超高水頭長(zhǎng)輸水系統(tǒng)抽水蓄能電站洞機(jī)組合研究

姚敏杰，李高會(huì)，余雪松，章夢(mèng)捷，仇為鑫

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

0 引言

某抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣天荒坪鎮(zhèn)境內(nèi)，電站上、下水庫(kù)水平距離約2.5 km，相對(duì)高差約710 m，共安裝6 臺(tái)單機(jī)容量350 MW、額定水頭710 m、蝸殼進(jìn)口動(dòng)水壓力高達(dá)1 105 m的可逆式水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量2 100 MW，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。通常，輸水系統(tǒng)有單洞單機(jī)、一洞六機(jī)、二洞六機(jī)、三洞六機(jī)等布置方式。本工程由于輸水洞線(xiàn)較長(zhǎng)，若采用單洞單機(jī)布置，雖然結(jié)構(gòu)尺寸小，但投資較大，施工強(qiáng)度高，總進(jìn)度較難保證；若采用一洞六機(jī)方案，自中平洞后采用鋼板襯砌，主洞鋼襯洞徑為6.8～8.4 m，在下平洞采用岔管分岔，共需5 個(gè)鋼岔管，鋼岔管規(guī)模大，HD值（水壓H×直徑D）高達(dá)7 922 m2，遠(yuǎn)高于目前國(guó)際上HD值最大的日本葛野川電站（4 740 m2），設(shè)計(jì)制造難度高，且機(jī)組運(yùn)行管理靈活性相對(duì)較差。因此，方案比較時(shí)，重點(diǎn)比較了三洞六機(jī)（方案一）和兩洞六機(jī)（方案二）兩種布置方式。

1 方案布置

三洞六機(jī)方案的三條引水隧洞采用不平行布置，軸線(xiàn)間距為32.0～47.0 m。上平段底坡為10%，經(jīng)平面轉(zhuǎn)彎后接傾角為58°的斜井，斜井上下高差約790 m。在550.0 m高程設(shè)置中平洞段，中平洞上游約442 m采用鋼筋混凝土襯砌，下游至廠(chǎng)房采用鋼板襯砌。在廠(chǎng)房前約60 m處的下平洞設(shè)引水鋼岔管，將引水隧洞分為六條引水鋼支管。引水鋼岔管采用“Y”形，分岔角均為75°。引水鋼支管長(zhǎng)67.6～74.9 m，以70°斜向進(jìn)入廠(chǎng)房與球閥連接。引水隧洞混凝土襯砌段直徑6.0 m，襯砌厚度0.5 m，鋼管直徑4.0～5.0 m，襯砌厚度0.7 m。鋼岔管直徑4.0 m，鋼支管直徑2.8 m。尾水系統(tǒng)采用三洞六機(jī)布置，尾水隧洞立面采用斜井布置，下平洞后接傾角為50°的斜井，斜井與上平洞相接，上平洞經(jīng)漸變段由圓形漸變?yōu)榉蕉?，方洞末端接下?kù)進(jìn)/出水口。尾水隧洞長(zhǎng)630.71～649.40 m，其中鋼襯段長(zhǎng)118.0 m，洞徑均為4.5 m。輸水系統(tǒng)發(fā)電額定工況水頭損失為16.8 m，抽水工況為11.7 m。上游壓力管道水流慣性時(shí)間常數(shù)TW=1.72 s，壓力尾水道時(shí)間常數(shù)TWS=2.85 s。三洞六機(jī)方案平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 三洞六機(jī)方案平面布置圖Fig.1 Layout of six pump-turbines sharing three diversion tunnels

兩洞六機(jī)方案與三洞六機(jī)方案的輸水系統(tǒng)縱剖面布置基本一致，平面布置主要區(qū)別為輸水隧洞數(shù)量和洞室尺寸不同，輸水系統(tǒng)發(fā)電額定工況水頭損失為17.1 m，抽水工況為11.8 m。兩洞六機(jī)方案平面布置見(jiàn)圖2。

圖2 兩洞六機(jī)方案平面布置圖Fig.2 Layout of six pump-turbines sharing two diversion tunnels

2 方案比選

2.1 輸水系統(tǒng)布置比較

從輸水系統(tǒng)布置上看，平面和剖面基本一致，三洞六機(jī)與兩洞六機(jī)方案的輸水系統(tǒng)長(zhǎng)度相當(dāng)，隧洞的斷面尺寸規(guī)模相當(dāng)，主要差別在洞室和進(jìn)/出水口的數(shù)量及岔管的HD值。本工程引水鋼岔管的最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力約為1 165 m，已屬超高水頭，三洞六機(jī)方案鋼岔管主管直徑為4.0 m，HD值為4 660 m2；兩洞六機(jī)方案鋼岔管主管直徑分別為4.8 m 和4.0 m，HD值分別為5 592 m2和4 660 m2。三洞六機(jī)方案與兩洞六機(jī)方案鋼岔管的HD值目前在國(guó)內(nèi)已為最高水平。目前世界上已建和在建的設(shè)計(jì)水頭大于1 000 m的鋼岔管有日本的神流川和葛野川、保加利亞的茶拉和我國(guó)的西龍池等電站，其中葛野川電站設(shè)計(jì)水頭為1 180 m，HD值為4 720 m2。

由上可見(jiàn)，三洞六機(jī)方案鋼岔管HD值位于同類(lèi)工程前列，而兩洞六機(jī)方案的鋼岔管HD值較三洞六機(jī)方案更大。因此，從降低鋼岔管的設(shè)計(jì)、制造難度來(lái)看，三洞六機(jī)方案較優(yōu)。

2.2 機(jī)組運(yùn)行條件

針對(duì)不同洞機(jī)組合方案，從輸水系統(tǒng)檢修、進(jìn)水球閥大修、電站并網(wǎng)功率啟動(dòng)速度、工況轉(zhuǎn)換等方面對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)的影響進(jìn)行分析。

2.2.1 輸水系統(tǒng)和進(jìn)水球閥檢修

電站輸水系統(tǒng)或機(jī)組前的進(jìn)水球閥檢修時(shí)，均需將上游引水隧洞內(nèi)的水體排出，三洞六機(jī)方案同一水力單元的兩臺(tái)機(jī)組將處于停機(jī)狀態(tài)，兩洞六機(jī)方案同一水力單元的三臺(tái)機(jī)組將處于停機(jī)狀態(tài)。特別是抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)頻繁，密封容易老化、樞軸容易磨損，進(jìn)水球閥檢修概率較大。進(jìn)水球閥檢修時(shí)，電站的發(fā)電容量及對(duì)電網(wǎng)的響應(yīng)性將受到限制，三洞六機(jī)方案的受限制程度較低。

2.2.2 電站機(jī)組的負(fù)荷調(diào)整

正常情況下，同一水力單元的機(jī)組按照先后依次增負(fù)荷的模式（若同時(shí)啟動(dòng)，機(jī)組間的水力干擾較大），增至滿(mǎn)負(fù)荷。三洞六機(jī)方案有三個(gè)水力單元，而兩洞六機(jī)方案有兩個(gè)水力單元。三洞六機(jī)方案可以將其中三臺(tái)機(jī)組同時(shí)增至滿(mǎn)負(fù)荷，電站所有機(jī)組可分兩批增至滿(mǎn)負(fù)荷，而兩洞六機(jī)方案則只能將其中兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)增至滿(mǎn)負(fù)荷，電站所有機(jī)組需分三批增至滿(mǎn)負(fù)荷。緊急狀態(tài)下，電網(wǎng)要求抽水蓄能電站機(jī)組的響應(yīng)速度盡可能快，因此三洞六機(jī)方案對(duì)電網(wǎng)的響應(yīng)性和調(diào)度的靈活性?xún)?yōu)于兩洞六機(jī)方案，三洞六機(jī)方案機(jī)組的工況轉(zhuǎn)換速度優(yōu)于兩洞六機(jī)方案。

2.2.3 水力過(guò)渡過(guò)程條件

抽水蓄能電站水力過(guò)渡過(guò)程工況繁多且復(fù)雜，通常為輸水系統(tǒng)布置選擇時(shí)需重點(diǎn)考慮的因素之一。同一水力單元不同機(jī)組相繼甩負(fù)荷發(fā)生在特定的時(shí)間差內(nèi)，尾水管進(jìn)口壓力將出現(xiàn)較大幅度降低，嚴(yán)重時(shí)將危及輸水系統(tǒng)安全，須引起工程設(shè)計(jì)與建設(shè)單位重視[1]。對(duì)于采用可逆機(jī)組的抽水蓄能電站，為了滿(mǎn)足機(jī)組發(fā)電、抽水雙向水流的需要，水輪機(jī)葉片流道狹長(zhǎng)，轉(zhuǎn)輪離心力較大，截止效應(yīng)[2]明顯，反映到過(guò)流特性曲線(xiàn)上就是水輪機(jī)制動(dòng)區(qū)和反水泵工況區(qū)形成的倒“S”區(qū)[3]。倒“S”區(qū)過(guò)流特性極不穩(wěn)定，導(dǎo)致過(guò)渡過(guò)程工況下尾水管進(jìn)口最小壓力急劇下降。一些項(xiàng)目在施工階段采用限制負(fù)荷運(yùn)行、球閥導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)等工程措施解決尾水管出現(xiàn)負(fù)壓的問(wèn)題。限制負(fù)荷運(yùn)行無(wú)疑違背項(xiàng)目建設(shè)的初衷，球閥導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)亦違背了球閥在導(dǎo)葉拒動(dòng)時(shí)開(kāi)始開(kāi)閉以保護(hù)機(jī)組的設(shè)計(jì)初衷，因此項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免這些問(wèn)題。

高水頭水電站小波動(dòng)穩(wěn)定性通常較易滿(mǎn)足控制要求，因此本項(xiàng)目洞機(jī)組合比選時(shí)進(jìn)行了大波動(dòng)以及水力干擾的全面對(duì)比分析。為了避免軟件差異的影響，華東院、河海大學(xué)、武漢大學(xué)分別對(duì)某抽水蓄能電站過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算分析。

從表1 可以看出，三家計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率和機(jī)組蝸殼最大壓力相差不大，而兩洞六機(jī)方案尾水管進(jìn)口最小壓力分別為4.65 m、5.33 m和8.51 m，三洞六機(jī)方案尾水管進(jìn)口最小壓力分別為20.66 m、20.03 m和21.14 m?？紤]壓力脈動(dòng)及計(jì)算誤差修正后，兩洞六機(jī)方案尾水管進(jìn)口最小壓力在不考慮水柱分離的情況下分別為-22.85 m、-22.17 m和-18.99 m，存在水柱分離的可能，存在抬機(jī)以及尾水管、尾水鋼支管、尾閘井等相關(guān)結(jié)構(gòu)難以承受水柱分離產(chǎn)生較大正壓的風(fēng)險(xiǎn)。且尾水管負(fù)壓距離防止水柱分離的要求差別較大，若采用降低安裝高程、增加管徑或更為復(fù)雜的關(guān)閉規(guī)律等工程措施使尾水管進(jìn)口最小壓力滿(mǎn)足控制要求，則會(huì)帶來(lái)其他工程問(wèn)題?？紤]壓力脈動(dòng)及計(jì)算誤差修正后，三洞六機(jī)方案尾水管進(jìn)口最小壓力分別為-6.84 m、-7.47 m和-6.36 m，三方計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足計(jì)算控制值要求。

表1 大波動(dòng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison between calculation results under large oscillation

結(jié)合本電站并網(wǎng)發(fā)電可能的運(yùn)行方式，水力干擾過(guò)渡過(guò)程分析主要考慮功率調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)兩種運(yùn)行方式，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，三方計(jì)算結(jié)果基本一致。機(jī)組并理想大電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)（定開(kāi)度）條件下，兩洞六機(jī)方案同一水力單元兩臺(tái)機(jī)組甩100%額定負(fù)荷后，第三臺(tái)超出功率分別占額定功率的54.70%、56.06%和45.69%；三洞六機(jī)方案同一水力單元一臺(tái)機(jī)組甩100%額定負(fù)荷后，第二臺(tái)機(jī)組超出功率分別占額定功率的40.55%、43.68%和35.74%。機(jī)組并理想大電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)條件下，兩洞六機(jī)方案同一水力單元兩臺(tái)機(jī)組甩100%額定負(fù)荷后，第三臺(tái)超出功率分別占額定功率的37.20%、32.15%和36.11%；三洞六機(jī)方案同一水力單元一臺(tái)機(jī)組甩100%額定負(fù)荷后，第二臺(tái)機(jī)組超出功率分別占額定功率的27.00%、26.63%和24.28%。相比三洞六機(jī)布置方案，兩洞六機(jī)布置方案中兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)增甩負(fù)荷對(duì)第三臺(tái)機(jī)組的軸力矩影響明顯較大。三洞六機(jī)方案在功率調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)兩種模式下，受擾機(jī)組的出力擺動(dòng)幅度和過(guò)負(fù)荷水平較優(yōu)。

表2 水力干擾機(jī)組出力計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of turbines output under hydraulic interference

2.3 施工條件及工期

根據(jù)兩方案樞紐布置的不同，兩洞六機(jī)方案施工支洞因鋼管直徑大而增大了支洞開(kāi)挖斷面，因此從施工支洞布置方面看，三洞六機(jī)方案施工支洞投資較少，但由于施工支洞的投資占工程總投資的比例很小，且上述兩方案投資差別不大，因此施工支洞的布置對(duì)輸水系統(tǒng)的布置影響不大，不構(gòu)成方案比較的關(guān)鍵因素。兩方案中輸水系統(tǒng)的引水隧洞襯砌形式和岔管型式相同，尺寸差異也不大，雖然三洞六機(jī)方案比兩洞六機(jī)方案增加了一條輸水系統(tǒng)，需要增加施工設(shè)備，但兩方案施工條件和施工方法差別不大，對(duì)方案的選擇不構(gòu)成制約性因素。根據(jù)工程進(jìn)度安排分析，兩方案控制工程工期的關(guān)鍵線(xiàn)路均為地下廠(chǎng)房系統(tǒng)，因此首臺(tái)機(jī)組的發(fā)電工期均為57個(gè)月，總工期為75個(gè)月。綜上所述，從施工支洞布置、施工方法、施工條件和工程進(jìn)度各方面比較，兩方案基本相同，對(duì)方案的選擇不構(gòu)成關(guān)鍵因素。

2.4 工程量及投資比較

兩方案輸水系統(tǒng)可比部分主要工程量和投資比較見(jiàn)表3。

表3 主要工程量和投資比較Table 3 Comparison of project quantity and investment

三洞六機(jī)方案相對(duì)兩洞六機(jī)方案，輸水系統(tǒng)可比工程投資增加約6 800萬(wàn)元。

2.5 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

兩方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)價(jià)成果見(jiàn)表4。

表4 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 4 Main economic indicators

由表4 可見(jiàn)，在財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率相同的條件下，三洞六機(jī)方案比兩洞六機(jī)方案增加上網(wǎng)容量電價(jià)5.1元/kW，增加約0.781%，近期華東地區(qū)其他抽水蓄能電站的容量電價(jià)普遍在760 元/kW 及以上，而兩方案的投資回收年限相同，投資增加影響小。

3 結(jié)語(yǔ)

從輸水系統(tǒng)布置、水力過(guò)渡過(guò)程條件、機(jī)組運(yùn)行條件、工程投資和施工工期等方面對(duì)三洞六機(jī)和兩洞六機(jī)方案進(jìn)行綜合比較，除水力過(guò)渡過(guò)程條件外，其余均不構(gòu)成兩個(gè)方案成立的制約因素。雖然三洞六機(jī)方案相比兩洞六機(jī)方案在投資上有所增加，但三洞六機(jī)方案電站的運(yùn)行靈活性較好、安全性更高且岔管制造難度稍小，并且從水力過(guò)渡過(guò)程分析可知，三洞六機(jī)方案能夠滿(mǎn)足水力過(guò)渡過(guò)程控制要求，而兩洞六機(jī)方案不能滿(mǎn)足水力過(guò)渡過(guò)程控制要求，這是控制洞機(jī)組合方案成立的關(guān)鍵性因素。因此，本工程最終采用了輸水系統(tǒng)三洞六機(jī)的布置方案。■