砬子沟水电站扩容改造主要工程方案比选分析

(丹东市水利勘测设计研究院，辽宁 丹东 118000)

我国水能资源位居世界第一，各类型水力发电工程在我国有广泛分布。水电工程在区域防洪发电、水资源调节、渔业养殖等方面均起着重要作用，但同时也具有投资规模大、技术要求高、社会影响广泛等特点，其核心工程方案的优劣会直接影响工程的经济社会效益甚至成败，因此，在设计阶段必须进行严格对比和可行性分析。

1 工程概况

砬子沟水电站位于丹东市宽甸县古楼子乡砬子沟村的蒲石河上，是以发电为主的水利枢纽工程。原砬子沟水电站发电机容量仅为250kW，引用流量5.7m3/s。2012年相关部门决定进行扩容改造，设计将装机容量扩大到2640kW。由于部分挡水建筑物高度小于15m，并且上下游水头差小于10m，因此，该水电站水工建筑防洪标准按平原区、滨海区确定，工程等别为Ⅳ等。考虑到本工程无下游防洪要求，主要建筑物按10年一遇洪水设计、50年一遇洪水校核。

2 水电站工程正常蓄水位方案选择分析

鉴于本次改造工程主要目的为增加发电量，因此，在正常蓄水位选择时遵循以下原则：首要考虑电能规划要求，尽可能多地开发水能资源[1]；注重与上游水电站的梯级衔接，并充分考虑上游淹没问题；在技术上安全可靠，经济上合理可行，管理运行上方便[2]。

2.1 初步拟定正常蓄水位

2.1.1 上游水电站梯级影响

砬子沟水电站上游4.10km处为小孤山水电站的尾水出口，该电站的单机尾水位为44.37m，4台机组全开时，尾水位达到44.81m。在遵循上述原则的前提下，结合砬子沟水电站坝址地形、地质条件，拟定三个正常蓄水位：42.00m(方案一)、42.50m(方案二)、43.00m(方案三)。

2.1.2 淹没影响

淹没是影响水库正常蓄水位选择的重要因素之一，与工程造价直接相关。根据调查，本工程涉及淹没的实物量均在上游抽水蓄能电站原有征地及河道范围之内，不涉及移民及耕地，因此不用考虑这部分内容。

2.2 三种正常蓄水位方案比选分析

对上述三个方案从工程造价、梯级能量指标、上下游影响等方面进行对比分析，结果见表1。由于本工程正常蓄水位的选择需考虑上游电站影响，因此在比较时不考虑对上游电站的补偿，此外经济评价统一采用“差额投资内部收益率法”进行定量分析。

正常蓄水位越低，总投资越低，但是获得的效益相应也越小。从42.00m升至42.50m时，单位补充电能投资为3.74万元/(kW·h)，从42.50m升至43.00m时，单位补充电能投资飙升至9.54万元/(kW·h)，因此从静态经济指标上分析出方案三投资过大。

表1 三个正常蓄水位方案对比分析

方案一与方案二差额内部收益率为10.9%，大于现行社会折现率7.0%，方案二与方案三的差额内部收益率为6.4%，小于规定允许值，因此方案二经济指标较为优越。综合考虑，本项目推荐正常蓄水位为42.50m。

3 水电站工程装机容量方案选择分析

3.1 增加装机容量途径设计

本工程确定装机容量时，主要考虑尽可能增加发电量。因此，设计人员充分利用上游小孤山电站对径流的调节作用，减少砬子沟水电站汛期通过水量，增加枯水期通过水量，通过减少弃水来增加发电量。同时可使本电站避免汛期因水头降低而产生受阻出力，将水量利用率提高大约25%，可将原设计装机容量(2640kW)进一步扩大[3]。

3.2 装机容量方案比选分析

绘制砬子沟水电站出力—电能—保证率曲线(见图1)，由图1可知：随着出力增加，电能增幅较大范围在2500～3500kW。现初步拟选4台机组的三种不同装机方案(3000kW、3260kW、3500kW)进行比较(见表2)。

根据宽甸地区小水电经验，一般年利用小时数以控制在2500h左右为宜，因此方案一数据偏大，而方案二和方案三均较为合适，且水能指标均优于方案一；装机容量与年发电量、工程投资均成正比关系，但从3000kW增至3260kW，总投资多了47.53万元；从3260kW增至3500kW，总投资多了62.58万元，说明效益在减弱[4]；通过计算经济效益，方案一和方案二的差额内部回收率为11.63%，大于社会折现率7%；方案二和方案三的差额内部回收率为6.14%，小于社会折现率7%，说明方案三不可行[5-6]。

图1 砬子沟水电站出力—电能—保证率曲线

综上所述，无论从经济效益还是水能充分利用上分析，方案二均优于其他方案，因此，本工程推荐装机容量为3260kW，年发电量847万kW·h。

表2 三种不同装机方案对比

4 坝线位置方案选择分析

在本工程可行性研究阶段，技术人员在原坝线范围内做了大量地勘工作，对新坝线的位置设计了两个方案：方案Ⅰ位于原坝线下游约70m处；方案Ⅱ位于原坝线下游约100m处。下面对这两种方案进行对比分析。

4.1 地形和地质条件对比分析

4.1.1 地形条件比较

方案Ⅰ位置处河床宽度为16m，底高程34.78～34.98m，河床两侧为河漫滩，宽度70～80m，高程为35.26～37.54m。

方案Ⅱ位置处河床宽度为70m，底高程34.42～35.42m，河床两侧为河漫滩，宽度62～76m，高程为36.40～37.61m。

4.1.2 地质条件比较

两个方案位置距离较近，因此在整体上地质条件一致，部分参数存在一些差异(见表3)。

通过分析可知：两方案的地形条件一致，但方案Ⅱ的地质条件略好于方案Ⅰ，且方案Ⅱ两岸山体岩性较好，缩短了坝长；两方案基岩透水率大于5Lu的厚度差别较大，且方案Ⅰ右端分布有松散层，易产生绕渗[7]，从这方面考虑方案Ⅱ优于方案Ⅰ。

表3 坝线布置方案对比

4.2 对外交通对比分析

4.2.1 厂房对外交通

根据现场勘察，方案Ⅰ需将厂房设计在河道右岸，方案Ⅱ设计在河道左岸。方案Ⅰ进厂交通极为不便，需在右岸山岭上修建进厂路，难度大且占地多；方案Ⅱ进厂路可沿用现有村路，交通比较便利。

4.2.2 变电所并网

水库附近变电所位于河道左岸山上，由于方案Ⅰ厂房位于河道右岸，联网线路需要跨河并网，投资较高，且后期管理、维修也不便；方案Ⅱ则没有这个问题。

综上所述，从对外交通及拉线上考虑，方案Ⅱ要优于方案一。

4.3 工程总投资对比分析

通过概算得出：两种方案除尾水渠外主要建筑物工程量差别不大，但方案Ⅱ由于尾水渠较长，土石方开挖量大，所以从工程量考虑，方案Ⅰ优于方案Ⅱ。但由于方案Ⅰ还有进厂路及跨河并网等工程，直接造成投资飙升。

两种方案总投资对比见表4，可知方案Ⅱ较方案一节省了305.23万元，并且方案Ⅱ有利于后期的管理与维护，所以在此推荐方案Ⅱ作为坝线最终位置。

表4 不同方案工程投资对比(部分)

5 结 语

水电站工程项目技术复杂，需要考虑的因素很多，而且各因素之间存在紧密联系，对最终工程投资有着直接影响。本文通过对比分析，确定了砬子沟水电站扩容改造项目主要工程的最佳方案，为项目的顺利实施奠定了坚实基础。本项目通过后期对比分析，对可行性研究阶段的一些设计做出了修改，这也是优化设计的必要阶段。