考慮用電及防洪需求的西里水電站運行規(guī)劃

孔潔惠

(臨汾市水利勘測設(shè)計院，山西 臨汾 041000)

水電站作為一種極為常見的水利工程，具有重要的發(fā)電、蓄水、防洪作用[1-8]。在水電站規(guī)劃設(shè)計初期，需要充分考慮水電站承擔(dān)的作用，以保證工程建設(shè)完成后，充分發(fā)揮效益[9-14]。結(jié)合西里水電站工程，從發(fā)電、防洪角度對水電站規(guī)劃設(shè)計進行初步分析。

西里水電站所在的安澤縣位于山西省臨汾市的東部，轄區(qū)有11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積為1967km2。西里水電站是一座以發(fā)電為主、裝機容量為3×800kW、總庫容為1267萬m3的小(2)型水電站。其工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級，水工建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計洪水重現(xiàn)期為20年，校核洪水重現(xiàn)期為100年，上下游無其他防洪要求。

1 用電需求

1.1 安澤縣供電現(xiàn)狀

1.1.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

目前全縣共有變電站4座，總?cè)萘繛?2900kVA，110kV線路長33km，35kV輸電線路長49km，10kV配電線路長250km。府城110kV變電站，主變1×20000kVA，由洪洞澗橋110kV變電站110kV母線出線供電，線路全長55.9km，導(dǎo)線LGJ-150mm2，中間T有古縣岳陽變電站，T接線6.9km。

東灣110kV變電站，主變1×25000kVA，由府城110kV變電站110kV出線供電，線路全長33km，導(dǎo)線LGJ-150mm2，設(shè)計110kV進線兩回單母線分段，現(xiàn)在進線一回。

35kV亢驛站主變1×6300kVA，府城至亢驛35kV313線路32km，導(dǎo)線LGJ-70mm2。

35kV冀氏變電站位于縣城以南冀氏鎮(zhèn)，站內(nèi)安裝主變一臺1600kVA，35kV線路長16.2km，導(dǎo)線LGJ-70mm2，主供縣城以南鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)及生活用電。

1.1.2用電量和供電量情況

歷史各年用電量情況：1995年用電量為1326.31萬kW·h，2005年用電量為4304.3萬kW·h，2006年用電量為5300萬kW·h，1995—2006年各年的環(huán)比速度分別為109.47%、104.67%、114.92%、92.87%、111.84%、94.17%、117.25%、125.23%、117.43%、146.15%、123.13%。2006年用電量以1995年為基準(zhǔn)水平的定基速度為399.6%，1995—2006年的平均增長速度為14.5%。

目前大工業(yè)售電量占總售電量的54.58%，居民照明占14.76%，非居民占15.37%，商業(yè)用電占4.5%，非普工業(yè)占10.77%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電占0.02%。

2005年各變電站負荷及供電量見表1。

由表1可知，全縣目前最高負荷15900kW，最低負荷4890kW，最大峰谷差10900kW。西里水電站具有一定的調(diào)節(jié)能力，并網(wǎng)后可具有其他小水電站所沒有的靈活性及獨立性，對整個電網(wǎng)起到一定的調(diào)峰作用，提高整個電網(wǎng)的經(jīng)濟效益和供電保證率。

表1 2005年各變電站負荷及供電量情況表

1.2 負荷預(yù)測及裝機規(guī)模

隨著人口的增長，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展及人民生活水平的提高，用電量將進一步加大。2005—2008年全縣負荷增長點主要集中在唐城鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)，煤炭生產(chǎn)能力按國家要求要形成規(guī)模性開采，當(dāng)前煤炭價格很高，市場需求大，煤炭利潤空間大，各煤礦利用各種手段擴大生產(chǎn)，設(shè)計能力為60萬t的可能達70～80萬t，設(shè)計能力為30萬t的可能達到40～45萬t，利益的驅(qū)動使電力負荷增長迅速。2005—2010年最終需要供電量，低方案為1.3億kW·h，高方案為1.84億kW·h；2005—2010年最終需要供電負荷，低方案為2.7萬kW，高方案為3.8萬kW。供電峰谷差也會隨之增大。

西里水電站的運行方式擬定為各小水電站并用后與晉南電網(wǎng)并網(wǎng)，由于各小水電站均無調(diào)峰能力，而電網(wǎng)中迫切需要調(diào)峰電源，西里電站可作日調(diào)節(jié)運行，擔(dān)任調(diào)峰作用。從安澤縣目前負荷情況可知，峰谷差較大，但是根據(jù)沁河水量將西里電站的裝機容量確定為2400kW，部分解決安澤縣供電峰谷差。

2 西里水電站特征參數(shù)確定

2.1 壩址區(qū)滲漏量計算

(1)透水層分布情況

主河床壩基長95m，主河床寬107m，河底高程為776.50～777.60m，基巖面以上覆蓋有厚6.5～10m的砂、砂卵礫石層，滲透系數(shù)K=18.17m/d，不均勻系數(shù)為62～100。

(2)滲漏量估算

①壩基滲漏量估算

壩基的滲漏量根據(jù)不同部位的滲透性，地層巖性采用不同的參數(shù)進行計算，并對覆蓋層和基巖分別計算。

第四系砂卵礫石厚8.0m，水庫正常蓄水位為791.10m，透水層采用單層結(jié)構(gòu)，覆蓋層滲漏量的計算公式為

(1)

式中，K—透水層滲透系數(shù)，m/d，取18.17m/d；H—上、下游水頭差，上游取庫水位791.10m，下游取河水位776.50m；T—透水層厚度，m；2b—壩基寬度，m；B—計算段長度，m。

壩基基巖為三疊系劉家溝組中細粒砂巖、砂質(zhì)頁巖、泥巖，滲透系數(shù)K=0.324m/d，W>0.05L/(min.m.m)，透水層采用雙層結(jié)構(gòu)，基巖滲漏量計算公式為

(2)

式中，B—壩軸線方向整個滲漏帶寬度，m；K1、K2—透水層滲透系數(shù)，m/d；T1、T2—透水層厚度，m。

計算結(jié)果見表2。

表2 壩基滲漏量估算表

經(jīng)計算，覆蓋層滲漏量為5780.2m3/d，基巖滲漏量為559.3m3/d。

②壩肩滲漏量估算

左、右壩肩均分三疊系劉家溝組中細粒砂巖、夾砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在繞壩滲漏問題，并對其滲漏量進行計算，其計算公式為

(3)

式中，K—滲透系數(shù)，m/d；b—繞壩水流線距，m；L—滲流途徑的平均值，m；h1—河水位差W>0.05下限的距離，m；h2—正常蓄水位差W>0.05下限的距離，m。

計算參數(shù)及結(jié)果見表3。

表3 左、右壩肩基巖滲漏量計算

經(jīng)計算，壩肩基巖繞壩滲漏量為406.4m3/d。

2.2 洪水調(diào)節(jié)和防洪水位選擇

2.2.1建筑物尺寸及特征水位

西里水電站的泄水建筑物有溢流壩和泄洪排沙洞，溢流壩為三圓弧曲線實用堰，溢流壩堰頂高程為791.10m，河床高程為774.50m，選擇3種不同的溢流堰長度進行比較，分別為63.2、75.2和88.8m。泄洪排沙洞為2孔，壩長110m，閘底板高程為774.80m，孔口尺寸為4.5m×4.5m。選擇3種不同的組合進行洪水調(diào)節(jié)，方案一：泄洪排沙洞和63.2m溢流堰組合；方案二：泄洪排沙洞和75.2m溢流堰組合；方案三：泄洪排沙洞和88.8m溢流堰組合。各泄水建筑物泄量曲線見表4。水位庫容、水位面積曲線見表5。

表4 泄量曲線表

表5 水位-庫容、水位-面積曲線表

根據(jù)上述洪水調(diào)節(jié)成果可知，在相同汛限水位的情況下，溢流壩由63.2m變?yōu)?8.8m，校核洪水位僅下降0.99m，設(shè)計洪水位下降0.57m，對大壩高度影響不大，壩體工程投資相差不大，淹沒高度相差0.57m，淹沒范圍及投資不變，壩軸處河床寬度較窄，結(jié)合工程布置選擇63.2m溢流壩。針對兩種不同的汛限水位，789.60m較791.10m汛期發(fā)電水位降低1.5m，發(fā)電量減少，但壩高結(jié)合公路路面布置差別大，所以選擇791.10m為汛限水位。

綜上所述，西里水電站的泄水建筑物為長63.2m，頂高程為791.1m的溢流壩和2孔底高程為774.8m，孔口尺寸為4.5m×4.5m的泄洪排沙洞。汛期限制水位為791.10m，設(shè)計洪水位為794.58m，泄洪排沙洞設(shè)計泄量為817m3/s，溢流壩設(shè)計泄量為815.4m3/s，對應(yīng)下游777.03m；校核洪水位為797.06m，泄洪排沙洞校核泄量為885.6m3/s，溢流壩校核泄量為1906.1m3/s，對應(yīng)下游水位777.92m。

2.2.2徑流調(diào)節(jié)及能量指標(biāo)

本電站建成后，將并網(wǎng)運行，在電網(wǎng)中所占的比重不大，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，設(shè)計保證率為75%。其水能計算采用豐、平、枯三個代表年的日平均流量資料。選擇的三個代表年分別為：豐水年為1962年，頻率為10%；平水年為1990年，頻率為50%；枯水年為1992年，頻率為90%。由三個典型年的日平均流量資料計算日均流量保證曲線。該電站的設(shè)計水頭為16.41m，出力系數(shù)取8.5，75%設(shè)計保證流量為1.55m3/s，保證出力為217kW。水能計算成果見表6。

表6 西里水電站水能計算表

2.2.3水庫水位選擇

2.2.3.1水庫正常蓄水位

(1)上下游工程的影響

西里水電站郎寨壩址，位于安澤縣城南3.5km的馬壁鄉(xiāng)郎寨村東，壩址處河床高程為774.5m，該段河道縱坡為3.4‰，壩址以上流域面積為3936km2。根據(jù)《沁河流域修訂規(guī)劃》在該壩址的上游安澤縣城以北6km擬建有馬連圪塔水庫，壩址處河床高程為852.19m，下游在沁水縣境內(nèi)規(guī)劃有張峰水庫，壩址處河床高程為697.7m，設(shè)計正常蓄水位為764.30m，最高洪水位為766.72m。由此可知本工程的興建，對上游馬連圪塔水庫的泄水不產(chǎn)生影響，下游的張峰水庫最高洪水位也低于本站電站發(fā)電的最低尾水位，對本站水輪機運行不產(chǎn)生影響。

(2)確立正常蓄水位的條件

①工程地質(zhì)。壩址處為U型河谷隘口，兩岸為不對稱的巖質(zhì)邊坡，左岸較緩，右岸較陡，河床底寬107m，壩址上游庫區(qū)兩岸沒發(fā)現(xiàn)大的透水層，蓄水后不會產(chǎn)生大的滲漏，因此，正常蓄水位高低變化受地質(zhì)條件的影響很小。

②綜合利用。西里電站是一座以發(fā)電為目的的小(2)型電站，它無灌溉與供水功能，對下游的防洪也無太大的作用，且沁河上無船舶通行的要求，由此得出正常蓄水位的確定，只考慮發(fā)電效益大小，不考慮水庫的其他功能。

③水庫區(qū)的淹沒情況。庫區(qū)兩岸的灘地，水土肥沃，大部分為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田，均是安澤縣主要產(chǎn)糧地，農(nóng)業(yè)又是當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)優(yōu)勢，故正常蓄水位的選擇在滿足發(fā)電的情況下，應(yīng)以淹沒兩岸灘地最少為原則。

由上所述，正常蓄水位的確定，不受壩址及庫區(qū)地質(zhì)與綜合利用的影響，主要受庫區(qū)土地淹沒因素的影響，據(jù)此擬定791.10m和795.00m兩個水位高程，作為選擇正常蓄水位的比較方案。

2.2.3.2正常蓄水位的確定

根據(jù)對791.10m與795.00m兩個正常蓄水位方案的淹沒情況調(diào)查分析，當(dāng)水庫蓄水位為791.10m時，淹沒公路250m，無遷移人口；當(dāng)水庫蓄水位795.00m時，淹沒耕地450畝，淹沒公路700m，遷移人口280人。經(jīng)估算，水庫水位795.00m時的淹沒損失約為水庫水位791.10m的淹沒損失的7倍還多。故正常蓄水位定為791.10m。

2.2.4死水位的確定

根據(jù)確定的正常蓄水位791.10m進行計算，該水位以下的庫容216萬m3，壩前最大水深為16.52m。由于本水庫只有發(fā)電功能，故死水位的確定應(yīng)滿足發(fā)電所需要的條件與庫內(nèi)泥砂淤積。據(jù)此確定的水輪機壓力管道進口底高程為784.0m，頂高程為786.9m，根據(jù)規(guī)范GB 50071—2009《小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》第5.5.4條之規(guī)定，確定死水位為787.90m。

2.3 裝機容量及日調(diào)節(jié)池容量的確定

2.3.1裝機容量

根據(jù)安澤縣有關(guān)部門要求，本電站供電范圍初步擬定為全縣，其運行方式為與當(dāng)?shù)鼗痣婋娋W(wǎng)并網(wǎng)，并以調(diào)峰為主。根據(jù)所調(diào)整的全縣目前電力負荷峰谷差情況以及本電站條件，可研階段確定的裝機容量3×800kW已批復(fù)。本次設(shè)計裝機容量定為2400kW。

2.3.2日調(diào)節(jié)池容量

日調(diào)節(jié)庫容按下式計算：

v=kq(24-t)×0.36

(4)

式中，v—日調(diào)節(jié)庫容，萬m3；q—壩址河道來水流量，m3/s，此處50%河道日流量為4.50m3/s；t—每天集中放水發(fā)電調(diào)峰時間，初步擬定為每天6h(下午5～11時)；k—加大系數(shù)，取1.3。

經(jīng)計算，需要的庫容v=38萬m3。

按照本次設(shè)計成果，壩頂高程為791.10m，其壩前水庫調(diào)節(jié)庫容為58.8萬m3，完全可滿足日調(diào)節(jié)庫容需要。

2.3.3電站運行方式

西里水電站裝機容量為2400kW，其裝機臺數(shù)根據(jù)規(guī)范GBJ 71—84《小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》第2.3.8條，既不宜過多(管理復(fù)雜，造價高)，又不宜過少(一旦機組檢修，損失較大)的原則，推薦3臺800kW容量的方案。

當(dāng)來水日均流量不小于4.88m3/s時，晚上3臺機組同時調(diào)峰發(fā)電6h，其他時間視用電負荷及來水量情況，可開動1～3臺機組作基荷發(fā)電。經(jīng)計算，3臺機組在同時調(diào)峰發(fā)電6h的情況下，利用水量為43萬m3，調(diào)節(jié)庫容完全滿足要求。

當(dāng)來水日均流量小于4.88m3/s流量時，晚上調(diào)峰發(fā)電可開動1～3臺機組，而其他時間開動1臺或停機。

根據(jù)選定的機組及運行方式對豐、平、枯三個典型年逐日調(diào)節(jié)計算，計算結(jié)果見表7。

表7 典型年逐日調(diào)節(jié)計算成果表

由表7可知，西里電站多年平均發(fā)電量為706萬kW·h，調(diào)峰電量為337萬kW·h。

3 結(jié)論

西里水電站主要承擔(dān)發(fā)電、防洪作用。通過收集流域范圍內(nèi)安澤縣的用電現(xiàn)狀，預(yù)測用電負荷量，綜合考慮確定西里水電站裝機容量為2400kW。通過分析，水電站壩址處存在滲漏較大的現(xiàn)象，需要進行防滲處理。通過3種方案比選，確定水電站采用63.2m長溢流壩，791.10m汛限水位。根據(jù)水電站發(fā)電、防洪需求，對水電站日常運行進行簡單規(guī)劃設(shè)計，可為類似工程提供參考。