黃家灣水利樞紐工程其附屬電站裝機(jī)規(guī)模合理性分析

黃正財(cái)，鄭錄艷

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002）

1 工程概況

黃家灣水利樞紐工程位于貴州省安順市南部紫云縣境內(nèi)，壩址位于紅水河的一級(jí)支流格凸河中游河段紫云縣板當(dāng)鎮(zhèn)黃家灣河道上，距紫云縣城約20 km，距板當(dāng)鎮(zhèn)約為17 km。大壩為混凝土面板堆石壩，其防浪墻頂高程為1 060.2 m，壩頂高程為1 059.0 m，壩頂寬10.0 m，壩軸線長(zhǎng)360.54 m。大壩河床段建基面高程為978.0 m，最大壩高81.0 m。水庫(kù)總庫(kù)容15 730 萬(wàn)m3，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模屬大（2）型。

黃家灣水利樞紐是綜合利用的水利工程，主要任務(wù)是以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，并結(jié)合發(fā)電。水庫(kù)建成后，多年平均供水量為9348萬(wàn)m3。

2 梯級(jí)效益

蒙江屬珠江流域紅水河干流的一級(jí)支流，主源格凸河發(fā)源于長(zhǎng)順縣馬路鄉(xiāng)花紅堡，先由南向北流經(jīng)長(zhǎng)順縣馬路鄉(xiāng)，后折而向西進(jìn)入安順東屯，轉(zhuǎn)向南流，經(jīng)紫云縣板當(dāng)、克混后流向東南，于雙河口處與漣江支流匯合，匯口以上稱格凸河，匯口以下稱蒙江。匯口處河床高程508 m，匯口以上河長(zhǎng)153 km，河床平均比降6.45‰，流域集水面積2306 km2。

黃家灣水庫(kù)為蒙江流域（含格凸河）梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第一級(jí)，水庫(kù)下游蒙江干流自上而下梯級(jí)電站見(jiàn)表1。

序號(hào)123456789電站名稱小穿洞黃花寨河邊擺東灰洞雙河口冗各石門坎雷公灘正常蓄水位/m 865.00 795.50 705.00 665.00 648.50 580.00 495.00 444.00 410.00死水位/m 865.00 770.00 705.00 660.00 644.00 560.00 490.00 444.00 409.00正常尾水位/m 795.50 705.00 665.00 648.50 580.00 495.00 444.32 410.00 393.36裝機(jī)規(guī)模/MW 4.0 60.0 22.0 8.0 50.0 120.0 90.0 60.0 30.0

各梯級(jí)電站的入庫(kù)徑流按“上一梯級(jí)的下泄過(guò)程加上區(qū)間徑流過(guò)程即為下一梯級(jí)的徑流過(guò)程”的原則，采用等流量徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。下游梯級(jí)總裝機(jī)容量為444 MW，至設(shè)計(jì)水平年2030年，如果不興建黃家灣水庫(kù)，下游梯級(jí)總保證出力為65.22 MW，下游梯級(jí)總的多年平均發(fā)電量為15.16億kW·h；黃家灣水庫(kù)建成后，（正常蓄水位1055 m，死水位為1035 m）下游梯級(jí)總保證出力增加為73.91 MW，即提高下游梯級(jí)保證出力8.69 MW，占未建前的13.3%，下游梯級(jí)總的多年平均發(fā)電量增加為15.429 億kW·h，即提高下游梯級(jí)多年平均發(fā)電量為0.269 億kW·h，占未建前的1.8%；建成后可增加年發(fā)電效益807萬(wàn)元。因此，黃家灣水庫(kù)的興建，對(duì)下游梯級(jí)電站是有利的。

3 電站裝機(jī)規(guī)模選擇

電站裝機(jī)容量的選擇主要考慮水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能、機(jī)組機(jī)型、裝機(jī)容量與保證出力的倍比、裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)以及電站在系統(tǒng)中的位置等因素綜合確定，盡量充分地利用水資源；同時(shí)，由于黃家灣水庫(kù)是梯級(jí)開(kāi)發(fā)的龍頭水庫(kù)，機(jī)組可選較大的裝機(jī)容量，加大過(guò)流流量，增加下游的發(fā)電量。電站裝機(jī)容量以20、22、24、26 MW進(jìn)行能量指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比選（見(jiàn)表2）。

項(xiàng) 目正常蓄水位/m死水位/m保證出力（P=90%）/MW裝機(jī)容量/MW多年平均發(fā)電量/（萬(wàn)kW·h）裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)/h裝機(jī)引用流量/（m3/s）水量利用系數(shù)/%裝機(jī)容量增量/萬(wàn)kW發(fā)電量增量/（萬(wàn)kW·h）單位千瓦增加的發(fā)電量/(kW·h)黃家灣～黃花寨區(qū)間來(lái)水量/（m3/s）黃花寨斷面可利用流量/（m3/s）下游黃花寨裝機(jī)額定流量/（m3/s）電站機(jī)電及金結(jié)投資/萬(wàn)元電站土建投資/萬(wàn)元電站直接投資/萬(wàn)元單位裝機(jī)投資/（kW/元）指標(biāo)1055 1035 224備注20 5528 2760 39.26 68.16 0.2 61 224 22 5589 2540 43.19 68.90 24 5630 2350 47.12 69.4 26 5656 2180 51.04 69.74 0.2 41 195 0.2 26 170均在正常蓄水位、死水位、出力系數(shù)、水頭損失運(yùn)行方式等相同的條件下計(jì)算23 23 23 23 62.12 66.0369.94 73.85 95.7 95.7 95.7 95.7 4486 4811 9297 4649 4530 5173 9703 4410 4638 5290 9928 4137 4812 5733 10 545 4056

從能量指標(biāo)分析，電站裝機(jī)容量從20～26 MW，隨著裝機(jī)容量的加大，多年平均發(fā)電量也相應(yīng)加大，但年利用小時(shí)數(shù)在減少，單位千瓦增加的發(fā)電量在減少。裝機(jī)容量從20～24 MW 單位千瓦變幅較大，24～26 MW時(shí)單位千瓦變幅較小。黃家灣水庫(kù)電站下一梯級(jí)為穿洞電站，再下一級(jí)為黃花寨電站，由于穿洞電站為徑流式電站，徑流調(diào)節(jié)能力較差，而黃花寨電站調(diào)節(jié)能力較好，黃花寨電站推薦的裝機(jī)容量為60 MW，裝機(jī)額定流量為95.7 m3/s，黃家灣水庫(kù)壩后電站裝機(jī)從20～26 MW規(guī)模時(shí)，其流量到達(dá)黃花寨壩址斷面時(shí)分別為62.12～73.85 m3/s，均小于黃花寨的裝機(jī)引用流量，故為了增加過(guò)機(jī)流量，使上下游流量盡可能匹配，裝機(jī)容量要大些為好。

從電站直接投資上看，隨裝機(jī)容量的增大，投資也逐漸增大；從單位裝機(jī)投資上看，隨著裝機(jī)規(guī)模增大，單位裝機(jī)投資在減小，其中裝機(jī)規(guī)模由22 MW增到24 MW時(shí)，單位裝機(jī)投資變幅較大。

綜合以上能量指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，推薦24 MW 裝機(jī)是比較經(jīng)濟(jì)合理的，故壩后式電站裝機(jī)容量也擬定為24 MW。

4 電站水能計(jì)算

本工程水庫(kù)是以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，并結(jié)合發(fā)電的綜合性水庫(kù)，因此，在滿足城鄉(xiāng)生活、工業(yè)、農(nóng)田灌溉用水的前提下盡量多發(fā)電。因本工程各功能用水不共用，根據(jù)水庫(kù)歷年逐月來(lái)水過(guò)程，扣除本水庫(kù)承擔(dān)縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、工業(yè)、灌溉供水，扣除滲漏和蒸發(fā)損失（按正常蓄水位以下庫(kù)容的6%計(jì)）、上游耗水量及下放的環(huán)境用水，水能計(jì)算按長(zhǎng)系列逐月等流量調(diào)節(jié)方法進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。水庫(kù)水位不超過(guò)正常蓄水位，且不低于死水位。電站發(fā)電保證率為90%。通過(guò)工程總體投資，經(jīng)濟(jì)效益等綜合比較，推薦壩后式開(kāi)發(fā)方案的電站裝機(jī)容量為24 MW，多年平均發(fā)電量5630萬(wàn)kW·h，其水能計(jì)算成果見(jiàn)表3。

項(xiàng)目 指標(biāo)水庫(kù)電站正常蓄水位/m死水位/m正常蓄水位以下庫(kù)容/億m3死庫(kù)容/億m3調(diào)節(jié)庫(kù)容/億m3庫(kù)容系數(shù)/%調(diào)節(jié)性能正常尾水位/m裝機(jī)容量/MW最大水頭/m最小水頭/m加權(quán)平均水頭/m 1055 1035 14 380 5640 8740 15.4年984.36 24 69.77 49.08 61.78

項(xiàng)目 指標(biāo)額定流量/(m3/s)保證出力/MW多年平均年發(fā)電量/（萬(wàn)kW·h）其中：汛期發(fā)電量/（萬(wàn)kW·h）枯期發(fā)電量/（萬(wàn)kW·h）年利用小時(shí)數(shù)/h發(fā)電水量/億m3水量利用系數(shù)/%47.12 2.39 5630 4030 1600 2350 3.88 69.5

5 電站機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇

機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇原則主要考慮機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行維護(hù)管理、機(jī)電設(shè)備和廠房土建工程量等因素。黃家灣水利樞紐壩后總裝機(jī)容量為24 MW，電站可以按2 臺(tái)機(jī)組（2×12 MW）及3 臺(tái)機(jī)組（3×8 MW）方案考慮。

當(dāng)裝機(jī)方案為2×12 MW時(shí)，由于混流式水輪機(jī)必須在其45%～100%的出力范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，則機(jī)組在5.4 MW（12×45%MW）及以下出力時(shí)，機(jī)組是不能滿足穩(wěn)定運(yùn)行要求的，所以機(jī)組在5.4 MW 出力以下是不考慮發(fā)電的；同理，當(dāng)裝機(jī)方案為3×8 MW時(shí)，機(jī)組在3.6 MW（8×45%MW）及以下出力時(shí)，機(jī)組為滿足穩(wěn)定運(yùn)行要求是不能發(fā)電的。根據(jù)以上分析，兩種裝機(jī)方案均會(huì)丟失較多發(fā)電量，均不合理。

因此，本電站應(yīng)考慮大小機(jī)搭配方案才能保證其發(fā)電量，根據(jù)電站保證出力為2.39 MW，當(dāng)小機(jī)裝機(jī)4.5 MW時(shí)，其45%出力為2.025 MW，小于保證出力為2.39 MW，所以能保證混流式機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求。其余兩臺(tái)大機(jī)可考慮裝機(jī)為2×9.75 MW，因?yàn)楫?dāng)大機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，其出力處于45%（即4.39 MW）及以下出力時(shí)，切換至小機(jī)運(yùn)行便能滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求。

綜上所述，壩后電站裝機(jī)3臺(tái)（（2×9.75 MW+1×4.5 MW）的裝機(jī)臺(tái)數(shù)方案，能通過(guò)機(jī)組切換，滿足各不同出力工況下，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求，并能保證電站最大發(fā)電量，達(dá)到充分利用水能資源的目的。經(jīng)利用本電站水能參數(shù)及其裝機(jī)規(guī)模、臺(tái)數(shù)的合理性選擇，進(jìn)行機(jī)組選型，最終確定本站水輪機(jī)型號(hào)為HLA904 a-LJ-147（大機(jī)）和HLA904 a-LJ-103（小機(jī)）。

6 結(jié)語(yǔ)

黃家灣水庫(kù)作為蒙江流域梯級(jí)的龍頭水庫(kù)，在水庫(kù)樞紐附屬電站裝機(jī)規(guī)模選擇時(shí)，綜合考慮下游梯級(jí)電站開(kāi)發(fā)方式、裝機(jī)規(guī)模及流量匹配等因素是十分重要的，黃家灣水庫(kù)樞紐建成后，將提高下游梯級(jí)多年平均發(fā)電量為0.269億kW·h，梯級(jí)效益十分明顯。對(duì)于黃家灣水利樞紐附屬壩后電站自身的發(fā)電效益則應(yīng)考慮其水能參數(shù)，機(jī)組臺(tái)數(shù)、單機(jī)裝機(jī)容量與保證出力之間倍率以及大小機(jī)裝機(jī)容量匹配銜接，電站投運(yùn)后，通過(guò)各機(jī)組間運(yùn)行靈活調(diào)度，既可以滿足各出力工況下機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，又能最大限度發(fā)揮其發(fā)電效益。