中偏尾部開發(fā)方式在洛寧抽水蓄能電站中的應用

趙 路，雷谷峰，童恩飛

（中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，湖南 長沙 410014）

1 工程概況

洛寧抽水蓄能電站位于豫西的洛三濟地區(qū) （即洛陽、三門峽、濟源），該地區(qū)負荷增長較快，是全省除鄭州以外的第二負荷中心。河南以火電為主的電網(wǎng)，需要有足夠的抽水蓄能電源來幫助實現(xiàn)降低煤耗、減少廢氣排放的目標，建設洛寧抽水蓄能電站是十分必要的。

工程區(qū)位于熊耳山北坡洛河右岸一級支流白馬澗及其右岸一級支流大魚溝上。北臨洛河河谷，區(qū)內地形切割強烈，地形起伏大。工程場區(qū)出露的基巖地層主要為燕山晚期花崗巖類侵入巖體，第四系松散地層主要為沖洪積、殘坡積、崩坡積等作用形成的堆積物。

洛寧抽水蓄能電站預可研階段總裝機容量1 200 MW，由4臺300 MW的可逆式水泵水輪電動發(fā)電機組組成，額定水頭590 m，最大水頭652 m，輸水線路水平距離大于4 200 m。上水庫正常蓄水位1 220.00 m，上水庫庫容約695萬m3，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高76 m；下水庫正常蓄水位614.00 m，下水庫庫容約687萬m3，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高107.5 m。工程等別為一等，規(guī)模為大 （1）型。

洛寧抽水蓄能電站最大水頭高，輸水線路水平距離長，如何在保證工程運行安全、穩(wěn)定的前提下，減少工程投資，是該工程需要解決的難點。本文主要對中部式、中偏尾部式、尾部式開發(fā)方式進行方案比選。

2 開發(fā)方式選擇

2.1 方案擬定

根據(jù)地下廠房在輸水系統(tǒng)的位置，廠房布置形式一般可分為尾部式、中部式、首部式3種。由于本工程首部式開發(fā)方案，除引水系統(tǒng)較短具有一定優(yōu)勢之外，其輔助洞室長度、出線、施工支洞長度均明顯長于中部與尾部方案，工程量大，通風與施工條件差，運行管理不便，工程投資高，洞室埋深大，地應力較高，所以排除首部式方案。

廠房中部方案除出線較尾部方案長以外，其輔助洞室布置順暢，輸水系統(tǒng)鋼襯長度短于尾部方案，廠區(qū)地質條件略優(yōu)于尾部方案，地下廠房覆蓋較深。尾部開發(fā)方案引水系統(tǒng)雖較長，但與中部開發(fā)方案相比，主要優(yōu)勢為出線較短，尾水隧洞可不設尾水調壓井。綜合考慮中部、尾部方案優(yōu)缺點，制定了中偏尾部式方案，對此3種方案進行進一步比較。

中偏尾部方案確定的廠房位置，若往上游移，高壓電纜洞、進廠交通洞、通風兼安全洞及高壓電纜工程量均增大，而引水系統(tǒng)鋼襯段不能縮短，投資將增加；若往下游移，鋼襯段增加投資約26萬元/m，高壓電纜洞等節(jié)省投資約14萬元/m，也不經(jīng)濟。故中偏尾部方案確定廠房位置原則上具有合理性。

2.2 輸水系統(tǒng)布置

洛寧抽水蓄能電站地下廠房3種開發(fā)方式方案中，上、下水庫進出水口位置和布置形式、主副廠房布置形式和尺寸、裝機規(guī)模、機組安裝高程、輸水系統(tǒng)供水方式均相同。上水庫進/出水口布置在大壩左壩肩，距離壩頭約260 m，為側式進/出水口；進/出水口底板高程1 169.20 m。下水庫進/出水口布置在右岸，距離右壩腳線約420 m，為側式進/出水口；進/出水口底板高程550.90 m。機組安裝高程均為490.00 m。各方案中，輸水隧洞各對應洞段的洞徑均取相同，各方案立面布置見圖1，輸水系統(tǒng)參數(shù)比較見表1。

圖1 開發(fā)方式比選方案輸水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面

表1 廠房開發(fā)方式比選輸水系統(tǒng)參數(shù)比較

從表1可以看出，3個方案輸水系統(tǒng)總長度相差很小，最大僅差18 m，輸水線路長度引起的工程量和水頭損失差別較小。引水系統(tǒng)的立面均采用二級斜井布置，隨廠房位置的后移，引水隧洞長度逐漸變長，鋼襯起點均始于引水中平洞，尾部式方案鋼襯段長度比前兩個方案長975 m。尾水隧洞鋼襯段長度和岔洞形式相同，中部式方案的尾水系統(tǒng)最長，尾部式最短。對于輸水系統(tǒng)布置，引水系統(tǒng)高內水壓力段越短越好，中部式和中偏尾部方案較好，尾部式較差。

為滿足過渡過程要求，3個方案均需設置調壓室。在設置調壓室之后，3個方案的Tw值分別為2.12、1.11 s和2.22 s，Ta/Tw分別為 3.80、7.26和3.63，均處于調速性能好的區(qū)域。3個方案的調節(jié)保證能力均能滿足規(guī)范要求，但我國建成投產(chǎn)的幾座大型抽蓄電站的Tw值基本都小于2.0，Ta/Tw基本都大于4.0[3]，只設一個調壓室的中部式和尾部式方案調保參數(shù)不太理想。調節(jié)保證能力方面，中偏尾部的方案最優(yōu)。

2.3 廠區(qū)布置

廠房布置位置不同，對主副廠房、主變洞、母線洞等主要洞室布置沒有影響，主要影響廠房對外聯(lián)系的輔助洞室的布置。因地形條件的限制，無論哪種布置方案，輔助洞室的進口位置都只能在下水庫右岸的山腳附近選擇。中部式方案因為埋深更大，故其地下廠房的進廠交通洞、通風兼安全洞等較中偏尾部式方案長約630 m。中部式高壓電纜平洞長1 326.00 m，豎井高約113.30 m，連接線路總長約1 439.30 m，高壓電纜長度過長，增大了電能損耗，較大幅度地增加了設備投資。

2.4 投資比較

對3種方案輸水系統(tǒng)、廠房系統(tǒng)和一次電纜的投資進行比較 （見表2）。從表2可以看出，相比其他兩個方案，中偏尾部方案需多布置一個調壓室，但壓力鋼管、廠房附屬洞室和高壓電纜等主要投資較優(yōu)，故總投資最低，且調保參數(shù)最優(yōu)。

表2 開發(fā)方式比選可比投資對比

綜上，初選中偏尾部式廠房開發(fā)方式。

3 過渡過程計算

抽水蓄能電站機組較常規(guī)電站機組工況轉換多，開、關機頻繁，對調壓井的運行穩(wěn)定性要求相應也高，國內已建抽水蓄能電站大多采用單調壓井，只有廣州抽水蓄能和惠州抽水蓄能電站采用了上下游雙調壓室的布置，但其最大水頭均低于560 m。而洛寧抽水蓄能電站最大水頭高達652 m，如此高水頭抽水蓄能電站設置雙調壓室在國內尚屬首例。因此需通過過渡過程計算驗證中偏尾部開發(fā)方式的可行性。

選用參數(shù)相近的西龍池機組特性曲線，采用水電水利規(guī)劃設計總院和武漢大學共同開發(fā)的 “水電站水力過渡過程計算軟件Topsys1.0”程序對①、②號機組組成的水力單元進行的水力過渡過程計算。擬將管道系統(tǒng)分成19段，其計算簡圖如圖2所示，圖中J16、J17分別代表①、②號機組，J3、J19分別代表上、下游調壓室。

圖2 洛寧抽水蓄能電站過渡過程計算示意

導葉的關閉和開啟均采用直線規(guī)律。水輪機工況選用30 s直線關閉規(guī)律和30 s直線開啟規(guī)律，水泵工況選用50 s直線關閉規(guī)律作為計算條件。導葉正常關閉時，不考慮球閥參與調節(jié)，導葉拒動時，球閥按先快后慢的60 s折線關閉（15-45-0.18）。計算結果見表3。

表3 過渡過程大波動計算極值統(tǒng)計

從表3可以看出，蝸殼末端最大動水壓力水頭為892.32 m，壓力升高率22.2%，滿足小于30%的限值要求；尾水管出口最小壓力46.46 m，考慮計算誤差 （壓力下降值10%）和渦流 （凈水頭3.5%）修正后為17.45 m，仍滿足不出現(xiàn)負壓要求，其裕度較大；機組最大轉速上升率27.64%，滿足小于45%的要求。

4 結論

（1）洛寧抽水蓄能電站廠房采用中偏尾部開發(fā)方式，引水和尾水系統(tǒng)均較長，需設置上、下游雙調壓室，但鋼襯、廠房附屬洞室、高壓電纜等工程量均較少，因此綜合投資最少。

（2）電站最大水頭652 m，如此高水頭抽水蓄能電站設置雙調壓室在國內尚屬首例。但過渡過程計算結果表明，壓力上升、尾水管最小壓力、轉速上升參數(shù)良好，說明結構布置合理，且洞徑仍有優(yōu)化余地。

綜上所述，對于高水頭、長輸水道的抽水蓄能電站，相比傳統(tǒng)的中部式和尾部式開發(fā)方式，中偏尾部開發(fā)方式優(yōu)點突出。可為類似工程開發(fā)方式方案比選提供參考。

［1］羅紹基.廣州抽水蓄能電站介紹［J］.水力發(fā)電， 1990（10）:47-50.

［2］鄭晶星，黃立財，姚廉華，等.惠州抽水蓄能電站工程調壓井布置及體型優(yōu)化研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2006（10）:172-176.

［3］DL/T 5208—2005 抽水蓄能電站設計導則［S］.

［4］邱彬如，劉連希.抽水蓄能電站工程技術 ［M］.北京：中國電力出版社，2008.