五岳抽水蓄能電站輸水隧洞經濟洞徑分析

鄢軍軍，周鐵柱

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 前言

五岳抽水蓄能電站位于河南省信陽市光山縣境內，位于鄂豫電網聯絡線的東通道上，電站建成后主要服務于河南電網，在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相、緊急事故備用等任務。電站擬裝4 臺250 MW 的立軸可逆混流式機組，總裝機容量1000 MW。電站加權平均水頭238.3 m，額定水頭241.0 m。

輸水發電系統布置在上水庫東側雄厚山體中，地下廠房采用首部式。引水和尾水系統均采用兩洞四機布置、斜進正出廠房方案，輸水系統主要建筑物包括上水庫側式進/ 出水口、2 條引水主洞、2 個引水岔管、4 條引水支洞、4 條尾水支洞、1 個尾水閘門室(內設 4 個閘門井)、2 個尾水岔管、2 條尾水主洞、下水庫側式進/出水口，對應每條尾水主洞設置1個阻抗式調壓室。下水庫進/出水口與五岳水庫間采用進出水渠連接。除引水支洞和尾水支洞大部分采用鋼板襯砌外，其余洞段均采用鋼筋混凝土襯砌[1]。輸水隧洞總長度為2078.2 m，其中引水隧洞線路長度為621.7 m，尾水隧洞線路長度為1456.5 m。

1 洞徑比選方案擬定

通常輸水洞徑越大，水頭損失越小，電能損失越小，電站運行長期效益較優，但工程一次性投資較大；反之洞徑小則水頭損失大，電能損失大，長期效益較差，但工程一次性投資省。抽水蓄能電站的輸水隧洞經濟洞徑選擇，應根據地形、地質條件及電站的運行方式，并結合電站裝機容量、機組機型選擇等綜合分析，并通過技術經濟比較確定[2]。根據經濟流速估算和輸水隧洞地質條件及布置要求，本文共擬定了5 個洞徑比較方案，各方案引水主洞直徑、引水支洞直徑、尾水主洞直徑和尾水支洞直徑見表1。

表1 輸水系統各經濟洞徑方案表 單位：m

2 容量、電量損失計算

根據2025 年水平河南電力系統典型日模擬運行方式，五岳抽水蓄能電站一般在用電低谷時段 (夏季2：00～8：00，冬季1：00～7：00)作抽水填谷工況運行，日抽水歷時一般為6 h～7 h，在用電高峰時段(夏季12：00～13：00，16：00～18：00，20：00～23：00，冬季 11：00～13：00，18：00～22：00)作發電調峰工況運行。河南電網夏季季節性用電負荷比重較大，最高負荷出現在夏季7 月份，為系統裝機控制月份。由于五岳抽水蓄能電站下水庫利用已建的五岳水庫，該水庫為具有防洪、灌溉等綜合利用要求，根據多年運行數據統計，五岳水庫7 月份多年平均運行水位85.55 m。本次經濟洞徑選擇時采用上水庫從正常蓄水位347.50 m、下水庫從7 月多年平均水位85.55 m 開始放水發電作為初始工況進行容量、電量損失分析計算。

引水系統各經濟洞徑方案1#～4#機發電、抽水工況水頭損失方程見表2。

表2 輸水系統各經濟洞徑方案水頭損失方程

（1）容量損失計算。根據各洞徑比選方案水頭損失方程，對五岳抽水蓄能電站各輸水隧洞洞徑方案進行滿負荷連續發電運行模擬計算，根據發電水頭過程按機組限制出力線計算各方案發電工況的受阻容量。經分析，以滿發第3 h 平均受阻容量作為日調節運行的容量損失。

（2）電量損失計算。根據河南電網設計水平年2025 年五岳抽水蓄能電站各月典型日模擬運行發電出力和抽水入力過程，確定電站各時段相應的發電、抽水開機臺數，計算抽水工況、發電工況單臺機組流量和相應的水頭損失△H，根據△N=A×Q×△H 計算各時段的電量損失，從而求得各方案年發電量損失和抽水電量損失。各方案容量和電量損失計算成果見表3。

表3 引水系統各經濟洞徑方案容量、電量損失表

3 經濟洞徑確定

在同等滿足系統電力、電量需求的前提下，按年費用法進行比較。各方案費用包括設計電站、補充電站的投資和運行費用。各方案容量效益差由燃煤火電替代補充，火電投資按火電擴機情況下單位投資4100 元/kW 考慮，五岳抽水蓄能電站、補充火電 (不含燃料費) 年經營成本分別按其固定資產投資的2.5%、4.5%計；計算期取36 年，其中建設期6 年，正常運行期30 年，社會折現率取8%。輸水隧洞各經濟洞徑方案經濟比較計算成果見表4。

表4 輸水隧洞各洞徑方案經濟比較成果表

由工程投資可知，輸水隧洞洞徑越小，輸水系統建筑物及金屬結構設備工程量越少，工程投資越小。方案2、方案3、方案4、方案 5 比方案 1 投資分別多 1468 萬元、3853 萬元、6809 萬元和9238 萬元。

由表4 可知，各經濟洞徑方案年費用在596 萬元～951 萬元之間。其中，方案3 即主洞直徑8.0 m、支洞直徑5.2 m 年費用最低，為596 萬元。方案1、方案2、方案4 和方案5 年費用比方案 3 分別多 355 萬元、16 萬元、68 萬元和 41 萬元。

五岳抽水蓄能電站輸水系統地質條件較好，洞室穩定問題不大，從輸水系統結構布置和施工技術難度等方面各方案無較大差異，各方案均可行。從經濟指標看，方案3 年費用最小，經濟性較好。因此，本階段選擇洞徑方案3，即引水主洞直徑8.0 m，引水支洞直徑5.2 m，尾水支洞直徑6.0 m，尾水主洞直徑8.0 m。

4 結語

輸水隧洞是抽水蓄能電站的重要組成部分，其規模合理與否對電站的一次投資和運行效率影響較大，因此，選擇合理的洞徑十分重要。本文綜合考慮工程投資、容量電量損失，對各種運行工況下洞徑方案進行動能分析計算，以同等滿足電力系統需求為基礎，采用年費用現值最小法，選擇抽水蓄能電站經濟洞徑，可為同類工程參考借鑒。