彭穗萍

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 前言

引漢濟(jì)渭工程是解決陜西省關(guān)中地區(qū)水資源短缺，優(yōu)化全省水資源配置的關(guān)鍵性跨流域調(diào)水工程，工程調(diào)度運(yùn)行要求三河口水利樞紐壩后不僅要布置泵站抽漢江水量入支流三河口水庫(kù)調(diào)蓄，而且要布置電站利用供水發(fā)電進(jìn)行電能回收。基于調(diào)度要求，在機(jī)組具備抽水發(fā)電雙向運(yùn)行條件下，研究三河口水庫(kù)壩后電站機(jī)組抽水發(fā)電雙向運(yùn)行的可行性，對(duì)雙向機(jī)組裝機(jī)規(guī)模進(jìn)行論證。實(shí)現(xiàn)三河口水庫(kù)壩后泵站、電站聯(lián)合布置，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高效率，節(jié)能降耗，減少投資的目標(biāo)。

1 論證背景

1.1 引漢濟(jì)渭工程概況

陜西省引漢濟(jì)渭工程是從漢江流域調(diào)水至渭河流域關(guān)中地區(qū)，緩解關(guān)中地區(qū)水資源供需矛盾，促進(jìn)陜西省內(nèi)水資源優(yōu)化配置，改善渭河流域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)關(guān)中地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的大型Ⅰ等調(diào)水工程。工程建設(shè)任務(wù)向渭河沿岸重要城市、縣城、工業(yè)園區(qū)供水，逐步退還擠占的農(nóng)業(yè)與生態(tài)用水，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善。工程調(diào)水量近期10.0 億 m3，遠(yuǎn)期 15.0 億 m3。

調(diào)水工程主要由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和長(zhǎng)98.3 km的秦嶺輸水隧洞組成，工程總體布局在漢江干流興建黃金峽水庫(kù)及在其支流子午河興建三河口水庫(kù)為水源，在黃金峽水利樞紐壩后修建泵站，抽漢江干流水通過(guò)黃三段隧洞輸水至匯流池，所抽大部分水量直接由越嶺段隧洞送至渭河流域關(guān)中受水區(qū)，黃三段輸水流量大于關(guān)中用水流量的部分水量由三河口泵站抽入三河口水庫(kù)存蓄，當(dāng)黃三段輸水流量較小，不滿足關(guān)中受水區(qū)用水需求時(shí)，由三河口水庫(kù)放水補(bǔ)充，所放水經(jīng)壩后電站發(fā)電后進(jìn)入越嶺段隧洞送至關(guān)中受水區(qū)。

1.2 庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方式

引漢濟(jì)渭調(diào)水工程的水資源調(diào)度運(yùn)行是一項(xiàng)復(fù)雜、大系統(tǒng)、多目標(biāo)的決策問(wèn)題。系統(tǒng)內(nèi)各調(diào)蓄工程的任務(wù)不同，興利目標(biāo)眾多，各目標(biāo)的供水保證率又有較大差異[1]。

基于調(diào)水要求，建立供水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖[2]，進(jìn)行四水源庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度，庫(kù)群調(diào)度方式為:調(diào)水區(qū)以三河口水庫(kù)為中心，黃金峽水庫(kù)為補(bǔ)償，調(diào)度目標(biāo)盡量充分利用允許可調(diào)水量，通過(guò)三河口水庫(kù)進(jìn)行多年調(diào)節(jié)，黃金峽水庫(kù)進(jìn)行年調(diào)節(jié)，減少年內(nèi)年際供水差別，提高枯水年調(diào)水量；受水區(qū)以黑河金盆水庫(kù)調(diào)度線實(shí)現(xiàn)黑河水庫(kù)和地下水供水的聯(lián)合運(yùn)用，進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，黑河水庫(kù)解決年際不均勻的缺水過(guò)程，地下水主要解決年內(nèi)不均勻的缺水過(guò)程[3]。

庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度要求三河口水庫(kù)不僅要調(diào)蓄本流域年內(nèi)年際的水量，而且還具有調(diào)蓄漢江干流年內(nèi)水量的能力。

2 壩后電站雙向機(jī)組可行性研究

2.1 水庫(kù)雙向運(yùn)行條件

引漢濟(jì)渭工程四水源庫(kù)群聯(lián)合調(diào)節(jié)，確定了黃金峽壩后泵站自庫(kù)區(qū)提水，入黃三段和越嶺段隧洞輸水至黑河金盆水庫(kù)下游的黃池溝；當(dāng)黃金峽泵站抽水流量小于受水區(qū)需水要求時(shí)，由三河口水利樞紐壩后電站發(fā)電后，通過(guò)連接洞補(bǔ)充供水至越嶺段隧洞；當(dāng)黃金峽泵站抽水流量大于受水區(qū)需水要求時(shí)，富余的水量通過(guò)連接洞由三河口泵站抽水入三河口水庫(kù)存蓄。

庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方式，三河口水庫(kù)供水發(fā)電時(shí)泵站不抽水，泵站抽水時(shí)不供水發(fā)電；供水發(fā)電、泵站抽水工作時(shí)間不同步，水庫(kù)具有供水發(fā)電與泵站抽水雙向運(yùn)行的基礎(chǔ)條件。

2.2 壩后連接洞設(shè)計(jì)特點(diǎn)

三河口水庫(kù)抽水、供水運(yùn)行的特點(diǎn)，要完成抽水、供水任務(wù)，需在水庫(kù)壩后修建泵站，提水入庫(kù)，利用水庫(kù)供水建電站發(fā)電、回收水能資源。

水庫(kù)實(shí)現(xiàn)雙向供水的工程設(shè)置:

1）修建秦嶺輸水隧洞的連接洞，需具有雙向輸水功能，連接洞縱向底坡i=0，與主洞銜接處節(jié)點(diǎn)高程642.65 m相同。

2）連接洞需同時(shí)聯(lián)通三河口水庫(kù)壩后電站與泵站。

連接洞向三河口水庫(kù)抽水時(shí)設(shè)計(jì)流量為18 m3/s；向越嶺段隧洞供水時(shí)，利用供水流量、泄放的生態(tài)流量和下泄水量進(jìn)行發(fā)電，設(shè)計(jì)發(fā)電流量為72.7 m3/s。

2.3 雙向機(jī)組研究目的

庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方式要求，三河口水庫(kù)要完成抽水、供水任務(wù)，需修建泵站、電站工程措施，這就提出泵站、電站可否合二為一，雙向機(jī)組裝機(jī)容量論證的課題。在完成供水與抽水雙向任務(wù)情況下，達(dá)到有效回收水能資源、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)、便利運(yùn)行管理的目的，為項(xiàng)目進(jìn)行科技研發(fā)、提升設(shè)計(jì)水平，提供規(guī)劃依據(jù)與技術(shù)支撐。

3 電站雙向機(jī)組裝機(jī)規(guī)模論證

3.1 泵站裝機(jī)規(guī)模確定

三河口水利樞紐是以供水為主，結(jié)合發(fā)電，先確定壩后供水泵站裝機(jī)規(guī)模。

3.1.1 運(yùn)行方式

在引漢濟(jì)渭工程聯(lián)合調(diào)度要求三河口水庫(kù)運(yùn)行方式基礎(chǔ)上，確定壩后泵站運(yùn)行方式為:在滿足三河口水庫(kù)下游用水與工程防洪條件下，水庫(kù)水位在防棄水線之上，泵站不抽水；在防棄水線之下，泵站抽取黃金峽泵站抽水量大于受水區(qū)需水要求的多余水量，抽入水庫(kù)存蓄備用；泵站單機(jī)抽水流量與黃金峽泵站單機(jī)抽水流量需進(jìn)行合理匹配。

3.1.2 裝機(jī)規(guī)模

引漢濟(jì)渭工程四水源庫(kù)群調(diào)度計(jì)算結(jié)果，選定泵站特征揚(yáng)程為:最大凈揚(yáng)程93.96 m，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程91.08 m，最小凈揚(yáng)程29.8 m，結(jié)合三河口泵站單機(jī)抽水流量需與黃金峽泵站單機(jī)抽水流量進(jìn)行合理匹配的要求，選擇2臺(tái)機(jī)組，單機(jī)抽水流量為9 m3/s，相應(yīng)配套電機(jī)功率12 MW，確定泵站總裝機(jī)功率24 MW。

3.2 電站裝機(jī)規(guī)模確定

3.2.1 運(yùn)行方式

在三河口水庫(kù)運(yùn)行方式基礎(chǔ)上，確定壩后電站運(yùn)行方式遵循“一水多用，先用后耗”的原則。電站利用水庫(kù)供水、下泄水量以及水庫(kù)與電站尾水之間的落差進(jìn)行發(fā)電；結(jié)合機(jī)組的適應(yīng)性，在正常蓄水位與水位593 m之間，按水庫(kù)供水與下泄水量進(jìn)行發(fā)電；水位在593 m以下，電站不發(fā)電；泵站抽水時(shí)，電站不發(fā)電；依據(jù)水庫(kù)壩址長(zhǎng)系列逐旬資料，進(jìn)行電站的動(dòng)能計(jì)算。

3.2.2 常規(guī)機(jī)組裝機(jī)容量

泵站電站分開(kāi)布置方式為泵站前池、2臺(tái)機(jī)組、廠房、出水管道自成體系；電站進(jìn)水管道、機(jī)組、廠房、尾水池也自成體系，發(fā)電流量為72.7 m3/s。

由于水庫(kù)消落深度較大，在發(fā)電水頭小于50 m，發(fā)電流量小于15 m3/s時(shí)，出力受阻。

以調(diào)水過(guò)程為基礎(chǔ)，受發(fā)電流量72.7 m3/s的限制，最大發(fā)電出力為56 MW。

在供水工況，結(jié)合發(fā)電水頭變化，機(jī)組按3臺(tái)考慮，相同條件下進(jìn)行不同裝機(jī)容量的長(zhǎng)系列計(jì)算，不同方案動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見(jiàn)表1。

表1 不同布置方式不同裝機(jī)容量動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

經(jīng)論證，確定三河口水庫(kù)壩后泵站與電站分開(kāi)布置的電站裝機(jī)容量為45 MW。

3.3 可逆機(jī)組裝機(jī)容量

發(fā)電與抽水管道的布置方式為共用一個(gè)進(jìn)口與管身段，管道的設(shè)計(jì)流量為72.7 m3/s，抽水機(jī)組也可以進(jìn)行發(fā)電，抽水廠房與發(fā)電廠房有機(jī)合并為一個(gè)廠房。

可逆式機(jī)組的裝機(jī)是根據(jù)主要任務(wù)的抽水功能確定的，在不抽水時(shí)，可進(jìn)行發(fā)電。

可逆機(jī)組泵工況的抽水流量為18 m3/s，選2臺(tái)單機(jī)12 MW的機(jī)組可滿足抽水任務(wù)。

經(jīng)論證，在管道設(shè)計(jì)流量為72.7 m3/s情況下，扣除可逆機(jī)組發(fā)電18 m3/s后，還有54.7 m3/s流量需要常規(guī)機(jī)組發(fā)電，進(jìn)行回收電能設(shè)計(jì)。剩余54.7 m3/s的流量，按三河口高位發(fā)電水頭100 m，常規(guī)機(jī)組出力估算為45 MW。

常規(guī)機(jī)組在發(fā)電水頭小于50 m，發(fā)電流量小于12.5 m3/s時(shí)，出力受阻；可逆機(jī)組在發(fā)電水頭小于65 m，發(fā)電流量小于6 m3/s時(shí)，出力受阻。

在確定可逆式機(jī)組為2臺(tái)，結(jié)合發(fā)電水頭變化，常規(guī)機(jī)組按2臺(tái)考慮，在相同條件下進(jìn)行不同裝機(jī)容量的長(zhǎng)系列計(jì)算，不同方案動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見(jiàn)表1。

綜合電能回收、水資源利用、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)論證后，確定三河口水庫(kù)壩后泵站與電站聯(lián)合布置的電站裝機(jī)容量為60 MW，其中常規(guī)裝機(jī)容量為40 MW，可逆式機(jī)組裝機(jī)容量為20 MW。

3.4 雙向機(jī)組裝機(jī)容量確定

從泵站、電站工程的經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)化設(shè)計(jì)、科技含量等方面進(jìn)一步綜合論證，以確定經(jīng)濟(jì)合理的電站雙向機(jī)組裝機(jī)規(guī)模。綜合論證見(jiàn)表2、圖1、圖2。

表2 電站雙向機(jī)組裝機(jī)規(guī)模綜合論證表

圖1 泵站和電站分開(kāi)、聯(lián)合布置發(fā)電流量頻率曲線圖

圖2 泵站和電站分開(kāi)、聯(lián)合布置出力頻率曲線圖

從電能回收效益、工程投資、方案單位電能投資、科技創(chuàng)新等方面論證，推薦泵站、電站聯(lián)合布置方案，電站總裝機(jī)容量為60 MW，其中常規(guī)機(jī)組裝機(jī)容量為40 MW；可逆式機(jī)組發(fā)電工況裝機(jī)容量為20 MW，抽水工況裝機(jī)容量為24 MW。

4 結(jié)論

通過(guò)論證，得出如下結(jié)論:

1）引漢濟(jì)渭工程四水源庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度，確定了三河口水庫(kù)具有抽水時(shí)不發(fā)電、發(fā)電時(shí)不抽水、抽水與發(fā)電時(shí)段不同步、雙向運(yùn)行的特點(diǎn)。

2）雙向機(jī)組裝機(jī)，基于抽水與發(fā)電不同步的特點(diǎn)，在同一廠房中可逆式水泵機(jī)組和常規(guī)發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)成為可能性，利用水泵水輪機(jī)可逆式機(jī)組來(lái)適應(yīng)抽水和發(fā)電兩種功能，優(yōu)化工程布置、減少設(shè)備投入和土建工程量，在技術(shù)上是可行的。

3）雙向機(jī)組裝機(jī)容量確定，泵站、電站聯(lián)合布置，提高了水能利用，提升了工程設(shè)計(jì)理念，符合節(jié)能減排要求，方便工程運(yùn)行管理、減少工程投資，在經(jīng)濟(jì)上是合理的。