黃家灣水利樞紐工程其附屬電站裝機規(guī)模合理性分析

黃正財，鄭錄艷

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽 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。水庫總庫容15 730 萬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。水庫建成后，多年平均供水量為9348萬m3。

2 梯級效益

蒙江屬珠江流域紅水河干流的一級支流，主源格凸河發(fā)源于長順縣馬路鄉(xiāng)花紅堡，先由南向北流經(jīng)長順縣馬路鄉(xiāng)，后折而向西進入安順東屯，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153 km，河床平均比降6.45‰，流域集水面積2306 km2。

黃家灣水庫為蒙江流域（含格凸河）梯級開發(fā)的第一級，水庫下游蒙江干流自上而下梯級電站見表1。

序號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

各梯級電站的入庫徑流按“上一梯級的下泄過程加上區(qū)間徑流過程即為下一梯級的徑流過程”的原則，采用等流量徑流調(diào)節(jié)計算。下游梯級總裝機容量為444 MW，至設(shè)計水平年2030年，如果不興建黃家灣水庫，下游梯級總保證出力為65.22 MW，下游梯級總的多年平均發(fā)電量為15.16億kW·h；黃家灣水庫建成后，（正常蓄水位1055 m，死水位為1035 m）下游梯級總保證出力增加為73.91 MW，即提高下游梯級保證出力8.69 MW，占未建前的13.3%，下游梯級總的多年平均發(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807萬元。因此，黃家灣水庫的興建，對下游梯級電站是有利的。

3 電站裝機規(guī)模選擇

電站裝機容量的選擇主要考慮水庫的調(diào)節(jié)性能、機組機型、裝機容量與保證出力的倍比、裝機年利用小時數(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，由于黃家灣水庫是梯級開發(fā)的龍頭水庫，機組可選較大的裝機容量，加大過流流量，增加下游的發(fā)電量。電站裝機容量以20、22、24、26 MW進行能量指標及經(jīng)濟指標比選（見表2）。

項 目正常蓄水位/m死水位/m保證出力（P=90%）/MW裝機容量/MW多年平均發(fā)電量/（萬kW·h）裝機利用小時數(shù)/h裝機引用流量/（m3/s）水量利用系數(shù)/%裝機容量增量/萬kW發(fā)電量增量/（萬kW·h）單位千瓦增加的發(fā)電量/(kW·h)黃家灣～黃花寨區(qū)間來水量/（m3/s）黃花寨斷面可利用流量/（m3/s）下游黃花寨裝機額定流量/（m3/s）電站機電及金結(jié)投資/萬元電站土建投資/萬元電站直接投資/萬元單位裝機投資/（kW/元）指標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)、水頭損失運行方式等相同的條件下計算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

從能量指標分析，電站裝機容量從20～26 MW，隨著裝機容量的加大，多年平均發(fā)電量也相應(yīng)加大，但年利用小時數(shù)在減少，單位千瓦增加的發(fā)電量在減少。裝機容量從20～24 MW 單位千瓦變幅較大，24～26 MW時單位千瓦變幅較小。黃家灣水庫電站下一梯級為穿洞電站，再下一級為黃花寨電站，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容量為60 MW，裝機額定流量為95.7 m3/s，黃家灣水庫壩后電站裝機從20～26 MW規(guī)模時，其流量到達黃花寨壩址斷面時分別為62.12～73.85 m3/s，均小于黃花寨的裝機引用流量，故為了增加過機流量，使上下游流量盡可能匹配，裝機容量要大些為好。

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

綜合以上能量指標及經(jīng)濟指標分析，推薦24 MW 裝機是比較經(jīng)濟合理的，故壩后式電站裝機容量也擬定為24 MW。

4 電站水能計算

本工程水庫是以城鄉(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，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)水庫歷年逐月來水過程，扣除本水庫承擔(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容的6%計）、上游耗水量及下放的環(huán)境用水，水能計算按長系列逐月等流量調(diào)節(jié)方法進行調(diào)節(jié)計算。水庫水位不超過正常蓄水位，且不低于死水位。電站發(fā)電保證率為90%。通過工程總體投資，經(jīng)濟效益等綜合比較，推薦壩后式開發(fā)方案的電站裝機容量為24 MW，多年平均發(fā)電量5630萬kW·h，其水能計算成果見表3。

項目 指標水庫電站正常蓄水位/m死水位/m正常蓄水位以下庫容/億m3死庫容/億m3調(diào)節(jié)庫容/億m3庫容系數(shù)/%調(diào)節(jié)性能正常尾水位/m裝機容量/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

項目 指標額定流量/(m3/s)保證出力/MW多年平均年發(fā)電量/（萬kW·h）其中：汛期發(fā)電量/（萬kW·h）枯期發(fā)電量/（萬kW·h）年利用小時數(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 電站機組臺數(shù)選擇

機組臺數(shù)的選擇原則主要考慮機組的運行穩(wěn)定性和運行維護管理、機電設(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容量為24 MW，電站可以按2 臺機組（2×12 MW）及3 臺機組（3×8 MW）方案考慮。

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

因此，本電站應(yīng)考慮大小機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)小機裝機4.5 MW時，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組穩(wěn)定運行要求。其余兩臺大機可考慮裝機為2×9.75 MW，因為當(dāng)大機單機運行時，其出力處于45%（即4.39 MW）及以下出力時，切換至小機運行便能滿足機組穩(wěn)定運行要求。

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

6 結(jié)語

黃家灣水庫作為蒙江流域梯級的龍頭水庫，在水庫樞紐附屬電站裝機規(guī)模選擇時，綜合考慮下游梯級電站開發(fā)方式、裝機規(guī)模及流量匹配等因素是十分重要的，黃家灣水庫樞紐建成后，將提高下游梯級多年平均發(fā)電量為0.269億kW·h，梯級效益十分明顯。對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)，機組臺數(shù)、單機裝機容量與保證出力之間倍率以及大小機裝機容量匹配銜接，電站投運后，通過各機組間運行靈活調(diào)度，既可以滿足各出力工況下機組穩(wěn)定運行，又能最大限度發(fā)揮其發(fā)電效益。