哈密石城子一級水電站裝機方案分析

□朱蘇秦（新疆哈密地區石城子水系流域管理總站）

石城子水庫是一座以灌溉為主，兼顧防洪的綜合中型水利工程，多年平均徑流量為8331萬m3，總庫容1945.50萬m3，有效庫容1794.60萬m3。目前控灌面積約2萬hm2，并擔負著下游哈密市區24.63萬人生命財產的防洪保安任務。

根據哈密地區礦產資源得天獨后的特點，開發當地的水能資源，既支援區外缺能地區經濟建設，又可振興地方經濟。石城子一級水電站是哈密石城子河流域規劃的三級開發自上而下的第一級，建成后可實現水資源的綜合利用，改變哈密電網的電源結構，同時可增加當地的就業機會，拉動相關產業的快速發展，增加財政收入，改善投資環境，對維護少數民族地區政治穩定，加強民族團結具有重要意義。

1 工程建設的必要性

1.1 修建石城子一級水電站符合哈密地區電力發展要求

哈密地區能源資源構成具有煤多、水少的特點，其電源裝機中77.2%為火電，21.9%為風電，僅有0.87%為水電，截至2012年，哈密電源建設以火電為主，風電為輔，具有調節能力的水電裝機容量僅極少，具有調峰能力的水力資源開發潛力極大，開發水電是必然趨勢。按照自治區政府的水電產業發展規劃，預計2015年新疆電網的發電裝機容量將達到千萬kW級，其中水電裝機容量達到百萬kW級，實現向區外送電的目標。

1.2 修建石城子一級水電站是石城子河流域綜合開發的需要

石城子河徑流穩定，河段比降大，落差集中。規劃推薦的近期工程石城子一級水電站工程區具有較好地形地質條件，開發技術難度小，淹沒及環境影響較小，對外交通較為方便。石城子一級水電站裝機規模小，開發目標單一，具有工期短、投資少、見效快、技術經濟指標優越等特點，是哈密市近期開發較理想的電源點。

1.3 修建石城子一級水電站是確保工程安全和供電安全的需要

當前極端氣候頻發，對電網安全構成嚴重威脅，需要采取措施，確保工程安全和人民生命財產安全。小水電具有“分散分布、就地開發、就近供電、啟閉迅速”等特點，在應對自然災害和電網事故中具有充當應急電源、保障應急救災電力供應、提高電網調度能力等重要作用。

2 水利動能計算

2.1 徑流

石城子水庫上游設有2處國家基本水文站，具有54年（1956-2009年）長系列水文實測資料，觀測資料均通過自治區水文水資源局審查，資料精度可靠。2個水文站距石城子水庫4～7 km，區間無較大支流匯入。因此，可直接采用2個站還原后的54 a的天然年徑流系列計算出石城子水庫多年平均入庫徑流量，為0.82億m3。

石城子河屬于冰雪消融水和夏季降雨混合水補給的混合型河流。徑流的年內分配不均。全年徑流主要集中在汛期4-9月份，其徑流量占年徑流量的80%。其中，春汛發生在4-5月份，夏汛發生在7-8月份，所占比例也不相同，10月至次年3月份，氣溫逐漸降低，水量也隨著逐漸減少。

2.2 生態用水

石城子河為典型的高山峽谷型河流，石城子河一級水電站開發河段海拔較高且山高坡陡，無農田分布，無灌溉供水要求。石城子河一級水電站采用引水式開發，在石城子河干流電站壩、廠址之間形成約720 m的減水河段。為維持水生生態系統穩定和稀釋凈化所需，考慮在壩址處下泄生態流量，其生態流量按石城子河水庫壩址處多年平均流量的10%下泄，即0.26 m3/s。

2.3 水能計算

2.3.1 發電流量

工程依托已建成運行的石城子水庫取水發電，規劃修建的石城子一級水電站必須首先滿足水庫灌溉和防洪要求。鑒于此，石城子一級水電站發電設計流量主要依據1982-2007年石城子水庫放水資料，遵循不棄水或少棄水的原則，經計算分析來確定電站設計發電流量。

2.3.2 電站運行方式

根據水庫防洪、灌溉要求，石城子水庫的運行方式為：水庫11月1日開始從死水位蓄水，3月31日達到正常蓄水位，該時段內水庫不放水；4-6月根據灌溉要求放水，7-8月由于灌溉需要量減少，水庫蓄一部分水，9-10月根據灌溉要求放水，水庫水位在10月底到達死水位。

電站直接從石城子水庫取水發電，該電站上游水位的變化與石城子水庫水位變化一致。其發電時間與水庫的放水時間相同，即每年4-10月發電，其他時間水庫蓄水，電站不發電。

2.3.3 發電額定水頭擬定

石城子一級水電站正常水位的擬定依據水庫運行調度方式。根據演算，最高發電水頭83 m，對應的水庫水位為1403 m，最低發電水頭為40 m，對應的水庫水位為1360 m。由于電站具有年調節能力，石城子一級電站的水頭變化主要由水庫灌溉和防洪運行調度要求引起，為保證電站能夠穩定運行，參照類似電站設計經驗，石城子一級電站額定水頭按電站最大最小水頭的加權平均值初選65 m。額定水頭為65 m，對應的水庫水位為1385 m。

2.3.4 多年平均發電量計算

按照水庫運行方式，采用水庫1997-2007年逐月放水過程（扣除下泄生態流量）和月平均水位進行調節計算，來得出不同裝機規模情況下的多年平均發電量。

3 裝機容量確定

3.1 設計保證率

石城子一級水電站裝機容量0.50萬kW，按水利動能設計規范，考慮電站的前期工作條件和施工工期安排，電站規模以及新疆電網負荷發展需要等綜合分析，石城子一級水電站的設計水平年采用2015年。

新疆電力系統火電比重大，但本電站裝機規模在水電系統中所占比重較大。根據本電站設計水平年系統中電源構成和水利動能設計規范，石城子一級水電站的設計保證率采用90%。

3.2 裝機容量方案比較

此電站是在已建水庫滿足灌溉和防洪要求的條件下選定裝機容量，據此，選擇裝機4 MW、5 MW3個裝機容量方案進行技術經濟比較。各方案動能經濟指標見表1。

從表1的比較可以得出，方案Ⅰ與方案Ⅱ比，總投資少292.60萬元，設備年利用小時較高，而作為主要經濟指標的單位電能投資，兩者比較接近，但單位千瓦投資較高，每年棄水量大；方案Ⅱ雖然總投資較大，年利用小時略低，單位電能投資略高，但多年平均發電量較方案Ⅰ增加117萬kW·h，且沒有棄水，水資源得到充分利用。

表1 石城子一級水電站裝機容量方案動能經濟指標表

綜上所述，方案Ⅱ總投資規模適當，在滿足石城子水庫灌溉和防洪要求情況下沒有棄水，水能資源利用較充分，主要經濟指標比較優越。因此綜合分析確定采用裝機5 MW方案。

4 機組臺數與機型確定

4.1 機組臺數確定

在已確定電站裝機容量為5 MW情況下，電站裝機臺數的多少將會影響到機組的結構尺寸、電站的運行靈活、電站的平均效率，提高電站的平均效率和發電量。根據裝機容量、廠址的地形地質條件、樞紐布置要求，電站運行靈活性和運輸條件等因素，擬定了2臺和3臺方案進行動能經濟比較。表2為石城子一級電站裝機臺數比較表。

表2 電站裝機臺數比較表

從以上比較可以得出：①兩臺裝機方案的水輪發電機組及主廠房土建投資均低于三臺機組方案。②兩臺機組方案的綜合效率高于三臺機組方案。③兩種方案都能較靈活運行，三臺機組方案，機組發生故障對系統的影響較小，檢修也較容易安排，其缺點是運行所需的人員增加，運行費用增加。④三臺機組方案機組的容量和尺寸較小，重量較輕，行車的噸位減小，造價降低，設備的加工制作和運輸條件較好，但由于本電站的裝機規模較小，對制造、運輸和裝機臺數的影響不大。

綜合電站的投資，能量指標，機組運行和廠區布置等因素，這個階段推薦兩臺機組方案。

4.2 機型選擇

根據水文、動能及電站的基本參數資料分析，本電站水頭范圍在40～83 m之間，設計水頭65 m，電站設計流量為8.34 m3/s，本電站應選用混流式機型。根據收集目前制造廠家的機型資料，初步選擇以下較優的機型進行比較，機型模型參數比較見表3。

表3 水輪機轉輪模型參數比較表

從表3比較來看，HLA722C較優于其他幾個轉輪，故這個階段推薦使用HLA722C轉輪。

確定水輪機型號為HLA722C-WJ-84，配套發電機型號為SFW2500-8/1730，調速器型號為GBWT-1800-16。

5 結語

小型水電站裝機方案的確定直接關系到電站投資、發電量和調度運行方式。文章通過對哈密石城子一級水電站水能分析，經過多方案技術經濟比較確定電站裝機規模、機組臺數和機型。在確保不影響水庫灌溉功能和河道生態的前提下，充分利用水能資源，實現流域水資源的合理有效利用。目前該項目可研報告已經哈密地區發改委核準備案，計劃于2012年5月開工建設，2013年6月竣工發電。