中偏尾部开发方式在洛宁抽水蓄能电站中的应用

2013-09-03雷谷峰童恩飞

水力发电 2013年9期

关键词：开发方式调压室洞室

赵路，雷谷峰，童恩飞

（中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南长沙 410014）

1 工程概况

洛宁抽水蓄能电站位于豫西的洛三济地区（即洛阳、三门峡、济源），该地区负荷增长较快，是全省除郑州以外的第二负荷中心。河南以火电为主的电网，需要有足够的抽水蓄能电源来帮助实现降低煤耗、减少废气排放的目标，建设洛宁抽水蓄能电站是十分必要的。

工程区位于熊耳山北坡洛河右岸一级支流白马涧及其右岸一级支流大鱼沟上。北临洛河河谷，区内地形切割强烈，地形起伏大。工程场区出露的基岩地层主要为燕山晚期花岗岩类侵入岩体，第四系松散地层主要为冲洪积、残坡积、崩坡积等作用形成的堆积物。

洛宁抽水蓄能电站预可研阶段总装机容量1 200 MW，由4台300 MW的可逆式水泵水轮电动发电机组组成，额定水头590 m，最大水头652 m，输水线路水平距离大于4 200 m。上水库正常蓄水位1 220.00 m，上水库库容约695万m3，挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，最大坝高76 m；下水库正常蓄水位614.00 m，下水库库容约687万m3，挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，最大坝高107.5 m。工程等别为一等，规模为大（1）型。

洛宁抽水蓄能电站最大水头高，输水线路水平距离长，如何在保证工程运行安全、稳定的前提下，减少工程投资，是该工程需要解决的难点。本文主要对中部式、中偏尾部式、尾部式开发方式进行方案比选。

2 开发方式选择

2.1 方案拟定

根据地下厂房在输水系统的位置，厂房布置形式一般可分为尾部式、中部式、首部式3种。由于本工程首部式开发方案，除引水系统较短具有一定优势之外，其辅助洞室长度、出线、施工支洞长度均明显长于中部与尾部方案，工程量大，通风与施工条件差，运行管理不便，工程投资高，洞室埋深大，地应力较高，所以排除首部式方案。

厂房中部方案除出线较尾部方案长以外，其辅助洞室布置顺畅，输水系统钢衬长度短于尾部方案，厂区地质条件略优于尾部方案，地下厂房覆盖较深。尾部开发方案引水系统虽较长，但与中部开发方案相比，主要优势为出线较短，尾水隧洞可不设尾水调压井。综合考虑中部、尾部方案优缺点，制定了中偏尾部式方案，对此3种方案进行进一步比较。

中偏尾部方案确定的厂房位置，若往上游移，高压电缆洞、进厂交通洞、通风兼安全洞及高压电缆工程量均增大，而引水系统钢衬段不能缩短，投资将增加；若往下游移，钢衬段增加投资约26万元/m，高压电缆洞等节省投资约14万元/m，也不经济。故中偏尾部方案确定厂房位置原则上具有合理性。

2.2 输水系统布置

洛宁抽水蓄能电站地下厂房3种开发方式方案中，上、下水库进出水口位置和布置形式、主副厂房布置形式和尺寸、装机规模、机组安装高程、输水系统供水方式均相同。上水库进/出水口布置在大坝左坝肩，距离坝头约260 m，为侧式进/出水口；进/出水口底板高程1 169.20 m。下水库进/出水口布置在右岸，距离右坝脚线约420 m，为侧式进/出水口；进/出水口底板高程550.90 m。机组安装高程均为490.00 m。各方案中，输水隧洞各对应洞段的洞径均取相同，各方案立面布置见图1，输水系统参数比较见表1。

图1 开发方式比选方案输水发电系统纵剖面

表1 厂房开发方式比选输水系统参数比较

从表1可以看出，3个方案输水系统总长度相差很小，最大仅差18 m，输水线路长度引起的工程量和水头损失差别较小。引水系统的立面均采用二级斜井布置，随厂房位置的后移，引水隧洞长度逐渐变长，钢衬起点均始于引水中平洞，尾部式方案钢衬段长度比前两个方案长975 m。尾水隧洞钢衬段长度和岔洞形式相同，中部式方案的尾水系统最长，尾部式最短。对于输水系统布置，引水系统高内水压力段越短越好，中部式和中偏尾部方案较好，尾部式较差。

为满足过渡过程要求，3个方案均需设置调压室。在设置调压室之后，3个方案的Tw值分别为2.12、1.11 s和2.22 s，Ta/Tw分别为 3.80、7.26和3.63，均处于调速性能好的区域。3个方案的调节保证能力均能满足规范要求，但我国建成投产的几座大型抽蓄电站的Tw值基本都小于2.0，Ta/Tw基本都大于4.0[3]，只设一个调压室的中部式和尾部式方案调保参数不太理想。调节保证能力方面，中偏尾部的方案最优。

2.3 厂区布置

厂房布置位置不同，对主副厂房、主变洞、母线洞等主要洞室布置没有影响，主要影响厂房对外联系的辅助洞室的布置。因地形条件的限制，无论哪种布置方案，辅助洞室的进口位置都只能在下水库右岸的山脚附近选择。中部式方案因为埋深更大，故其地下厂房的进厂交通洞、通风兼安全洞等较中偏尾部式方案长约630 m。中部式高压电缆平洞长1 326.00 m，竖井高约113.30 m，连接线路总长约1 439.30 m，高压电缆长度过长，增大了电能损耗，较大幅度地增加了设备投资。

2.4 投资比较

对3种方案输水系统、厂房系统和一次电缆的投资进行比较（见表2）。从表2可以看出，相比其他两个方案，中偏尾部方案需多布置一个调压室，但压力钢管、厂房附属洞室和高压电缆等主要投资较优，故总投资最低，且调保参数最优。

表2 开发方式比选可比投资对比

综上，初选中偏尾部式厂房开发方式。

3 过渡过程计算

抽水蓄能电站机组较常规电站机组工况转换多，开、关机频繁，对调压井的运行稳定性要求相应也高，国内已建抽水蓄能电站大多采用单调压井，只有广州抽水蓄能和惠州抽水蓄能电站采用了上下游双调压室的布置，但其最大水头均低于560 m。而洛宁抽水蓄能电站最大水头高达652 m，如此高水头抽水蓄能电站设置双调压室在国内尚属首例。因此需通过过渡过程计算验证中偏尾部开发方式的可行性。

选用参数相近的西龙池机组特性曲线，采用水电水利规划设计总院和武汉大学共同开发的 “水电站水力过渡过程计算软件Topsys1.0”程序对①、②号机组组成的水力单元进行的水力过渡过程计算。拟将管道系统分成19段，其计算简图如图2所示，图中J16、J17分别代表①、②号机组，J3、J19分别代表上、下游调压室。

图2 洛宁抽水蓄能电站过渡过程计算示意

导叶的关闭和开启均采用直线规律。水轮机工况选用30 s直线关闭规律和30 s直线开启规律，水泵工况选用50 s直线关闭规律作为计算条件。导叶正常关闭时，不考虑球阀参与调节，导叶拒动时，球阀按先快后慢的60 s折线关闭（15-45-0.18）。计算结果见表3。

表3 过渡过程大波动计算极值统计

从表3可以看出，蜗壳末端最大动水压力水头为892.32 m，压力升高率22.2%，满足小于30%的限值要求；尾水管出口最小压力46.46 m，考虑计算误差（压力下降值10%）和涡流（净水头3.5%）修正后为17.45 m，仍满足不出现负压要求，其裕度较大；机组最大转速上升率27.64%，满足小于45%的要求。