抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計比選研究

摘要：輸水發電系統作為抽水蓄能電站最核心的功能系統，其設計方案直接影響電站發電效率和可靠性。針對當前抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計的突出問題——線路設計缺少對三維空間關系的整體考慮，設計計算未與系統設計形成緊密的聯動反饋關系，方案比選缺乏量化數據作為決策支撐，基于3D EXPERIENCE平臺（3DE），提出了一套輸水發電系統三維方案設計比選流程。該流程圍繞輸水發電系統方案三維設計和量化優選進行功能開發分析，將三維設計與設計計算有機融合，定制開發了抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計模塊；然后將該設計方法應用于ZY抽水蓄能電站前期設計中。應用結果表明：提出的設計方法能夠實現抽水蓄能電站輸水發電系統三維線路布置、聯動快速計算以及多方案直觀量化比選，有效提高了方案設計的合理性和設計效率，可為抽水蓄能電站三維正向設計、設計方案科學決策提供技術支撐。

關 鍵 詞：抽水蓄能電站； 輸水發電系統； 設計方案比選； 3DEXPERIENCE

中圖法分類號： TV743 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.03.004

0 引 言

隨著中國能源體系的優化調整，清潔能源在能源結構中的占比不斷提高，系統調節和備用容量的需求急劇增加［1-2］。抽水蓄能電站作為最可靠、最經濟、壽命周期最長、容量最大的儲能保障措施，中國目前正處于規劃建設高峰［3-5］。國內外研究人員針對抽水蓄能電站設計開展了大量研究。岳志偉等［6］基于Bentley公司Microstation軟件平臺，實現了抽水蓄能電站廠房施工設計階段的三維設計應用，包括單專業三維建模、剖切出圖及多專業碰撞檢查等；汪威等［7］開展了基于AHP-熵權法的抽水蓄能電站施工變電站規劃選址工作；陳培等［8］開展了四川省仁和抽水蓄能電站上下庫連接路選線設計；Andrade等［9］基于數字高程模型數據探索抽水蓄能電站站點規劃選址優化的高效設計解決方法。可以看出，目前相關研究主要集中在對不同設計階段部分專業、部分結構的三維設計應用開發及設計方法的優化上，但少有針對抽水蓄能電站前期系統設計、計算的深入研究。

抽水蓄能電站的設計過程是一個不斷細化的過程，前期設計方案的選擇很大程度上決定了最終設計成果的優劣［10-11］。抽水蓄能電站因具有布置型式多樣、地下工程居多、輸水線路狹長、管線用鋼量大［12］的特點，其輸水發電系統設計方案對工程投資的影響尤為顯著［13-14］。而當前抽水蓄能電站輸水發電系統前期方案設計方法存在較大局限性：仍采用CAD進行二維線路布置設計，二維數據與結構計算相互獨立，設計變更返工量大；多依靠設計經驗或借助多目標定性指標量化方法來判斷設計方案的優劣［15-17］，設計方案評估結果質量不穩定。因而，亟需引入新的技術方法，將輸水發電系統的三維空間布局關系與系統主要建筑的結構組成、工程量、投資計算進行有機融合，打破設計布置與設計計算間的數據壁壘，直觀展現方案布設的空間形態，實現設計方案的高效量化，基于量化數據對設計方案進行科學客觀評價。

綜上，本文基于3DE平臺，圍繞抽水蓄能電站輸水發電系統方案三維設計和量化優選，對輸水發電系統方案設計流程進行系統梳理，研究開發了抽水蓄能電站輸水發電系統前期方案三維設計計算一體化功能模塊。該模塊實現了輸水發電系統方案高效設計、快速響應、量化比選、精準決策，并在西北地區ZY抽水蓄能電站的方案設計中開展了實際應用。

1 抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計流程

抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計主要包括進/出水口設計、輸水發電系統管道設計、水頭損失計算、調壓室設計、廠房及附屬洞室設計等［18］。基于方案設計內容間的邏輯關系，結合3DE平臺功能特點和當前二維設計過程，提出基于3DE平臺的輸水發電系統三維方案設計流程如圖1所示。① 根據上、下庫特征水位等特征參數，結合淹沒水深計算，確定輸水發電系統軸線的控制邊界——上、下庫進/出水口底板高程［19］。② 結合上、下庫盆布置、地形地貌及管道埋深要求進行輸水發電系統軸線設計［20］；基于強度計算，確定軸線各段管徑、壁厚，計算輸水系統工程量、投資。③ 根據軸線設計結果，計算沿程、局部水頭損失。④ 根據輸水發電系統設計流量、管道布置和水頭損失計算結果，確定調壓室設置情況。⑤ 根據方案裝機臺數、附屬洞室坡度范圍，進行廠房輪廓、主要附屬洞室軸線設計，進而對廠房及附屬洞室工程量、投資進行量化，得到輸水發電系統單方案設計量化結果。⑥ 重復上述流程開展其他方案設計，對所有設計方案的量化結果進行比較分析，結合上、下庫盆設計結果選出推薦設計方案，完成抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計。

2 抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計功能開發分析

根據上述抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計流程，采用CAA開發工具在VC++編程環境下對3DE平臺的CATIA進行專業定制開發，以實現設計流程中的各項功能需求，功能架構設置如圖2所示。下面根據輸水發電系統方案設計的主要內容，對相關模塊功能的開發進行具體分析。

2.1 進/出水口計算

（1） 工程特征參數模塊。

建立輸水發電系統方案，設置上、下庫正常蓄水位、消落深度、吸出高度、額定流量、機組臺數等工程特征參數。設置確定后，將其保存在當前激活零件結構樹下，便于其他模塊進行調用、讀取。

（2） 進水口底板高程計算模塊。

計算上、下庫進/出水口底板高程，為后續輸水發電系統軸線設計布置提供端點邊界。模塊內嵌淹沒水深、過柵流速、弗勞德數計算檢驗公式，依靠參數名稱的標準化，程序自動讀取工程特征參數模塊的上、下庫特征水位等參數。對初步擬定的上、下庫進/出水口底板高程及相關參數進行調整、檢驗，最終確定上、下庫進/出水口底板高程。

2.2 輸水發電系統管道設計

（1） 壓力水道布置模塊。

快速生成壓力水道三維軸線，進行埋深檢驗，并實現對軸線進行快速調整、更新。在3DE平臺的共享合作區中建立壓力水道軸線參數化模板，如圖3所示。為兼顧布置靈活性和設計標準化，以輸水軸線水平輪廓（線）作為模板輸入條件，通過標準參數控制縱向軸線變化，生成輸水發電系統三維軸線。將草圖工具嵌入壓力水道布置模塊，快速繪制水平軸線輪廓設計草圖。自動讀取進水口底板高程計算模塊保存的底板高程及進/出水口尺寸參數，設置縱向軸線控制參數，代入調用圖3中的壓力水道軸線模板，生成輸水發電系統三維軸線。選擇三維地形面后，調用API接口測量生成的三維軸線控制點與地形面間的垂直埋深與最小埋深，為軸線水平、縱向設計調整提供參考。

（2） 壓力水道計算模塊。

基于強度計算，快速確定壓力水道各段管徑、壁厚，并進行輸水發電系統管道工程量、投資計算。程序嵌入壓力水道強度計算公式，自動讀取壓力水道布置模塊生成的三維軸線各段長度值，工程特征參數模塊的額定流量、機組臺數等參數，結合初擬管徑、用鋼型號及對應設計強度，計算壓力水道各段平均流速、管長、流速、壁厚。基于以上編程，在對壓力水道軸線、軸線各段管徑、壁厚進行調整時，即時顯示調整后關聯參數的計算更新結果。管徑、壁厚設計確定后，設置開挖支護、投資參數，調用工程量、投資計算公式，進行輸水發電系統管道投資計算。

2.3 水頭損失計算

水頭損失計算模塊快速計算壓力水道沿程水頭損失和局部水頭損失，是后續調壓室計算的前序基礎。程序內嵌管道沿程水頭損失計算及進口、分岔、漸變等處局部水頭損失計算的相關參數和計算公式，自動讀取壓力水道布置模塊生成的三維軸線各段長度值、壓力水道計算模塊保存的各段管徑、平均流速等參數值，結合糙率、細部結構尺寸，快速計算壓力水道在抽水、發電工況下產生的最大沿程水頭損失和局部水頭損失。

2.4 調壓室設計

（1） 調壓室設置判別模塊。

根據NB/T 35021—2014《水電站調壓室設計規范》要求，計算上、下游調壓室設置判別參數，為調壓室設置與否提供規范參考。程序自動讀取工程特征參數模塊的設計水頭、額定流量、額定轉速等參數，自動讀取壓力水道布置模塊生成的三維軸線各段長度值，結合蝸殼尺寸參數設置，計算上、下游調壓室設置判別參數，將設置判別參數的計算公式及判別規則融入模塊編程，實現上、下游調壓室設置判別的快速計算，判別結果自動提示。

（2） 調壓室計算模塊。

該模塊確定上/下游調壓室布置位置，并基于此計算調壓室穩定斷面、最高涌波和最低涌波。程序根據引/尾水道長度輸入值，自動讀取壓力水道布置模塊生成的三維軸線，調用API接口，在壓力水道三維軸線上生成上/下游調壓室定位點。然后根據定位點到壓力水道軸線進口、出口的距離，讀取工程特征參數模塊的發電最小毛水頭參數、水頭損失計算模塊沿程、局部水頭損失參數，調用內置公式計算調壓室穩定斷面面積，結合阻抗孔尺寸參數，計算調壓室最高涌波、最低涌波。

2.5 廠房洞室設計

廠房洞室設計模塊快速進行廠房及附屬洞室輪廓及軸線的布置設計，確定廠房及附屬洞室工程量及投資。在3DE平臺的共享合作區中建立廠房輪廓、附屬洞室范圍參數化模板。如圖3所示，以壓力水道軸線機組點、引水岔管段線、地形圖（面）作為模板輸入條件，通過標準參數控制模型變化，生成廠房輪廓三維模型和附屬洞室出口參考范圍線。自動讀取壓力水道布置模塊的壓力水道軸線，結合廠房輪廓參數設置，調用廠房輪廓、附屬洞室范圍模板，使廠房輪廓三維模型、附屬洞室參考范圍線得到生成與更新。模塊內置廠

房及附屬洞室工程量、投資計算公式，基于上述三維模型和參考線，完成附屬洞室軸線設計后，代入廠房輪廓參數、洞室軸線長度、洞室開挖支護和工程量、投資參數進行廠房及附屬洞室工程量及投資計算。

3 工程應用

本文以西北地區ZY抽水蓄能電站的輸水發電系統方案設計為例，驗證上述抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計功能分析及定制化設計模塊開發的可用性和合理性。

基于水能規劃選點、庫盆設計結果（表1），按照上述輸水發電系統方案設計流程，應用上述開發設計模塊，開展ZY抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計。

3.1 單方案設計

建立輸水發電系統設計方案一，輸入表1中方案一的特征參數，開始進水口底板高程計算，初擬上、下庫進水口尺寸，按最小淹沒水深計算得到上、下庫進水口底板高程最大值為804.0，237.4 m。經淹沒水深、過柵流速、弗勞德數檢驗，結合設計經驗，最終將上、下庫進水口底板高程確定為798.0，230.0 m。結合上、下庫盆布置、地形信息，繪制水平軸線輪廓設計草圖，設置縱向布置參數，生成壓力水道三維軸線，如圖4所示。根據埋深測量結果，對壓力水道三維軸線進行調整，滿足規范埋深要求后，基于設計經驗初擬軸線各段管徑、壁厚，根據強度計算結果進行優化調整，確定后計算壓力水道（輸水系統）工程量、投資。設置軸線各段糙率、細化局部尺寸參數，進行沿程、局部水頭損失計算。基于上述計算，判別調壓室設置與否，計算判別參數，得到設計規范建議，設立下游調壓室。考慮到地質條件和水道軸線布置，決定在壓力尾水道1 000.0 m處設置下游調壓室，計算得到穩定斷面面積40.2 m2，最高涌波25.0 m，最低涌波19.1 m。方案一為4臺350 MW裝機，附屬洞室坡度范圍5%～8%。設置相關參數，生成廠房輪廓三維模型、附屬洞室范圍參考線，繪制附屬洞室軸線，進而對廠房及附屬洞室工程量、投資進行量化，完成ZY抽水蓄能電站輸水發電系統方案一的設計。

3.2 多方案比選

按照上述單方案設計流程，再建立輸水發電系統方案二、方案三。3個方案的三維設計成果及量化比選結果如圖5、表2所示。結合庫盆設計量化結果，方案一輸水發電系統總投資15.61億元，上、下庫盆總投資11.79億元，方案一總投資27.40億元。方案二輸水發電系統總投資16.38億元，上、下庫盆總投資13.52億元，方案二總投資29.90億元。方案三輸水發電系統總投資16.54億元，上、下庫盆總投資12.06億元，方案三總投資28.60億元。綜合分析確定方案一為推薦設計方案。應用上述開發設計模塊，在2個工日內完成了ZY抽水蓄能電站3個輸水發電系統方案設計，較傳統設計模式縮短5個工作日。

4 結 論

本文基于3DE平臺提出了抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計流程，基于流程進行功能分析，開發了抽水蓄能電站輸水發電系統設計模塊，并將其應用于實際工程設計。

（1） 實際工程設計應用結果表明：較傳統二維方案設計、定性方案比選，上述設計模塊的應用能夠促進設計流程標準化，簡化設計中的機械重復性操作，有效提高抽水蓄能電站輸水發電系統方案設計合理性和設計效率。

（2） 在上述設計流程模塊的開發應用過程中，基于數據名稱的統一和結構樹層級的規范，實現了對設計數據的統一管理、及時保存和高效調用，下一步應嘗試建立設計數據庫，通過數據積累分析形成對正向設計的參考反饋，充分發揮工程數據價值。

（3） 由于方案設計的重點在于輸水發電系統的布置，所以本文提出的設計模塊僅涉及對上、下庫進出水口、壓力管道和調壓室的設計計算，而未生成實體三維模型，后續可考慮完善，進一步提高設計結果的完整性、美觀性。

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（編輯：鄭 毅）

Comparison and selection of design schemes for water transmission and power generation system of pumped storage power stations

SONG Ziqi1，HUANG Lei1，HUANG Ping1，LI Erkang1，2，LI Meng1，2，WANG Mingjiang1

（1.PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited，Xi′an 710065，China； 2.Xi′an Key Laboratory of Clean Energy Digital Technology，Xi′an 710065，China）

Abstract： As the core function system of pumped storage power stations，the design scheme of water transmission and power generation system directly affects the power generation efficiency and reliability of a power station.Aiming at the prominent problems in the current scheme design of water transmission and power generation system of pumping and storage power stations，such as the lack of overall consideration on 3D spatial relationship in line design，the deficient linkage and feedback relationship between design calculation and system design，and less quantitative data as decision-making support for scheme comparison and selection，based on the 3DEXPERIENCE platform，we propose a comparison and selection process of 3D scheme design for water transmission and power generation systems.In the process，we conduct functional development and analysis around 3D design and quantitative optimization of water transmission and power generation system scheme，in which 3D design and design calculation are integrated organically，and we customize a design module for water transmission and power generation system of pumping and storage power stations.Finally the design process was applied to the preliminary design of ZY pumped storage power station.The application results show that the design process can realize the 3D line layout，linked and rapid calculation and intuitive quantitative comparison among multiple schemes of water transmission and power generation system design，effectively improve the rationality and design efficiency during scheme design，so it provides certain technical support for the 3D forward design and scientific decision of design schemes of pumped storage power stations.

Key words： pumped storage power station； water transmission and power generation system； comparison and selection of design scheme； 3DEXPERIENCE

收稿日期：2024-04-30 ；接受日期：2024-06-28

基金項目：國家重點研發計劃項目（2023YFF0905500）；陜西省科技廳重點產業創新鏈基金（2023-ZDLGY-26）；中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司重大科技項目（XBY-ZDKJ-2022-2）

作者簡介：宋子奇，女，工程師，碩士，主要從事水電工程數字化設計和BIM應用研究工作。E-mail：songzq81@163.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.