五岳抽水蓄能電站輸水隧洞經(jīng)濟(jì)洞徑分析

鄢軍軍，周鐵柱

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)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(nèi)，位于鄂豫電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的東通道上，電站建成后主要服務(wù)于河南電網(wǎng)，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等任務(wù)。電站擬裝4 臺(tái)250 MW 的立軸可逆混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量1000 MW。電站加權(quán)平均水頭238.3 m，額定水頭241.0 m。

輸水發(fā)電系統(tǒng)布置在上水庫東側(cè)雄厚山體中，地下廠房采用首部式。引水和尾水系統(tǒng)均采用兩洞四機(jī)布置、斜進(jìn)正出廠房方案，輸水系統(tǒng)主要建筑物包括上水庫側(cè)式進(jìn)/ 出水口、2 條引水主洞、2 個(gè)引水岔管、4 條引水支洞、4 條尾水支洞、1 個(gè)尾水閘門室(內(nèi)設(shè) 4 個(gè)閘門井)、2 個(gè)尾水岔管、2 條尾水主洞、下水庫側(cè)式進(jìn)/出水口，對應(yīng)每條尾水主洞設(shè)置1個(gè)阻抗式調(diào)壓室。下水庫進(jìn)/出水口與五岳水庫間采用進(jìn)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(yùn)行長期效益較優(yōu)，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(jīng)濟(jì)洞徑選擇，應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件及電站的運(yùn)行方式，并結(jié)合電站裝機(jī)容量、機(jī)組機(jī)型選擇等綜合分析，并通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定[2]。根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速估算和輸水隧洞地質(zhì)條件及布置要求，本文共擬定了5 個(gè)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(tǒng)各經(jīng)濟(jì)洞徑方案表 單位：m

2 容量、電量損失計(jì)算

根據(jù)2025 年水平河南電力系統(tǒng)典型日模擬運(yùn)行方式，五岳抽水蓄能電站一般在用電低谷時(shí)段 (夏季2：00～8：00，冬季1：00～7：00)作抽水填谷工況運(yùn)行，日抽水歷時(shí)一般為6 h～7 h，在用電高峰時(shí)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(fā)電調(diào)峰工況運(yùn)行。河南電網(wǎng)夏季季節(jié)性用電負(fù)荷比重較大，最高負(fù)荷出現(xiàn)在夏季7 月份，為系統(tǒng)裝機(jī)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(jù)多年運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，五岳水庫7 月份多年平均運(yùn)行水位85.55 m。本次經(jīng)濟(jì)洞徑選擇時(shí)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(fā)電作為初始工況進(jìn)行容量、電量損失分析計(jì)算。

引水系統(tǒng)各經(jīng)濟(jì)洞徑方案1#～4#機(jī)發(fā)電、抽水工況水頭損失方程見表2。

表2 輸水系統(tǒng)各經(jīng)濟(jì)洞徑方案水頭損失方程

（1）容量損失計(jì)算。根據(jù)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(jìn)行滿負(fù)荷連續(xù)發(fā)電運(yùn)行模擬計(jì)算，根據(jù)發(fā)電水頭過程按機(jī)組限制出力線計(jì)算各方案發(fā)電工況的受阻容量。經(jīng)分析，以滿發(fā)第3 h 平均受阻容量作為日調(diào)節(jié)運(yùn)行的容量損失。

（2）電量損失計(jì)算。根據(jù)河南電網(wǎng)設(shè)計(jì)水平年2025 年五岳抽水蓄能電站各月典型日模擬運(yùn)行發(fā)電出力和抽水入力過程，確定電站各時(shí)段相應(yīng)的發(fā)電、抽水開機(jī)臺(tái)數(shù)，計(jì)算抽水工況、發(fā)電工況單臺(tái)機(jī)組流量和相應(yīng)的水頭損失△H，根據(jù)△N=A×Q×△H 計(jì)算各時(shí)段的電量損失，從而求得各方案年發(fā)電量損失和抽水電量損失。各方案容量和電量損失計(jì)算成果見表3。

表3 引水系統(tǒng)各經(jīng)濟(jì)洞徑方案容量、電量損失表

3 經(jīng)濟(jì)洞徑確定

在同等滿足系統(tǒng)電力、電量需求的前提下，按年費(fèi)用法進(jìn)行比較。各方案費(fèi)用包括設(shè)計(jì)電站、補(bǔ)充電站的投資和運(yùn)行費(fèi)用。各方案容量效益差由燃煤火電替代補(bǔ)充，火電投資按火電擴(kuò)機(jī)情況下單位投資4100 元/kW 考慮，五岳抽水蓄能電站、補(bǔ)充火電 (不含燃料費(fèi)) 年經(jīng)營成本分別按其固定資產(chǎn)投資的2.5%、4.5%計(jì)；計(jì)算期取36 年，其中建設(shè)期6 年，正常運(yùn)行期30 年，社會(huì)折現(xiàn)率取8%。輸水隧洞各經(jīng)濟(jì)洞徑方案經(jīng)濟(jì)比較計(jì)算成果見表4。

表4 輸水隧洞各洞徑方案經(jīng)濟(jì)比較成果表

由工程投資可知，輸水隧洞洞徑越小，輸水系統(tǒng)建筑物及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)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(jīng)濟(jì)洞徑方案年費(fèi)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(fèi)用最低，為596 萬元。方案1、方案2、方案4 和方案5 年費(fèi)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(tǒng)地質(zhì)條件較好，洞室穩(wěn)定問題不大，從輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置和施工技術(shù)難度等方面各方案無較大差異，各方案均可行。從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，方案3 年費(fèi)用最小，經(jīng)濟(jì)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(jié)語

輸水隧洞是抽水蓄能電站的重要組成部分，其規(guī)模合理與否對電站的一次投資和運(yùn)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(yùn)行工況下洞徑方案進(jìn)行動(dòng)能分析計(jì)算，以同等滿足電力系統(tǒng)需求為基礎(chǔ)，采用年費(fèi)用現(xiàn)值最小法，選擇抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)洞徑，可為同類工程參考借鑒。