浙江青田抽水蓄能電站引水系統(tǒng)洞機(jī)組合研究

關(guān)鍵詞：引水系統(tǒng)；洞機(jī)組合；兩洞四機(jī)；一洞兩管四機(jī)；青田抽水蓄能電站中圖法分類號(hào)：TV743 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10. 15974/j. cnki. slsdkb.2025.08.008文章編號(hào)：1006-0081（2025）08-0050-05

0 引言

抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)的洞機(jī)組合，一般有單洞單機(jī)、一洞多機(jī)等布置型式[1]。對(duì)于抽水蓄能電站引水系統(tǒng)較長(zhǎng)且單機(jī)額定流量較小時(shí)，若采用單洞單機(jī)布置，雖然結(jié)構(gòu)尺寸小，但不經(jīng)濟(jì)2；若采用一洞多機(jī)布置，可能存在壓力管道主管、岔管規(guī)模較大，加工制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝難度較大，運(yùn)輸鋼管和岔管的施工支洞斷面較大，組合工況運(yùn)行復(fù)雜，電站潛在風(fēng)險(xiǎn)高等問題。若單機(jī)額定流量很大，為避免較大洞徑導(dǎo)致施工不便，且考慮到圍巖穩(wěn)定性，不具備一洞多機(jī)的布置條件，基本采用單洞單機(jī)布置[3-4]。洞機(jī)組合會(huì)直接影響抽水蓄能電站的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，由于地質(zhì)地貌條件的影響，以及工程規(guī)模等的不同，抽水蓄能電站的輸水系統(tǒng)布置也有所差異。

本文以浙江青田抽水蓄能電站為例，該電站廠房采用中部偏下的開發(fā)方式，引水系統(tǒng)較長(zhǎng)，上、下庫(kù)高差相對(duì)較大。結(jié)合該電站的特點(diǎn)，開展洞機(jī)組合研究，通過對(duì)水力學(xué)條件、運(yùn)行管理、運(yùn)行功能、施工條件、工程量及投資等方面的對(duì)比，綜合分析比較各個(gè)方案的優(yōu)劣勢(shì)，確定適合該工程的洞機(jī)組合布置方案。

1 工程概況

青田抽水蓄能電站位于浙江省麗水市青田縣，站點(diǎn)與青田縣、麗水市、溫州市和杭州市的直線距離分別約為 20，40，65，240km ，為I等大（1）型工程。該抽水蓄能電站建成后可與其他抽水蓄能電站共同承擔(dān)電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等任務(wù)，進(jìn)一步改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量，維護(hù)電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。樞紐工程主要建筑物有上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站等。該電站共安裝4臺(tái)機(jī)組，單機(jī)額定流量 78.3m³/s ，單機(jī)容量 300MW ，總裝機(jī)容量 1200MW ，額定水頭 438m 。輸水線路較長(zhǎng)，輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)度 3 692.5m （沿1號(hào)機(jī)，下同），其中引水系統(tǒng)長(zhǎng) 2 875.5m ，引水上平洞長(zhǎng)約 2000m ，尾水系統(tǒng)長(zhǎng)約 817m ，電站距高比為7.89。輸水系統(tǒng)主要由上庫(kù)進(jìn)/出水口、引水上平洞、引水調(diào)壓井、引水上斜井、引水中平洞、引水下斜井、引水下平洞、引水鋼岔管、引水鋼支管、尾水支管、尾水岔管、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、下庫(kù)進(jìn)/出水口等組成。

2 研究方案

針對(duì)該工程水頭較高、引水系統(tǒng)較長(zhǎng)的特點(diǎn)，重點(diǎn)比較兩洞四機(jī)方案和一洞四機(jī)方案。為了避免常規(guī)的一洞四機(jī)布置方案鋼岔管制造安裝難度大等問題，對(duì)一洞四機(jī)方案進(jìn)行了優(yōu)化，采用引水隧洞一洞布置、壓力管道兩洞四機(jī)布置方案，即引水調(diào)壓室底部設(shè)鋼筋混凝土岔管將1條引水隧洞分為2條壓力管道，廠房上游下平段設(shè)置兩個(gè)“Y”形岔管，將2條壓力主管分為4條壓力支管斜進(jìn)廠，簡(jiǎn)稱為一洞兩管四機(jī)方案。

對(duì)于引水調(diào)壓井內(nèi)是否設(shè)置閘門又可分為2個(gè)方案，因此共對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行比選。

兩洞四機(jī)方案（方案一）。引水系統(tǒng)平面呈折線布置，兩洞中心距 31.5～51.8m 。立面采用上、下兩級(jí)斜井布置。引水隧洞末端設(shè)置引水調(diào)壓室，大井直徑為 18.0m ，阻抗孔直徑為 4.5m 。引水隧洞中平洞起始段漸變段末端至廠房采用鋼板襯砌，其余洞段采用鋼筋混凝土襯砌。上平洞直徑 7.1m ，上斜井直徑6.5m ，中平洞鋼筋混凝土襯砌洞段直徑 6.5～6.0m 中平洞鋼襯洞段直徑 6.0m ，下斜井直徑 6.0m ，下平洞直徑 6.0～5.0m ，鋼襯外回填混凝土厚 0.7m 。在廠房上游約 72m 處設(shè)置兩個(gè)引水岔管，采用對(duì)稱“Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋型鋼岔管，分岔角 75^° 。鋼岔管主管直徑為 5.0m ，支管直徑為 3.5m ，靠近廠房上游側(cè)的支管內(nèi)徑由 3.5m 漸變?yōu)?2.4m 與廠房球閥延伸段連接。尾水系統(tǒng)采用兩洞四機(jī)布置，平面采用直線布置，主洞軸線間距為 51.8m，1，2 號(hào)尾水系統(tǒng)平行布置，方位角 N44.7^°E 。立面上采用一坡到底布置形式。尾水隧洞長(zhǎng) 565.3m ，內(nèi)徑 7.1m ，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚 0.6m 。地下廠房中心線下游 104.5m 處設(shè)尾水事故閘門洞，閘門孔口尺寸 4.2m×5.2m （寬 × 高）。尾水支管段總長(zhǎng)約 123.42m ，內(nèi)徑 5.2m ，采用鋼板襯砌段長(zhǎng) 105.5m ，回填混凝土厚度為 0.7m ，采用鋼筋混凝土襯砌段長(zhǎng)約 17.92m ，襯砌厚度為 0.6m 。兩洞四機(jī)方案平面布置見圖1。

一洞兩管四機(jī)方案（方案二、三）。引水上平洞主洞洞徑 10m ，上平洞支洞洞徑 7.1m ，引水調(diào)壓室直徑22m ，其余洞段洞徑與兩洞四機(jī)方案相同。方案二上庫(kù)進(jìn)/出水口設(shè)置一道檢修閘門，引調(diào)分岔后設(shè)置兩道事故閘門，見圖2；方案三上庫(kù)進(jìn)/出水口設(shè)置一道事故檢修門，引水調(diào)壓井內(nèi)不設(shè)閘門。一洞兩管四機(jī)方案平面布置見圖3。

圖2引水調(diào)壓室（設(shè)閘門）

Fig.2Detailedplanofsurgeshaft（with gate）

3 結(jié)果對(duì)比分析

從水力學(xué)條件、運(yùn)行管理、運(yùn)行功能、施工條件、工程量及投資等方面對(duì)不同洞機(jī)組合方案進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 水力學(xué)條件

當(dāng)電站采用不同洞機(jī)組合時(shí)，其水力學(xué)條件可能不同，對(duì)電站安全運(yùn)行的要求也不同[5-8]

兩洞四機(jī)和一洞兩管四機(jī)方案機(jī)組參數(shù)相同。對(duì)過渡過程的計(jì)算結(jié)果（表1～3）表明：3個(gè)方案的蝸殼最大壓力、尾水管進(jìn)口最小壓力、最大轉(zhuǎn)速上升率、上平洞末端最小壓力均能滿足控制要求，一洞兩管四機(jī)方案的蝸殼最大壓力（ 682.39m ）高于兩洞四機(jī)方案671.74m? ，一洞兩管四機(jī)方案尾水管進(jìn)口最小壓力L （11.84m 小于兩洞四機(jī)方案（ 15.49m ），接近于控制值（ |11.5m? ，若保證尾水管最小壓力與兩洞四機(jī)方案在同等水平，吸出高度需由 -70m 調(diào)整為 -75m ，安裝高程降低 5m ，因此方案二和方案三的安裝高程調(diào)為 9m ，方案一安裝高程為 14m ；一洞兩管四機(jī)方案4臺(tái)機(jī)組為同一水力單元，水力聯(lián)系加強(qiáng)，每一臺(tái)機(jī)組的動(dòng)作對(duì)其他正常運(yùn)行機(jī)組出力都會(huì)造成干擾，且相對(duì)兩洞四機(jī)的干擾時(shí)間加長(zhǎng)。

圖1兩洞四機(jī)方案平面布置

Fig.1Layout plan of two-tunnel-four-unit scheme

圖3一洞兩管四機(jī)方案平面布置

Fig.3Layout plan of one-tunnel-two-penstock-four-unit scheme

表1大波動(dòng)極值控制工況結(jié)果

Tab.1 Results of large fluctuation extreme value control working conditions

表2水力干擾計(jì)算

Tab.2Hydraulic interference calculation

注：一洞兩管四機(jī)方案包括方案二和方案三，下同。

注：外為兩洞四機(jī)方案，內(nèi)為一洞兩管四機(jī)方案。

表3水力干擾結(jié)果

Tab.3Hydraulicinterference result

由表1可以看出，兩個(gè)方案的機(jī)組蝸殼最大壓力、機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率滿足控制要求。在最不利的工況下，一洞兩管四機(jī)方案的尾水進(jìn)口最小壓力小于兩洞四機(jī)方案，且接近控制值 11.5m ，較為不利。一洞兩管四機(jī)方案的機(jī)組蝸殼最大壓力高于兩洞四機(jī)方案。

由表3可知，在并網(wǎng)調(diào)功模式和頻率調(diào)節(jié)模式下，相較兩洞四機(jī)方案，一洞兩管四機(jī)方案正常運(yùn)行機(jī)組的最大超出力較大，超過1.1倍額定功率的時(shí)間較長(zhǎng)。

因此，從過渡過程比較，兩洞四機(jī)方案電站運(yùn)行安全裕度較一洞兩管四機(jī)方案更有保障。

3.2 運(yùn)行管理

方案一。1條隧洞或某1臺(tái)機(jī)組球閥檢修時(shí)，只需停2臺(tái)機(jī)組，另外2臺(tái)機(jī)組仍能保證正常運(yùn)行，擔(dān)負(fù)抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的作用。

方案二。 ① 任何一個(gè)水力單元上平洞進(jìn)行檢修時(shí)，須同時(shí)停4臺(tái)機(jī)組，向電網(wǎng)調(diào)度申請(qǐng)4臺(tái)機(jī)同時(shí)停運(yùn)難度較大； ② 由于上游調(diào)壓室內(nèi)設(shè)置了事故閘門以及配套啟閉設(shè)備、電氣控制設(shè)備、照明設(shè)施等，為了保障事故閘門的正常運(yùn)行，每年都要對(duì)閘門以及附屬的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行定期檢修、維護(hù)和試運(yùn)行，給電站的運(yùn)行管理帶來(lái)了不便。

方案三。引水調(diào)壓室內(nèi)不設(shè)置閘門，輸水系統(tǒng)某一水力單元發(fā)生事故或放空檢修，以及某一臺(tái)機(jī)組檢修時(shí)，須同時(shí)停4臺(tái)機(jī)組，向電網(wǎng)調(diào)度申請(qǐng)4臺(tái)機(jī)組同時(shí)停運(yùn)難度較大，運(yùn)行靈活性相對(duì)較差。

3.3 運(yùn)行功能

對(duì)于兩洞四機(jī)方案，一般情況下引水系統(tǒng)可通過間隔放空檢修，以保證電站至少有2臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)，使電站一直具備黑啟動(dòng)功能，為該電站申請(qǐng)承擔(dān)電網(wǎng)的黑啟動(dòng)任務(wù)提供支持。對(duì)一洞兩管四機(jī)方案，當(dāng)引水系統(tǒng)上平洞檢修（引水調(diào)壓室設(shè)置事故閘門）或引水系統(tǒng)檢修（引水調(diào)壓室不設(shè)事故閘門），電站的所有機(jī)組均無(wú)法啟動(dòng)，檢修期間電站將無(wú)法具備黑啟動(dòng)功能，從而降低了該電站承擔(dān)電網(wǎng)黑啟動(dòng)任務(wù)的可行性。

3.4 施工條件

從總體施工條件上看，各方案的施工總布置相同，輸水系統(tǒng)施工通道布置、施工方法基本相同。

（1）施工方法。一洞兩管四機(jī)方案的引水上平洞開挖洞徑超過 10m ，需要分兩層開挖；一洞兩機(jī)方案可全斷面一次性開挖。兩方案斜井采用反井鉆法施工，中/下平洞全斷面一次性開挖，施工方法一致。

（2）施工進(jìn)度。 ① 兩洞四機(jī)方案可按照一般程序，安排1號(hào)引水系統(tǒng)各洞室開挖、襯砌/鋼襯完成后進(jìn)行2號(hào)引水系統(tǒng)相應(yīng)洞室的開挖、襯砌/鋼襯，其引水系統(tǒng)施工不制約地下廠房施工、機(jī)組安裝的關(guān)鍵線路，可保障首臺(tái)機(jī)組和后續(xù)機(jī)組按期投產(chǎn)。② 由于設(shè)置閘門的一洞兩管四機(jī)方案可以利用閘門隔離2號(hào)引水系統(tǒng)，使1號(hào)引水系統(tǒng)充排水試驗(yàn)和1號(hào)機(jī)組發(fā)電不受2號(hào)引水系統(tǒng)和3，4號(hào)球閥制約，該方案的工期與資源投人與兩洞四機(jī)方案基本一致。 ③ 不設(shè)置閘門的一洞兩管四機(jī)方案。由于1號(hào)引水系統(tǒng)與2號(hào)引水系統(tǒng)共用上平洞，因此1號(hào)引水系統(tǒng)的充排水試驗(yàn)需等2號(hào)引水系統(tǒng)完成施工和3，4號(hào)球閥完成安裝后才能進(jìn)行，1號(hào)引水系統(tǒng)充排水試驗(yàn)完成后，1號(hào)機(jī)組才能發(fā)電。如果按照一般程序施工，1號(hào)機(jī)組將滯后5個(gè)月發(fā)電，2號(hào)機(jī)組推遲2個(gè)月發(fā)電；如果要保障1號(hào)機(jī)組發(fā)電節(jié)點(diǎn)，該方案需提前進(jìn)行引水斜井施工和3，4號(hào)機(jī)組施工，以確保引水系統(tǒng)和球閥完成、按時(shí)進(jìn)行充排水試驗(yàn)，這將增加前期資源投入和現(xiàn)場(chǎng)管理難度。

3.5 工程量及投資

在工程量及投資比選中，將尾水管進(jìn)口最小壓力調(diào)整為統(tǒng)一水平進(jìn)行比較，大波動(dòng)水力學(xué)條件基本相當(dāng)，即方案二、三的機(jī)組安裝高程調(diào)整為 9m ，廠房附屬洞室的工程量和投資基本不變，主要為輸水系統(tǒng)工程量和投資的變化，見表4～5。從工程投資比較可以看出，一洞兩管四機(jī)方案（方案二）的投資較兩洞四機(jī)方案（方案一）約節(jié)省2743萬(wàn)元，一洞兩管四機(jī)方案（方案三）的投資較兩洞四機(jī)方案約節(jié)省6330萬(wàn)元。

表43種方案主要工程量比較 Tab.4Comparison of main engineering quantity for3different plans

表53種方案投資比較

Tab.5Comparison of investment for3differentplans萬(wàn)元

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)青田抽水蓄能電站水力學(xué)條件、運(yùn)行管理、運(yùn)行功能、施工條件、工程量及投資等方面進(jìn)行綜合比較，結(jié)果表明：雖然一洞兩管四機(jī)方案（方案二、三）投資較省，但水力聯(lián)系加強(qiáng)，機(jī)組干擾增強(qiáng)，運(yùn)行靈活性差，且降低了電站承擔(dān)電網(wǎng)黑啟動(dòng)任務(wù)的可行性。兩洞四機(jī)方案電站建筑物規(guī)模適中，建成后運(yùn)行檢修相對(duì)靈活，且同等條件下，兩洞四機(jī)方案電站運(yùn)行安全裕度較一洞兩管四機(jī)方案有保障。因此，該工程最終采用兩洞四機(jī)布置方案。

洞機(jī)組合布置受多種因素的影響，需根據(jù)每個(gè)工程的特點(diǎn)選定適用于該工程的洞機(jī)組合布置。本文研究成果可為中高水頭、引水系統(tǒng)較長(zhǎng)的類似工程洞機(jī)組合布置提供參考。

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（編輯：高小雲(yún)）

Study on tunnel and units combination of water diversion system in Zhejiang Qingtian Pumped Storage Power Station

LYUTingting1，WUHanjiang2，ZHENGHaolei1

（1.POWERCHNAHuadogEngineeingCoporationLimitedHangzhou312China；.ZhejiangQingtinPumpedtoageCo Ltd.，Lishui 323999，China）

Abstract：To design suitable tunnel and unit arrangement layouts for pumped storage power station based on their characteristics，taking Qingtian Pumped Storage Power Station in Zhejiang Province asan example，a comparison was made between the two-tunnel-four-unit scheme and the one-tunnel-two-penstock -four-unit scheme in terms of hydraulicconditions，operational management，functional performance，constructionconditions，projectscale，and investment.The results indicated that compared with the two-tunnel-four-unit scheme，the one-tunnel-two-penstock -four-unit scheme could save thecost，but it had problemssuch aspooroperationalflexibility，increased hydraulic interference，andreducedfeasibilityfor black-startcapability.Therefore，thetwo-tunnel-four-unitarrangement was adopted for Qingtian Pumped StoragePower Station.Thefindings can provideareferenceforresearch on tunneland unit combination in similar pumped storage power stations with medium-to-high heads and long diversion systems.

Key words：diversion system;tunnel and unit combination;two-tunnel-four-unit；one-tunnel-two-penstock - four-unit；Qingtian Pumped Storage Power Station