紫城水電站一期工程裝機(jī)容量選擇研究

魏 亮 于 紅

紫城水電站一期工程裝機(jī)容量1×1600kW，遠(yuǎn)期總裝機(jī)容量3×1600kW，以南水北調(diào)配套工程供水發(fā)電為主，兼顧灌溉放水發(fā)電，特別是南水北調(diào)配套工程石津干渠工程的實(shí)施，將使該水電站的發(fā)電效益得到有效保證。

1. 工程規(guī)模

紫城水電站采用旁側(cè)引水式布置方式，主要建筑物包括進(jìn)水口、前池、進(jìn)水閘、壓力管道、主廠房、尾水渠、升壓站等。工程區(qū)域內(nèi)地址條件良好，站址地形較平坦，場(chǎng)地地面高程為40.0~45.5m。一期工程裝機(jī)容量1×1600kW，設(shè)計(jì)流量28.3m3/s，設(shè)計(jì)水頭6.5m，多年平均發(fā)電量1241.48萬kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)7759h，水能利用率78.8%，概算總投資2398.78萬元。電站建成后以一回35kV線路并入距電站3.0km遠(yuǎn)西里莊變電站的35kV母線運(yùn)行。裝設(shè)一臺(tái)2000kVA主變壓器，采用發(fā)電機(jī)變壓器單元接線型式。

2. 水能計(jì)算

根據(jù)《河北省南水北調(diào)配套工程石津干渠工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，石津干渠紫城水電站處南水北調(diào)配套多年平均供水量為6.84億m3，南水北調(diào)配套供水與石津干渠灌溉放水疊加后的總干渠在紫城節(jié)制閘處的設(shè)計(jì)流量為110 m3/s，加大流量為 119m3/s，相應(yīng)閘上設(shè)計(jì)水位為46.84m，加大水位為46.96m，閘下設(shè)計(jì)水位為41.14m，加大水位為41.29m。在南水北調(diào)配套工程單獨(dú)供水時(shí)，平均流量22m3/s，下游水位39.11m。

水能計(jì)算按典型年法進(jìn)行。根據(jù)石津灌區(qū)近20年灌溉水量徑流系列和南水北調(diào)分配給紫城節(jié)制閘處的分水量徑流系列，選擇豐、平、枯3個(gè)典型代表年，頻率選取為 15%、50%、85%，其年徑流分別為 3.91億 m3、2.58億 m3和1.74億m3。計(jì)算內(nèi)容主要為針對(duì)選定的裝機(jī)容量和水輪機(jī)型式，計(jì)算各典型年及多年平均年發(fā)電量，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)、加權(quán)平均水頭及水能利用率等。

水能計(jì)算時(shí)，電站日出力按照下式計(jì)算：N=KQH。式中N為日平均出力，kW，當(dāng)計(jì)算出力大于裝機(jī)容量時(shí)，取為裝機(jī)容量值，即N=1600kW；K為綜合出力系數(shù)，本站水輪機(jī)型式選擇為燈泡貫流轉(zhuǎn)漿式，水輪機(jī)效率高，根據(jù)所選水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，取K=8.6~8.7；Q為發(fā)電流量，m3/s，為南水北調(diào)供水流量與灌溉流量之和，發(fā)電流量Q大于水輪機(jī)設(shè)計(jì)流量時(shí)，取為設(shè)計(jì)流量值，即Q=28.3m3/s。

H為發(fā)電凈水頭，m，H=Z上-Z下-h損式中Z上為前池正常蓄水位，取南水北調(diào)配套工程紫城節(jié)制閘處上游設(shè)計(jì)水位，Z上=46.84m；Z下為下游尾水位，由下游水位~流量關(guān)系曲線查取，h損為水頭損失，經(jīng)計(jì)算，取h損=0.2m。

式中 Ej為對(duì)應(yīng)某一裝機(jī)容量，kW·h；Ni為日平均出力，kW；m為年發(fā)電天數(shù)。

水能計(jì)算成果見下表。

水能計(jì)算成果表

3. 裝機(jī)容量

電站一期工程按南水北調(diào)配套供水量選擇裝機(jī)容量。南水北調(diào)配套供水全年基本為均勻供水，對(duì)應(yīng)3個(gè)設(shè)計(jì)保證率（15%、50%、85%）的日平均流量分別為 23.68m3/s、22.44m3/s和 18.98m3/s，相應(yīng)設(shè)計(jì)落差7.45～7.7m，經(jīng)計(jì)算日平均出力在1534~1271kW，結(jié)合水輪機(jī)型式選擇了3個(gè)裝機(jī)方案進(jìn)行比較。

方案Ⅰ： 單臺(tái)機(jī)組，1×1600kW，貫流轉(zhuǎn)漿燈泡式機(jī)組。廠房布置尺寸較小，土建投資較省，機(jī)組效率較高，適應(yīng)出力范圍較大，在35%~100%額定出力之間，能夠適應(yīng)從南水北調(diào)配套供水初期到正常供水較大的流量變化，水輪機(jī)基本運(yùn)行在高效區(qū)。缺點(diǎn)是機(jī)組結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較貴，檢修維護(hù)不方便；僅1臺(tái)機(jī)組，一旦機(jī)組故障或機(jī)組大修，電站將停運(yùn)，造成棄水和電量損失。

方案Ⅱ： 單臺(tái)機(jī)組，1×1600kW，貫流調(diào)漿軸伸式機(jī)組。機(jī)組維護(hù)方便，水工結(jié)構(gòu)簡單，施工周期較短，缺點(diǎn)是出力范圍較小，在流量或水頭變化時(shí)水輪機(jī)效率下降較快；機(jī)組雖為調(diào)漿式，但需停機(jī)人工手動(dòng)調(diào)漿，操作較復(fù)雜，另該方案為單臺(tái)機(jī)組，一旦機(jī)組故障或機(jī)組大修，電站將停運(yùn)，造成棄水和電量損失。

方案Ⅲ：2 臺(tái)機(jī)組，2×800kW，貫流定漿軸伸式機(jī)組。機(jī)組維護(hù)方便，水工結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備價(jià)格較低；2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行較靈活。缺點(diǎn)是出力范圍較小，在流量或水頭變化時(shí)水輪機(jī)效率下降較快；廠房布置尺寸較大，實(shí)施二期工程時(shí)，將給電站的機(jī)型選擇及廠房布置帶來較大難度。

綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，方案Ⅰ能夠根據(jù)電站流量和水頭變化隨時(shí)自動(dòng)調(diào)整導(dǎo)葉和漿葉，機(jī)組出力范圍寬、效率高，發(fā)電效益明顯；價(jià)格雖較高，但并不明顯；電站1臺(tái)機(jī)組有利于二期工程的銜接與布置。因此方案Ⅰ選為推薦方案，即電站一期工程裝機(jī)容量選擇為1×1600kW，貫流轉(zhuǎn)漿燈泡式機(jī)組。