超高水头长输水系统抽水蓄能电站洞机组合研究

姚敏杰，李高会，余雪松，章梦捷，仇为鑫

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

0 引言

某抽水蓄能电站位于浙江省安吉县天荒坪镇境内，电站上、下水库水平距离约2.5 km，相对高差约710 m，共安装6 台单机容量350 MW、额定水头710 m、蜗壳进口动水压力高达1 105 m的可逆式水泵水轮电动发电机组，总装机容量2 100 MW，为日调节纯抽水蓄能电站。通常，输水系统有单洞单机、一洞六机、二洞六机、三洞六机等布置方式。本工程由于输水洞线较长，若采用单洞单机布置，虽然结构尺寸小，但投资较大，施工强度高，总进度较难保证；若采用一洞六机方案，自中平洞后采用钢板衬砌，主洞钢衬洞径为6.8～8.4 m，在下平洞采用岔管分岔，共需5 个钢岔管，钢岔管规模大，HD值（水压H×直径D）高达7 922 m2，远高于目前国际上HD值最大的日本葛野川电站（4 740 m2），设计制造难度高，且机组运行管理灵活性相对较差。因此，方案比较时，重点比较了三洞六机（方案一）和两洞六机（方案二）两种布置方式。

1 方案布置

三洞六机方案的三条引水隧洞采用不平行布置，轴线间距为32.0～47.0 m。上平段底坡为10%，经平面转弯后接倾角为58°的斜井，斜井上下高差约790 m。在550.0 m高程设置中平洞段，中平洞上游约442 m采用钢筋混凝土衬砌，下游至厂房采用钢板衬砌。在厂房前约60 m处的下平洞设引水钢岔管，将引水隧洞分为六条引水钢支管。引水钢岔管采用“Y”形，分岔角均为75°。引水钢支管长67.6～74.9 m，以70°斜向进入厂房与球阀连接。引水隧洞混凝土衬砌段直径6.0 m，衬砌厚度0.5 m，钢管直径4.0～5.0 m，衬砌厚度0.7 m。钢岔管直径4.0 m，钢支管直径2.8 m。尾水系统采用三洞六机布置，尾水隧洞立面采用斜井布置，下平洞后接倾角为50°的斜井，斜井与上平洞相接，上平洞经渐变段由圆形渐变为方洞，方洞末端接下库进/出水口。尾水隧洞长630.71～649.40 m，其中钢衬段长118.0 m，洞径均为4.5 m。输水系统发电额定工况水头损失为16.8 m，抽水工况为11.7 m。上游压力管道水流惯性时间常数TW=1.72 s，压力尾水道时间常数TWS=2.85 s。三洞六机方案平面布置见图1。

图1 三洞六机方案平面布置图Fig.1 Layout of six pump-turbines sharing three diversion tunnels

两洞六机方案与三洞六机方案的输水系统纵剖面布置基本一致，平面布置主要区别为输水隧洞数量和洞室尺寸不同，输水系统发电额定工况水头损失为17.1 m，抽水工况为11.8 m。两洞六机方案平面布置见图2。

图2 两洞六机方案平面布置图Fig.2 Layout of six pump-turbines sharing two diversion tunnels

2 方案比选

2.1 输水系统布置比较

从输水系统布置上看，平面和剖面基本一致，三洞六机与两洞六机方案的输水系统长度相当，隧洞的断面尺寸规模相当，主要差别在洞室和进/出水口的数量及岔管的HD值。本工程引水钢岔管的最大设计内水压力约为1 165 m，已属超高水头，三洞六机方案钢岔管主管直径为4.0 m，HD值为4 660 m2；两洞六机方案钢岔管主管直径分别为4.8 m 和4.0 m，HD值分别为5 592 m2和4 660 m2。三洞六机方案与两洞六机方案钢岔管的HD值目前在国内已为最高水平。目前世界上已建和在建的设计水头大于1 000 m的钢岔管有日本的神流川和葛野川、保加利亚的茶拉和我国的西龙池等电站，其中葛野川电站设计水头为1 180 m，HD值为4 720 m2。

由上可见，三洞六机方案钢岔管HD值位于同类工程前列，而两洞六机方案的钢岔管HD值较三洞六机方案更大。因此，从降低钢岔管的设计、制造难度来看，三洞六机方案较优。

2.2 机组运行条件

针对不同洞机组合方案，从输水系统检修、进水球阀大修、电站并网功率启动速度、工况转换等方面对机组和电网的影响进行分析。

2.2.1 输水系统和进水球阀检修

电站输水系统或机组前的进水球阀检修时，均需将上游引水隧洞内的水体排出，三洞六机方案同一水力单元的两台机组将处于停机状态，两洞六机方案同一水力单元的三台机组将处于停机状态。特别是抽水蓄能机组启动频繁，密封容易老化、枢轴容易磨损，进水球阀检修概率较大。进水球阀检修时，电站的发电容量及对电网的响应性将受到限制，三洞六机方案的受限制程度较低。

2.2.2 电站机组的负荷调整

正常情况下，同一水力单元的机组按照先后依次增负荷的模式（若同时启动，机组间的水力干扰较大），增至满负荷。三洞六机方案有三个水力单元，而两洞六机方案有两个水力单元。三洞六机方案可以将其中三台机组同时增至满负荷，电站所有机组可分两批增至满负荷，而两洞六机方案则只能将其中两台机组同时增至满负荷，电站所有机组需分三批增至满负荷。紧急状态下，电网要求抽水蓄能电站机组的响应速度尽可能快，因此三洞六机方案对电网的响应性和调度的灵活性优于两洞六机方案，三洞六机方案机组的工况转换速度优于两洞六机方案。

2.2.3 水力过渡过程条件

抽水蓄能电站水力过渡过程工况繁多且复杂，通常为输水系统布置选择时需重点考虑的因素之一。同一水力单元不同机组相继甩负荷发生在特定的时间差内，尾水管进口压力将出现较大幅度降低，严重时将危及输水系统安全，须引起工程设计与建设单位重视[1]。对于采用可逆机组的抽水蓄能电站，为了满足机组发电、抽水双向水流的需要，水轮机叶片流道狭长，转轮离心力较大，截止效应[2]明显，反映到过流特性曲线上就是水轮机制动区和反水泵工况区形成的倒“S”区[3]。倒“S”区过流特性极不稳定，导致过渡过程工况下尾水管进口最小压力急剧下降。一些项目在施工阶段采用限制负荷运行、球阀导叶联动等工程措施解决尾水管出现负压的问题。限制负荷运行无疑违背项目建设的初衷，球阀导叶联动亦违背了球阀在导叶拒动时开始开闭以保护机组的设计初衷，因此项目前期设计时应避免这些问题。

高水头水电站小波动稳定性通常较易满足控制要求，因此本项目洞机组合比选时进行了大波动以及水力干扰的全面对比分析。为了避免软件差异的影响，华东院、河海大学、武汉大学分别对某抽水蓄能电站过渡过程进行了计算分析。

从表1 可以看出，三家计算结果相当，机组转速上升率和机组蜗壳最大压力相差不大，而两洞六机方案尾水管进口最小压力分别为4.65 m、5.33 m和8.51 m，三洞六机方案尾水管进口最小压力分别为20.66 m、20.03 m和21.14 m。考虑压力脉动及计算误差修正后，两洞六机方案尾水管进口最小压力在不考虑水柱分离的情况下分别为-22.85 m、-22.17 m和-18.99 m，存在水柱分离的可能，存在抬机以及尾水管、尾水钢支管、尾闸井等相关结构难以承受水柱分离产生较大正压的风险。且尾水管负压距离防止水柱分离的要求差别较大，若采用降低安装高程、增加管径或更为复杂的关闭规律等工程措施使尾水管进口最小压力满足控制要求，则会带来其他工程问题。考虑压力脉动及计算误差修正后，三洞六机方案尾水管进口最小压力分别为-6.84 m、-7.47 m和-6.36 m，三方计算结果均满足计算控制值要求。

表1 大波动计算结果对比Table 1 Comparison between calculation results under large oscillation

结合本电站并网发电可能的运行方式，水力干扰过渡过程分析主要考虑功率调节、频率调节两种运行方式，计算结果见表2。由表2可以看出，三方计算结果基本一致。机组并理想大电网频率调节（定开度）条件下，两洞六机方案同一水力单元两台机组甩100%额定负荷后，第三台超出功率分别占额定功率的54.70%、56.06%和45.69%；三洞六机方案同一水力单元一台机组甩100%额定负荷后，第二台机组超出功率分别占额定功率的40.55%、43.68%和35.74%。机组并理想大电网功率调节条件下，两洞六机方案同一水力单元两台机组甩100%额定负荷后，第三台超出功率分别占额定功率的37.20%、32.15%和36.11%；三洞六机方案同一水力单元一台机组甩100%额定负荷后，第二台机组超出功率分别占额定功率的27.00%、26.63%和24.28%。相比三洞六机布置方案，两洞六机布置方案中两台机组同时增甩负荷对第三台机组的轴力矩影响明显较大。三洞六机方案在功率调节、频率调节两种模式下，受扰机组的出力摆动幅度和过负荷水平较优。

表2 水力干扰机组出力计算结果Table 2 Calculation results of turbines output under hydraulic interference

2.3 施工条件及工期

根据两方案枢纽布置的不同，两洞六机方案施工支洞因钢管直径大而增大了支洞开挖断面，因此从施工支洞布置方面看，三洞六机方案施工支洞投资较少，但由于施工支洞的投资占工程总投资的比例很小，且上述两方案投资差别不大，因此施工支洞的布置对输水系统的布置影响不大，不构成方案比较的关键因素。两方案中输水系统的引水隧洞衬砌形式和岔管型式相同，尺寸差异也不大，虽然三洞六机方案比两洞六机方案增加了一条输水系统，需要增加施工设备，但两方案施工条件和施工方法差别不大，对方案的选择不构成制约性因素。根据工程进度安排分析，两方案控制工程工期的关键线路均为地下厂房系统，因此首台机组的发电工期均为57个月，总工期为75个月。综上所述，从施工支洞布置、施工方法、施工条件和工程进度各方面比较，两方案基本相同，对方案的选择不构成关键因素。

2.4 工程量及投资比较

两方案输水系统可比部分主要工程量和投资比较见表3。

表3 主要工程量和投资比较Table 3 Comparison of project quantity and investment

三洞六机方案相对两洞六机方案，输水系统可比工程投资增加约6 800万元。

2.5 经济性评价

两方案的经济指标评价成果见表4。

表4 主要经济指标Table 4 Main economic indicators

由表4 可见，在财务内部收益率相同的条件下，三洞六机方案比两洞六机方案增加上网容量电价5.1元/kW，增加约0.781%，近期华东地区其他抽水蓄能电站的容量电价普遍在760 元/kW 及以上，而两方案的投资回收年限相同，投资增加影响小。

3 结语

从输水系统布置、水力过渡过程条件、机组运行条件、工程投资和施工工期等方面对三洞六机和两洞六机方案进行综合比较，除水力过渡过程条件外，其余均不构成两个方案成立的制约因素。虽然三洞六机方案相比两洞六机方案在投资上有所增加，但三洞六机方案电站的运行灵活性较好、安全性更高且岔管制造难度稍小，并且从水力过渡过程分析可知，三洞六机方案能够满足水力过渡过程控制要求，而两洞六机方案不能满足水力过渡过程控制要求，这是控制洞机组合方案成立的关键性因素。因此，本工程最终采用了输水系统三洞六机的布置方案。■