程四水源庫群聯合調度，確定了三河口水庫具有抽水時不發電、發電時不抽水、抽水與發電時段不同步、雙向運行的特點。

2）雙向機組裝機，基于抽水與發電不同步的特點，在同一廠房中可逆式水泵機組和常規發電機組設計成為可能性，利用水泵水輪機可逆式機組來適應抽水和發電兩種功能，優化工程布置、減少設備投入和土建工程量，在技術上是可行的。

3）雙向機組裝機容量確定，泵站、電站聯合布置，提高了水能利用，提升了工程設計理念，符合節能減排要求，方便工程運行管理、減少工程投資，在經濟上是合理的。