考虑用电及防洪需求的西里水电站运行规划

孔洁惠

(临汾市水利勘测设计院，山西 临汾 041000)

水电站作为一种极为常见的水利工程，具有重要的发电、蓄水、防洪作用[1-8]。在水电站规划设计初期，需要充分考虑水电站承担的作用，以保证工程建设完成后，充分发挥效益[9-14]。结合西里水电站工程，从发电、防洪角度对水电站规划设计进行初步分析。

西里水电站所在的安泽县位于山西省临汾市的东部，辖区有11个乡镇，面积为1967km2。西里水电站是一座以发电为主、装机容量为3×800kW、总库容为1267万m3的小(2)型水电站。其工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级，水工建筑物的防洪标准为：设计洪水重现期为20年，校核洪水重现期为100年，上下游无其他防洪要求。

1 用电需求

1.1 安泽县供电现状

1.1.1网架结构

目前全县共有变电站4座，总容量为52900kVA，110kV线路长33km，35kV输电线路长49km，10kV配电线路长250km。府城110kV变电站，主变1×20000kVA，由洪洞涧桥110kV变电站110kV母线出线供电，线路全长55.9km，导线LGJ-150mm2，中间T有古县岳阳变电站，T接线6.9km。

东湾110kV变电站，主变1×25000kVA，由府城110kV变电站110kV出线供电，线路全长33km，导线LGJ-150mm2，设计110kV进线两回单母线分段，现在进线一回。

35kV亢驿站主变1×6300kVA，府城至亢驿35kV313线路32km，导线LGJ-70mm2。

35kV冀氏变电站位于县城以南冀氏镇，站内安装主变一台1600kVA，35kV线路长16.2km，导线LGJ-70mm2，主供县城以南乡镇农业及生活用电。

1.1.2用电量和供电量情况

历史各年用电量情况：1995年用电量为1326.31万kW·h，2005年用电量为4304.3万kW·h，2006年用电量为5300万kW·h，1995—2006年各年的环比速度分别为109.47%、104.67%、114.92%、92.87%、111.84%、94.17%、117.25%、125.23%、117.43%、146.15%、123.13%。2006年用电量以1995年为基准水平的定基速度为399.6%，1995—2006年的平均增长速度为14.5%。

目前大工业售电量占总售电量的54.58%，居民照明占14.76%，非居民占15.37%，商业用电占4.5%，非普工业占10.77%，农业生产用电占0.02%。

2005年各变电站负荷及供电量见表1。

由表1可知，全县目前最高负荷15900kW，最低负荷4890kW，最大峰谷差10900kW。西里水电站具有一定的调节能力，并网后可具有其他小水电站所没有的灵活性及独立性，对整个电网起到一定的调峰作用，提高整个电网的经济效益和供电保证率。

表1 2005年各变电站负荷及供电量情况表

1.2 负荷预测及装机规模

随着人口的增长，工农业生产的发展及人民生活水平的提高，用电量将进一步加大。2005—2008年全县负荷增长点主要集中在唐城镇工业园区，煤炭生产能力按国家要求要形成规模性开采，当前煤炭价格很高，市场需求大，煤炭利润空间大，各煤矿利用各种手段扩大生产，设计能力为60万t的可能达70～80万t，设计能力为30万t的可能达到40～45万t，利益的驱动使电力负荷增长迅速。2005—2010年最终需要供电量，低方案为1.3亿kW·h，高方案为1.84亿kW·h；2005—2010年最终需要供电负荷，低方案为2.7万kW，高方案为3.8万kW。供电峰谷差也会随之增大。

西里水电站的运行方式拟定为各小水电站并用后与晋南电网并网，由于各小水电站均无调峰能力，而电网中迫切需要调峰电源，西里电站可作日调节运行，担任调峰作用。从安泽县目前负荷情况可知，峰谷差较大，但是根据沁河水量将西里电站的装机容量确定为2400kW，部分解决安泽县供电峰谷差。

2 西里水电站特征参数确定

2.1 坝址区渗漏量计算

(1)透水层分布情况

主河床坝基长95m，主河床宽107m，河底高程为776.50～777.60m，基岩面以上覆盖有厚6.5～10m的砂、砂卵砾石层，渗透系数K=18.17m/d，不均匀系数为62～100。

(2)渗漏量估算

①坝基渗漏量估算

坝基的渗漏量根据不同部位的渗透性，地层岩性采用不同的参数进行计算，并对覆盖层和基岩分别计算。

第四系砂卵砾石厚8.0m，水库正常蓄水位为791.10m，透水层采用单层结构，覆盖层渗漏量的计算公式为

(1)

式中，K—透水层渗透系数，m/d，取18.17m/d；H—上、下游水头差，上游取库水位791.10m，下游取河水位776.50m；T—透水层厚度，m；2b—坝基宽度，m；B—计算段长度，m。

坝基基岩为三叠系刘家沟组中细粒砂岩、砂质页岩、泥岩，渗透系数K=0.324m/d，W>0.05L/(min.m.m)，透水层采用双层结构，基岩渗漏量计算公式为

(2)

式中，B—坝轴线方向整个渗漏带宽度，m；K1、K2—透水层渗透系数，m/d；T1、T2—透水层厚度，m。

计算结果见表2。

表2 坝基渗漏量估算表

经计算，覆盖层渗漏量为5780.2m3/d，基岩渗漏量为559.3m3/d。

②坝肩渗漏量估算

左、右坝肩均分三叠系刘家沟组中细粒砂岩、夹砂质泥岩、砂质页岩，节理裂隙发育，存在绕坝渗漏问题，并对其渗漏量进行计算，其计算公式为

(3)

式中，K—渗透系数，m/d；b—绕坝水流线距，m；L—渗流途径的平均值，m；h1—河水位差W>0.05下限的距离，m；h2—正常蓄水位差W>0.05下限的距离，m。

计算参数及结果见表3。

表3 左、右坝肩基岩渗漏量计算

经计算，坝肩基岩绕坝渗漏量为406.4m3/d。

2.2 洪水调节和防洪水位选择

2.2.1建筑物尺寸及特征水位

西里水电站的泄水建筑物有溢流坝和泄洪排沙洞，溢流坝为三圆弧曲线实用堰，溢流坝堰顶高程为791.10m，河床高程为774.50m，选择3种不同的溢流堰长度进行比较，分别为63.2、75.2和88.8m。泄洪排沙洞为2孔，坝长110m，闸底板高程为774.80m，孔口尺寸为4.5m×4.5m。选择3种不同的组合进行洪水调节，方案一：泄洪排沙洞和63.2m溢流堰组合；方案二：泄洪排沙洞和75.2m溢流堰组合；方案三：泄洪排沙洞和88.8m溢流堰组合。各泄水建筑物泄量曲线见表4。水位库容、水位面积曲线见表5。

表4 泄量曲线表

表5 水位-库容、水位-面积曲线表

根据上述洪水调节成果可知，在相同汛限水位的情况下，溢流坝由63.2m变为88.8m，校核洪水位仅下降0.99m，设计洪水位下降0.57m，对大坝高度影响不大，坝体工程投资相差不大，淹没高度相差0.57m，淹没范围及投资不变，坝轴处河床宽度较窄，结合工程布置选择63.2m溢流坝。针对两种不同的汛限水位，789.60m较791.10m汛期发电水位降低1.5m，发电量减少，但坝高结合公路路面布置差别大，所以选择791.10m为汛限水位。

综上所述，西里水电站的泄水建筑物为长63.2m，顶高程为791.1m的溢流坝和2孔底高程为774.8m，孔口尺寸为4.5m×4.5m的泄洪排沙洞。汛期限制水位为791.10m，设计洪水位为794.58m，泄洪排沙洞设计泄量为817m3/s，溢流坝设计泄量为815.4m3/s，对应下游777.03m；校核洪水位为797.06m，泄洪排沙洞校核泄量为885.6m3/s，溢流坝校核泄量为1906.1m3/s，对应下游水位777.92m。

2.2.2径流调节及能量指标

本电站建成后，将并网运行，在电网中所占的比重不大，根据规范规定，设计保证率为75%。其水能计算采用丰、平、枯三个代表年的日平均流量资料。选择的三个代表年分别为：丰水年为1962年，频率为10%；平水年为1990年，频率为50%；枯水年为1992年，频率为90%。由三个典型年的日平均流量资料计算日均流量保证曲线。该电站的设计水头为16.41m，出力系数取8.5，75%设计保证流量为1.55m3/s，保证出力为217kW。水能计算成果见表6。

表6 西里水电站水能计算表

2.2.3水库水位选择

2.2.3.1水库正常蓄水位

(1)上下游工程的影响

西里水电站郎寨坝址，位于安泽县城南3.5km的马壁乡郎寨村东，坝址处河床高程为774.5m，该段河道纵坡为3.4‰，坝址以上流域面积为3936km2。根据《沁河流域修订规划》在该坝址的上游安泽县城以北6km拟建有马连圪塔水库，坝址处河床高程为852.19m，下游在沁水县境内规划有张峰水库，坝址处河床高程为697.7m，设计正常蓄水位为764.30m，最高洪水位为766.72m。由此可知本工程的兴建，对上游马连圪塔水库的泄水不产生影响，下游的张峰水库最高洪水位也低于本站电站发电的最低尾水位，对本站水轮机运行不产生影响。

(2)确立正常蓄水位的条件

①工程地质。坝址处为U型河谷隘口，两岸为不对称的岩质边坡，左岸较缓，右岸较陡，河床底宽107m，坝址上游库区两岸没发现大的透水层，蓄水后不会产生大的渗漏，因此，正常蓄水位高低变化受地质条件的影响很小。

②综合利用。西里电站是一座以发电为目的的小(2)型电站，它无灌溉与供水功能，对下游的防洪也无太大的作用，且沁河上无船舶通行的要求，由此得出正常蓄水位的确定，只考虑发电效益大小，不考虑水库的其他功能。

③水库区的淹没情况。库区两岸的滩地，水土肥沃，大部分为当地高产田，均是安泽县主要产粮地，农业又是当地的传统优势，故正常蓄水位的选择在满足发电的情况下，应以淹没两岸滩地最少为原则。

由上所述，正常蓄水位的确定，不受坝址及库区地质与综合利用的影响，主要受库区土地淹没因素的影响，据此拟定791.10m和795.00m两个水位高程，作为选择正常蓄水位的比较方案。

2.2.3.2正常蓄水位的确定

根据对791.10m与795.00m两个正常蓄水位方案的淹没情况调查分析，当水库蓄水位为791.10m时，淹没公路250m，无迁移人口；当水库蓄水位795.00m时，淹没耕地450亩，淹没公路700m，迁移人口280人。经估算，水库水位795.00m时的淹没损失约为水库水位791.10m的淹没损失的7倍还多。故正常蓄水位定为791.10m。

2.2.4死水位的确定

根据确定的正常蓄水位791.10m进行计算，该水位以下的库容216万m3，坝前最大水深为16.52m。由于本水库只有发电功能，故死水位的确定应满足发电所需要的条件与库内泥砂淤积。据此确定的水轮机压力管道进口底高程为784.0m，顶高程为786.9m，根据规范GB 50071—2009《小型水力发电站设计规范》第5.5.4条之规定，确定死水位为787.90m。

2.3 装机容量及日调节池容量的确定

2.3.1装机容量

根据安泽县有关部门要求，本电站供电范围初步拟定为全县，其运行方式为与当地火电电网并网，并以调峰为主。根据所调整的全县目前电力负荷峰谷差情况以及本电站条件，可研阶段确定的装机容量3×800kW已批复。本次设计装机容量定为2400kW。

2.3.2日调节池容量

日调节库容按下式计算：

v=kq(24-t)×0.36

(4)

式中，v—日调节库容，万m3；q—坝址河道来水流量，m3/s，此处50%河道日流量为4.50m3/s；t—每天集中放水发电调峰时间，初步拟定为每天6h(下午5～11时)；k—加大系数，取1.3。

经计算，需要的库容v=38万m3。

按照本次设计成果，坝顶高程为791.10m，其坝前水库调节库容为58.8万m3，完全可满足日调节库容需要。

2.3.3电站运行方式

西里水电站装机容量为2400kW，其装机台数根据规范GBJ 71—84《小型水力发电站设计规范》第2.3.8条，既不宜过多(管理复杂，造价高)，又不宜过少(一旦机组检修，损失较大)的原则，推荐3台800kW容量的方案。

当来水日均流量不小于4.88m3/s时，晚上3台机组同时调峰发电6h，其他时间视用电负荷及来水量情况，可开动1～3台机组作基荷发电。经计算，3台机组在同时调峰发电6h的情况下，利用水量为43万m3，调节库容完全满足要求。

当来水日均流量小于4.88m3/s流量时，晚上调峰发电可开动1～3台机组，而其他时间开动1台或停机。

根据选定的机组及运行方式对丰、平、枯三个典型年逐日调节计算，计算结果见表7。

表7 典型年逐日调节计算成果表

由表7可知，西里电站多年平均发电量为706万kW·h，调峰电量为337万kW·h。

3 结论

西里水电站主要承担发电、防洪作用。通过收集流域范围内安泽县的用电现状，预测用电负荷量，综合考虑确定西里水电站装机容量为2400kW。通过分析，水电站坝址处存在渗漏较大的现象，需要进行防渗处理。通过3种方案比选，确定水电站采用63.2m长溢流坝，791.10m汛限水位。根据水电站发电、防洪需求，对水电站日常运行进行简单规划设计，可为类似工程提供参考。