彭穗萍

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

0 前言

引汉济渭工程是解决陕西省关中地区水资源短缺，优化全省水资源配置的关键性跨流域调水工程，工程调度运行要求三河口水利枢纽坝后不仅要布置泵站抽汉江水量入支流三河口水库调蓄，而且要布置电站利用供水发电进行电能回收。基于调度要求，在机组具备抽水发电双向运行条件下，研究三河口水库坝后电站机组抽水发电双向运行的可行性，对双向机组装机规模进行论证。实现三河口水库坝后泵站、电站联合布置，优化设计，提高效率，节能降耗，减少投资的目标。

1 论证背景

1.1 引汉济渭工程概况

陕西省引汉济渭工程是从汉江流域调水至渭河流域关中地区，缓解关中地区水资源供需矛盾，促进陕西省内水资源优化配置，改善渭河流域生态环境，促进关中地区可持续发展的大型Ⅰ等调水工程。工程建设任务向渭河沿岸重要城市、县城、工业园区供水，逐步退还挤占的农业与生态用水，促进区域经济社会可持续发展和生态环境改善。工程调水量近期10.0 亿 m3，远期 15.0 亿 m3。

调水工程主要由黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽和长98.3 km的秦岭输水隧洞组成，工程总体布局在汉江干流兴建黄金峡水库及在其支流子午河兴建三河口水库为水源，在黄金峡水利枢纽坝后修建泵站，抽汉江干流水通过黄三段隧洞输水至汇流池，所抽大部分水量直接由越岭段隧洞送至渭河流域关中受水区，黄三段输水流量大于关中用水流量的部分水量由三河口泵站抽入三河口水库存蓄，当黄三段输水流量较小，不满足关中受水区用水需求时，由三河口水库放水补充，所放水经坝后电站发电后进入越岭段隧洞送至关中受水区。

1.2 库群联合调度方式

引汉济渭调水工程的水资源调度运行是一项复杂、大系统、多目标的决策问题。系统内各调蓄工程的任务不同，兴利目标众多，各目标的供水保证率又有较大差异[1]。

基于调水要求，建立供水系统网络节点图[2]，进行四水源库群联合调度，库群调度方式为:调水区以三河口水库为中心，黄金峡水库为补偿，调度目标尽量充分利用允许可调水量，通过三河口水库进行多年调节，黄金峡水库进行年调节，减少年内年际供水差别，提高枯水年调水量；受水区以黑河金盆水库调度线实现黑河水库和地下水供水的联合运用，进行补偿调节，黑河水库解决年际不均匀的缺水过程，地下水主要解决年内不均匀的缺水过程[3]。

库群联合调度要求三河口水库不仅要调蓄本流域年内年际的水量，而且还具有调蓄汉江干流年内水量的能力。

2 坝后电站双向机组可行性研究

2.1 水库双向运行条件

引汉济渭工程四水源库群联合调节，确定了黄金峡坝后泵站自库区提水，入黄三段和越岭段隧洞输水至黑河金盆水库下游的黄池沟；当黄金峡泵站抽水流量小于受水区需水要求时，由三河口水利枢纽坝后电站发电后，通过连接洞补充供水至越岭段隧洞；当黄金峡泵站抽水流量大于受水区需水要求时，富余的水量通过连接洞由三河口泵站抽水入三河口水库存蓄。

库群联合调度方式，三河口水库供水发电时泵站不抽水，泵站抽水时不供水发电；供水发电、泵站抽水工作时间不同步，水库具有供水发电与泵站抽水双向运行的基础条件。

2.2 坝后连接洞设计特点

三河口水库抽水、供水运行的特点，要完成抽水、供水任务，需在水库坝后修建泵站，提水入库，利用水库供水建电站发电、回收水能资源。

水库实现双向供水的工程设置:

1）修建秦岭输水隧洞的连接洞，需具有双向输水功能，连接洞纵向底坡i=0，与主洞衔接处节点高程642.65 m相同。

2）连接洞需同时联通三河口水库坝后电站与泵站。

连接洞向三河口水库抽水时设计流量为18 m3/s；向越岭段隧洞供水时，利用供水流量、泄放的生态流量和下泄水量进行发电，设计发电流量为72.7 m3/s。

2.3 双向机组研究目的

库群联合调度方式要求，三河口水库要完成抽水、供水任务，需修建泵站、电站工程措施，这就提出泵站、电站可否合二为一，双向机组装机容量论证的课题。在完成供水与抽水双向任务情况下，达到有效回收水能资源、优化工程设计、便利运行管理的目的，为项目进行科技研发、提升设计水平，提供规划依据与技术支撑。

3 电站双向机组装机规模论证

3.1 泵站装机规模确定

三河口水利枢纽是以供水为主，结合发电，先确定坝后供水泵站装机规模。

3.1.1 运行方式

在引汉济渭工程联合调度要求三河口水库运行方式基础上，确定坝后泵站运行方式为:在满足三河口水库下游用水与工程防洪条件下，水库水位在防弃水线之上，泵站不抽水；在防弃水线之下，泵站抽取黄金峡泵站抽水量大于受水区需水要求的多余水量，抽入水库存蓄备用；泵站单机抽水流量与黄金峡泵站单机抽水流量需进行合理匹配。

3.1.2 装机规模

引汉济渭工程四水源库群调度计算结果，选定泵站特征扬程为:最大净扬程93.96 m，设计净扬程91.08 m，最小净扬程29.8 m，结合三河口泵站单机抽水流量需与黄金峡泵站单机抽水流量进行合理匹配的要求，选择2台机组，单机抽水流量为9 m3/s，相应配套电机功率12 MW，确定泵站总装机功率24 MW。

3.2 电站装机规模确定

3.2.1 运行方式

在三河口水库运行方式基础上，确定坝后电站运行方式遵循“一水多用，先用后耗”的原则。电站利用水库供水、下泄水量以及水库与电站尾水之间的落差进行发电；结合机组的适应性，在正常蓄水位与水位593 m之间，按水库供水与下泄水量进行发电；水位在593 m以下，电站不发电；泵站抽水时，电站不发电；依据水库坝址长系列逐旬资料，进行电站的动能计算。

3.2.2 常规机组装机容量

泵站电站分开布置方式为泵站前池、2台机组、厂房、出水管道自成体系；电站进水管道、机组、厂房、尾水池也自成体系，发电流量为72.7 m3/s。

由于水库消落深度较大，在发电水头小于50 m，发电流量小于15 m3/s时，出力受阻。

以调水过程为基础，受发电流量72.7 m3/s的限制，最大发电出力为56 MW。

在供水工况，结合发电水头变化，机组按3台考虑，相同条件下进行不同装机容量的长系列计算，不同方案动能经济指标比较见表1。

表1 不同布置方式不同装机容量动能经济指标比较表

经论证，确定三河口水库坝后泵站与电站分开布置的电站装机容量为45 MW。

3.3 可逆机组装机容量

发电与抽水管道的布置方式为共用一个进口与管身段，管道的设计流量为72.7 m3/s，抽水机组也可以进行发电，抽水厂房与发电厂房有机合并为一个厂房。

可逆式机组的装机是根据主要任务的抽水功能确定的，在不抽水时，可进行发电。

可逆机组泵工况的抽水流量为18 m3/s，选2台单机12 MW的机组可满足抽水任务。

经论证，在管道设计流量为72.7 m3/s情况下，扣除可逆机组发电18 m3/s后，还有54.7 m3/s流量需要常规机组发电，进行回收电能设计。剩余54.7 m3/s的流量，按三河口高位发电水头100 m，常规机组出力估算为45 MW。

常规机组在发电水头小于50 m，发电流量小于12.5 m3/s时，出力受阻；可逆机组在发电水头小于65 m，发电流量小于6 m3/s时，出力受阻。

在确定可逆式机组为2台，结合发电水头变化，常规机组按2台考虑，在相同条件下进行不同装机容量的长系列计算，不同方案动能经济指标比较见表1。

综合电能回收、水资源利用、经济指标论证后，确定三河口水库坝后泵站与电站联合布置的电站装机容量为60 MW，其中常规装机容量为40 MW，可逆式机组装机容量为20 MW。

3.4 双向机组装机容量确定

从泵站、电站工程的经济性、优化设计、科技含量等方面进一步综合论证，以确定经济合理的电站双向机组装机规模。综合论证见表2、图1、图2。

表2 电站双向机组装机规模综合论证表

图1 泵站和电站分开、联合布置发电流量频率曲线图

图2 泵站和电站分开、联合布置出力频率曲线图

从电能回收效益、工程投资、方案单位电能投资、科技创新等方面论证，推荐泵站、电站联合布置方案，电站总装机容量为60 MW，其中常规机组装机容量为40 MW；可逆式机组发电工况装机容量为20 MW，抽水工况装机容量为24 MW。

4 结论

通过论证，得出如下结论:

1）引汉济渭工程四水源库群联合调度，确定了三河口水库具有抽水时不发电、发电时不抽水、抽水与发电时段不同步、双向运行的特点。

2）双向机组装机，基于抽水与发电不同步的特点，在同一厂房中可逆式水泵机组和常规发电机组设计成为可能性，利用水泵水轮机可逆式机组来适应抽水和发电两种功能，优化工程布置、减少设备投入和土建工程量，在技术上是可行的。

3）双向机组装机容量确定，泵站、电站联合布置，提高了水能利用，提升了工程设计理念，符合节能减排要求，方便工程运行管理、减少工程投资，在经济上是合理的。