桑皮勒水电站死水位选择研究<br/>——与上游米斯克尼水电站联合运行

桑皮勒水电站死水位选择研究
——与上游米斯克尼水电站联合运行

2023-10-23马涵玉

小水电 2023年5期

马涵玉

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830000)

0 引言

死水位是指水电站正常运用情况下允许消落的最低水位[1]。水电站的正常蓄水位确定后，即可进行死水位选择。正常蓄水位一定的情况下，随着死水位的降低，兴利库容相应增大，可以提高径流的利用程度，但水电站将在较低的平均水头工作；因此从能量效益来看，应进行方案比较，按照保证出力或年发电量最优原则，确定经济上最有利的死水位[2_3]。

1 项目背景

桑皮勒水电站位于龙头水库米斯克尼水电站下游，目前两电站正同步开展前期设计工作，以实现联合运行，优化工程投资，提高经济效益指标[6]。本次在桑皮勒水电站正常蓄水位已研究确定的情况下，对其死水位的选择进行分析研究。

2 方案拟定

2.1 拟定原则

(1)死水位的上限

对调节性能不大的水库，死水位上限应尽可能保证日调节所必须的库容。对调节性能较大的水库，死水位上限可考虑略高于具有最大年平均发电量所相应的死水位，应分析调节性能改变的临界死水位，当死水位抬高而改变了调节性能，经济指标明显不利时，死水位应以此为上限[7_8]。

(2)死水位的下限

死水位的下限应考虑综合利用部门的要求，不应低于灌溉、工业生活、发电等引水要求的高程；泥沙淤积对进水口高程的影响；不良地形地质条件如岸坡稳定对水库消落水位变幅的限制、进水口位置构造条件不好的高程限制；进水口闸门制造及启闭能力的限制[9_11]。

2.2 方案拟定

2.2.1 边界条件

(1)正常蓄水位

桑皮勒水电站死水位的选择研究在已研究确定的正常蓄水位2 635 m基础上进行。

(2)运行工况

桑皮勒水电站与上游龙头水库米斯克尼水电站同期建设、联合运行。

(3)水工布置

桑皮勒水库死水位以下，主要布置着发电引水洞、中孔泄洪洞及深孔泄洪冲沙洞。工程坝底高程2 524.4 m，深孔泄洪冲沙洞进口底板高程结合地形条件靠近河床布置，并考虑留有一定余度。深孔底板高程最低设置为2 550 m，深孔泄洪冲沙洞主要参与泄洪并保证发电洞进口“门前清”。根据工程经验，深孔底板高程低于发电洞底板高程约20 m时能形成漏斗，排沙效果较好。发电洞布置于深孔泄洪洞上方，发电洞进口底板高程应高于深孔泄洪冲沙洞底板高程，事故门孔口尺寸b×h=7.5 m×11.5 m，为有压洞。为使进水口在最低水位时保持有压流，不产生贯通式漏斗漩涡，需保持一定的淹没深度。经计算，水库死水位在发电洞底板高程以上20 m可满足淹没深度要求。因此，结合深孔泄洪冲沙洞和发电洞水工布置要求，死水位应不低于2 590 m。

(4)泥沙淤积

叶尔羌河是泥沙含量较大的河流，根据库鲁克栏干水文站的实测泥沙资料，桑皮勒水库坝址断面天然状态下多年平均输沙总量为2 416万t。考虑到桑皮勒水电站与龙头水库米斯克尼同期建设，米斯克尼水电站库容系数0.25，具有年调节性能，水库建成后将拦蓄大部分泥沙，可减少桑皮勒水电站的入库泥沙含量。考虑桑皮勒水电站按与米斯克尼联合运行工况进行设计，经泥沙淤积计算，由于米斯克尼水库的拦沙作用，大部分泥沙被米斯克尼水库拦截，降低了桑皮勒水库入库含沙量，减少了桑皮勒水库泥沙淤积量，水库泥沙淤积对死水位选择无制约因素。

2.2.2 方案拟定

本次以2 600 m作为桑皮勒水电站死水位下限，结合正常蓄水位2 635 m考虑留有一定调节库容作为桑皮勒水电站正常蓄水位上限。以水位间隔10 m拟定4组死水位，主电站装机容量按照装机年利用小时数相同进行方案考虑，拟定的4组方案如下：

方案1：正常蓄水位2 635 m、死水位2 600 m、主电站装机容量930 MW。

方案2：正常蓄水位2 635 m、死水位2 610 m、主电站装机容量930 MW。

方案3：正常蓄水位2 635 m、死水位2 620 m、主电站装机容量930 MW。

方案4：正常蓄水位2 635 m、死水位2 630 m、主电站装机容量930 MW。

3 各方案计算成果

桑皮勒水库具有不完全年调节能力，电站径流调节计算采用上游龙头水库米斯克尼1954年5月—2019年4月共65 a的长系列出库，叠加米斯克尼至桑皮勒区间径流，作为坝址断面入库径流；以月为时段，采用时历法，按等出力进行径流调节计算，计算成果如下：

方案1：总多年平均年发电量31.01亿kW·h，其中主厂房装机容量930 MW，多年平均年发电量29.11亿kW·h，装机年利用小时数3 130 h；生态机组厂房装机容量30 MW，多年平均年发电量1.90亿kW·h。

方案2：总多年平均年发电量31.05亿kW·h，其中主厂房装机容量930 MW，多年平均年发电量29.14亿kW·h，装机年利用小时数3 133 h；生态机组厂房装机容量30 MW，多年平均年发电量1.91亿kW·h。

方案3：总多年平均年发电量31.08亿kW·h，其中主厂房装机容量930 MW，多年平均年发电量29.16亿kW·h，装机年利用小时数3 135 h；生态机组厂房装机容量30 MW，多年平均年发电量1.92亿kW·h。

桑皮勒水电站不同死水位方案动能指标及工程投资成果如表1所示。

表1 不同死水位方案动能指标及工程投资成果表

4 各方案比较分析

(1)从调节性能分析

米斯克尼作为龙头水库，库容系数0.25，具有年调节性能，对叶尔羌河径流具有较强的调蓄能力。桑皮勒水电站与米斯克尼联合运行考虑，桑皮勒设置一定的调节库容可进一步调蓄径流，增加电站保证出力。4组死水位方案保证出力分别为178.0、174.5、170.8、165.0 MW；4组方案的保证出力差值分别为3.5、3.7、5.8 MW；随着死水位的抬高，保证出力逐步减小，保证出力的差值在逐步增大。

(2)从动能指标分析

随着水库死水位的抬高，电站加权平均水头增大，电站发电量也随之增大，即死水位从2 600 m抬高到2 630 m，主厂房多年平均年发电量从29.11亿kW·h增加到29.18亿kW·h，4组方案多年平均年发电量相差不大。由于本电站利用落差353 m，主要靠发电引水系统集中落差，死水位变化对电站加权平均水头影响较小，各方案间电量差值相差不大。

(3)从水工布置分析

挡水建筑物方面，各方案正常蓄水位不变，相应坝高相同。库水位消落深度分别为35、25、15、5 m，随着消落深度减小，面板受力状态变化越小，运行较有利；但各方案随死水位的抬高，不便于检修的面板面积相应增大，大坝上游盖重高度随之抬高，相应盖重及土料用量随之增大，但对投资增幅较小。

由图5可知，随着ZA质量浓度增大，DPPH自由基清除率明显增强。质量浓度为8 mg/mL时，玉米醇溶蛋白对DPPH自由基清除率为52%，玉米醇溶蛋白锌离子螯合物对DPPH自由基清除率为76%，显著高于未反应的玉米醇溶蛋白（p＜0.05）。

发电引水系统方面，发电引水洞进口在满足最小淹没水头情况下，随着死水位的递增而抬高，进口闸井、调压井高度相应变低，进口边坡问题、进口闸井结构及抗震问题相应减小，工程费用降低。洞身段采用钢筋混凝土衬砌，内水压力全部由钢筋混凝土承担，洞身底板高程随着死水位的递增而抬高，承担的内水压力呈递减趋势，工程费用降低。出口机组安装高程不变，压力钢管段斜井段长度随着死水位抬高而增加，工程量呈递增趋势。整个发电引水洞的工程量及投资随着死水位的抬高而降低。

泄水建筑物方面，深孔泄洪冲沙洞在满足下泄设计、校核洪水的情况下，为保证发电洞“门前清”，深孔放空冲沙洞与发电洞进口高程需要有一定高差，底板高程随死水位的递增而抬高，闸井高度相应变低，进口边坡问题、进口闸井结构及抗震问题相应减小，洞身长度递减，工程费用降低。

(4)从机组运行分析

4组死水位方案消落深度分别为35、25、15、5 m，分别占电站最大水头347 m的10.1%、7.2%、4.3%、1.4%，不同死水位方案消落深度占电站最大水头比重较小。4组死水位方案主厂房加权平均水头分别为338.5、339.0、339.5、339.8 m，相差不大。因此，4组死水位方案对机组运行方面无明显优劣。

(5)从工程投资分析

4组死水位方案相应工程静态总投资分别为851 571、840 968、832 198、825 023万元，死水位2 630 m方案工程总投资最小；主要原因是随着死水位的抬升，发电引水洞的底板高程也随着抬升，死水位2 630 m以上水温分层不明显，无需设置叠梁门等分层取水设施来缓解下泄低温水对下游鱼类生长繁殖的影响，从而主要节省了建筑工程、金属结构设备及安装工程大部分投资。

(6)从经济指标分析

4组死水位方案单位千瓦投资分别为8 871、8 760、8 669、8 594元/kW；单位电度投资分别为2.75、2.71、2.68、2.65元/kW·h；4组方案单位千瓦投资和单位电度投资指标均相差较小。4组死水位方案的经济内部收益率分别为13.61%、13.82%、14.0%、14.15%，均大于社会折现率(is=8%)，表明4组方案在经济上均是合理的；4组方案的经济净现值分别为327 557、349 008、344 016、349 797万元，其中死水位2 630 m方案经济净现值最大，说明该方案较其它方案优。因此，从经济指标上分析，方案4(2 630 m)相对较优。