哈密石城子一級水電站裝機(jī)方案分析

□朱蘇秦（新疆哈密地區(qū)石城子水系流域管理總站）

石城子水庫是一座以灌溉為主，兼顧防洪的綜合中型水利工程，多年平均徑流量為8331萬m3，總庫容1945.50萬m3，有效庫容1794.60萬m3。目前控灌面積約2萬hm2，并擔(dān)負(fù)著下游哈密市區(qū)24.63萬人生命財產(chǎn)的防洪保安任務(wù)。

根據(jù)哈密地區(qū)礦產(chǎn)資源得天獨(dú)后的特點(diǎn)，開發(fā)當(dāng)?shù)氐乃苜Y源，既支援區(qū)外缺能地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，又可振興地方經(jīng)濟(jì)。石城子一級水電站是哈密石城子河流域規(guī)劃的三級開發(fā)自上而下的第一級，建成后可實(shí)現(xiàn)水資源的綜合利用，改變哈密電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)，同時可增加當(dāng)?shù)氐木蜆I(yè)機(jī)會，拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，增加財政收入，改善投資環(huán)境，對維護(hù)少數(shù)民族地區(qū)政治穩(wěn)定，加強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)具有重要意義。

1 工程建設(shè)的必要性

1.1 修建石城子一級水電站符合哈密地區(qū)電力發(fā)展要求

哈密地區(qū)能源資源構(gòu)成具有煤多、水少的特點(diǎn)，其電源裝機(jī)中77.2%為火電，21.9%為風(fēng)電，僅有0.87%為水電，截至2012年，哈密電源建設(shè)以火電為主，風(fēng)電為輔，具有調(diào)節(jié)能力的水電裝機(jī)容量僅極少，具有調(diào)峰能力的水力資源開發(fā)潛力極大，開發(fā)水電是必然趨勢。按照自治區(qū)政府的水電產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計2015年新疆電網(wǎng)的發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到千萬kW級，其中水電裝機(jī)容量達(dá)到百萬kW級，實(shí)現(xiàn)向區(qū)外送電的目標(biāo)。

1.2 修建石城子一級水電站是石城子河流域綜合開發(fā)的需要

石城子河徑流穩(wěn)定，河段比降大，落差集中。規(guī)劃推薦的近期工程石城子一級水電站工程區(qū)具有較好地形地質(zhì)條件，開發(fā)技術(shù)難度小，淹沒及環(huán)境影響較小，對外交通較為方便。石城子一級水電站裝機(jī)規(guī)模小，開發(fā)目標(biāo)單一，具有工期短、投資少、見效快、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越等特點(diǎn)，是哈密市近期開發(fā)較理想的電源點(diǎn)。

1.3 修建石城子一級水電站是確保工程安全和供電安全的需要

當(dāng)前極端氣候頻發(fā)，對電網(wǎng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，需要采取措施，確保工程安全和人民生命財產(chǎn)安全。小水電具有“分散分布、就地開發(fā)、就近供電、啟閉迅速”等特點(diǎn)，在應(yīng)對自然災(zāi)害和電網(wǎng)事故中具有充當(dāng)應(yīng)急電源、保障應(yīng)急救災(zāi)電力供應(yīng)、提高電網(wǎng)調(diào)度能力等重要作用。

2 水利動能計算

2.1 徑流

石城子水庫上游設(shè)有2處國家基本水文站，具有54年（1956-2009年）長系列水文實(shí)測資料，觀測資料均通過自治區(qū)水文水資源局審查，資料精度可靠。2個水文站距石城子水庫4～7 km，區(qū)間無較大支流匯入。因此，可直接采用2個站還原后的54 a的天然年徑流系列計算出石城子水庫多年平均入庫徑流量，為0.82億m3。

石城子河屬于冰雪消融水和夏季降雨混合水補(bǔ)給的混合型河流。徑流的年內(nèi)分配不均。全年徑流主要集中在汛期4-9月份，其徑流量占年徑流量的80%。其中，春汛發(fā)生在4-5月份，夏汛發(fā)生在7-8月份，所占比例也不相同，10月至次年3月份，氣溫逐漸降低，水量也隨著逐漸減少。

2.2 生態(tài)用水

石城子河為典型的高山峽谷型河流，石城子河一級水電站開發(fā)河段海拔較高且山高坡陡，無農(nóng)田分布，無灌溉供水要求。石城子河一級水電站采用引水式開發(fā)，在石城子河干流電站壩、廠址之間形成約720 m的減水河段。為維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和稀釋凈化所需，考慮在壩址處下泄生態(tài)流量，其生態(tài)流量按石城子河水庫壩址處多年平均流量的10%下泄，即0.26 m3/s。

2.3 水能計算

2.3.1 發(fā)電流量

工程依托已建成運(yùn)行的石城子水庫取水發(fā)電，規(guī)劃修建的石城子一級水電站必須首先滿足水庫灌溉和防洪要求。鑒于此，石城子一級水電站發(fā)電設(shè)計流量主要依據(jù)1982-2007年石城子水庫放水資料，遵循不棄水或少棄水的原則，經(jīng)計算分析來確定電站設(shè)計發(fā)電流量。

2.3.2 電站運(yùn)行方式

根據(jù)水庫防洪、灌溉要求，石城子水庫的運(yùn)行方式為：水庫11月1日開始從死水位蓄水，3月31日達(dá)到正常蓄水位，該時段內(nèi)水庫不放水；4-6月根據(jù)灌溉要求放水，7-8月由于灌溉需要量減少，水庫蓄一部分水，9-10月根據(jù)灌溉要求放水，水庫水位在10月底到達(dá)死水位。

電站直接從石城子水庫取水發(fā)電，該電站上游水位的變化與石城子水庫水位變化一致。其發(fā)電時間與水庫的放水時間相同，即每年4-10月發(fā)電，其他時間水庫蓄水，電站不發(fā)電。

2.3.3 發(fā)電額定水頭擬定

石城子一級水電站正常水位的擬定依據(jù)水庫運(yùn)行調(diào)度方式。根據(jù)演算，最高發(fā)電水頭83 m，對應(yīng)的水庫水位為1403 m，最低發(fā)電水頭為40 m，對應(yīng)的水庫水位為1360 m。由于電站具有年調(diào)節(jié)能力，石城子一級電站的水頭變化主要由水庫灌溉和防洪運(yùn)行調(diào)度要求引起，為保證電站能夠穩(wěn)定運(yùn)行，參照類似電站設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，石城子一級電站額定水頭按電站最大最小水頭的加權(quán)平均值初選65 m。額定水頭為65 m，對應(yīng)的水庫水位為1385 m。

2.3.4 多年平均發(fā)電量計算

按照水庫運(yùn)行方式，采用水庫1997-2007年逐月放水過程（扣除下泄生態(tài)流量）和月平均水位進(jìn)行調(diào)節(jié)計算，來得出不同裝機(jī)規(guī)模情況下的多年平均發(fā)電量。

3 裝機(jī)容量確定

3.1 設(shè)計保證率

石城子一級水電站裝機(jī)容量0.50萬kW，按水利動能設(shè)計規(guī)范，考慮電站的前期工作條件和施工工期安排，電站規(guī)模以及新疆電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)展需要等綜合分析，石城子一級水電站的設(shè)計水平年采用2015年。

新疆電力系統(tǒng)火電比重大，但本電站裝機(jī)規(guī)模在水電系統(tǒng)中所占比重較大。根據(jù)本電站設(shè)計水平年系統(tǒng)中電源構(gòu)成和水利動能設(shè)計規(guī)范，石城子一級水電站的設(shè)計保證率采用90%。

3.2 裝機(jī)容量方案比較

此電站是在已建水庫滿足灌溉和防洪要求的條件下選定裝機(jī)容量，據(jù)此，選擇裝機(jī)4 MW、5 MW3個裝機(jī)容量方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。各方案動能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

從表1的比較可以得出，方案Ⅰ與方案Ⅱ比，總投資少292.60萬元，設(shè)備年利用小時較高，而作為主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的單位電能投資，兩者比較接近，但單位千瓦投資較高，每年棄水量大；方案Ⅱ雖然總投資較大，年利用小時略低，單位電能投資略高，但多年平均發(fā)電量較方案Ⅰ增加117萬kW·h，且沒有棄水，水資源得到充分利用。

表1 石城子一級水電站裝機(jī)容量方案動能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

綜上所述，方案Ⅱ總投資規(guī)模適當(dāng)，在滿足石城子水庫灌溉和防洪要求情況下沒有棄水，水能資源利用較充分，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較優(yōu)越。因此綜合分析確定采用裝機(jī)5 MW方案。

4 機(jī)組臺數(shù)與機(jī)型確定

4.1 機(jī)組臺數(shù)確定

在已確定電站裝機(jī)容量為5 MW情況下，電站裝機(jī)臺數(shù)的多少將會影響到機(jī)組的結(jié)構(gòu)尺寸、電站的運(yùn)行靈活、電站的平均效率，提高電站的平均效率和發(fā)電量。根據(jù)裝機(jī)容量、廠址的地形地質(zhì)條件、樞紐布置要求，電站運(yùn)行靈活性和運(yùn)輸條件等因素，擬定了2臺和3臺方案進(jìn)行動能經(jīng)濟(jì)比較。表2為石城子一級電站裝機(jī)臺數(shù)比較表。

表2 電站裝機(jī)臺數(shù)比較表

從以上比較可以得出：①兩臺裝機(jī)方案的水輪發(fā)電機(jī)組及主廠房土建投資均低于三臺機(jī)組方案。②兩臺機(jī)組方案的綜合效率高于三臺機(jī)組方案。③兩種方案都能較靈活運(yùn)行，三臺機(jī)組方案，機(jī)組發(fā)生故障對系統(tǒng)的影響較小，檢修也較容易安排，其缺點(diǎn)是運(yùn)行所需的人員增加，運(yùn)行費(fèi)用增加。④三臺機(jī)組方案機(jī)組的容量和尺寸較小，重量較輕，行車的噸位減小，造價降低，設(shè)備的加工制作和運(yùn)輸條件較好，但由于本電站的裝機(jī)規(guī)模較小，對制造、運(yùn)輸和裝機(jī)臺數(shù)的影響不大。

綜合電站的投資，能量指標(biāo)，機(jī)組運(yùn)行和廠區(qū)布置等因素，這個階段推薦兩臺機(jī)組方案。

4.2 機(jī)型選擇

根據(jù)水文、動能及電站的基本參數(shù)資料分析，本電站水頭范圍在40～83 m之間，設(shè)計水頭65 m，電站設(shè)計流量為8.34 m3/s，本電站應(yīng)選用混流式機(jī)型。根據(jù)收集目前制造廠家的機(jī)型資料，初步選擇以下較優(yōu)的機(jī)型進(jìn)行比較，機(jī)型模型參數(shù)比較見表3。

表3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)比較表

從表3比較來看，HLA722C較優(yōu)于其他幾個轉(zhuǎn)輪，故這個階段推薦使用HLA722C轉(zhuǎn)輪。

確定水輪機(jī)型號為HLA722C-WJ-84，配套發(fā)電機(jī)型號為SFW2500-8/1730，調(diào)速器型號為GBWT-1800-16。

5 結(jié)語

小型水電站裝機(jī)方案的確定直接關(guān)系到電站投資、發(fā)電量和調(diào)度運(yùn)行方式。文章通過對哈密石城子一級水電站水能分析，經(jīng)過多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定電站裝機(jī)規(guī)模、機(jī)組臺數(shù)和機(jī)型。在確保不影響水庫灌溉功能和河道生態(tài)的前提下，充分利用水能資源，實(shí)現(xiàn)流域水資源的合理有效利用。目前該項(xiàng)目可研報告已經(jīng)哈密地區(qū)發(fā)改委核準(zhǔn)備案，計劃于2012年5月開工建設(shè)，2013年6月竣工發(fā)電。