于 紅

(河北省石津灌區(qū)管理局，河北石家莊 050061)

1 工程概況和規(guī)模

1.1 工程概述

土賢莊水電站位于石家莊市東二環(huán)與石津總干渠交叉口的土賢莊跌水處，系石津總干渠梯級(jí)電站規(guī)劃的第三級(jí)水電站，規(guī)劃裝機(jī) (2 × 2000 + 1 × 800)kW。電站上游己有孟同水電站(裝機(jī)3 ×1250kW)和田莊水電站(裝機(jī)2 ×2500kW)，下游還有規(guī)劃中的良村、梨元莊和子城水電站。電站利用黃壁莊和崗南水庫經(jīng)石津總干渠的灌溉放水和汛前泄水，以及南水北調(diào)中線工程通過石津總干渠向石家莊和衡水兩市的供水在跌水處形成的落差發(fā)電。

石津總干渠的灌溉來水和水庫汛前泄水總量平均每年5.43 億m3，可利用水量4.82 億m3，土賢莊跌水落差6.44m，電站平均每年發(fā)電量約1298.60 萬kW·h。根據(jù)最新規(guī)劃指標(biāo)，南水北調(diào)中線工程向石家莊和衡水兩市的供水總量平均每年4.67 億m3，可利用發(fā)電量每年約600 萬kW·h，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

1.2 工程規(guī)模

電站采用河床式正向布置方式，工程規(guī)模為小(2)型。電站設(shè)計(jì)流量105.33m3/s，設(shè)計(jì)毛水頭5.5m，總裝機(jī)容量(2 ×2000 +1 ×800)kW，平均年發(fā)電量1298.60 萬kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)3247h，水能利用率0.938。電站以一回10kV 線路送往紅光變電站，并網(wǎng)線路約1.4km，輸送容量5630kV·A。

2 水文分析及水能計(jì)算

2.1 水文分析

石津總干渠是人為控制渠道，水文分析按兩種方案進(jìn)行。

方案一根據(jù)年徑流系列(見表1)進(jìn)行典型年的選擇。理論頻率曲線計(jì)算采用P-Ⅲ線型，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整后求得系列的特征值及不同保證率的年徑流量。系列均值x—為3.97 億m3。年徑流頻率曲線見圖1。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇與設(shè)計(jì)值相近、徑流及其他資料較為完整、對(duì)電站未來運(yùn)行較不利的年份作為典型年。經(jīng)比較分析，選取設(shè)計(jì)保證率為25%、50%和75%的典型年分別為1995 年、1990 年和2005 年，其年徑流量分別為7.97 億m3、5.31 億m3和3.65 億m3。

方案二對(duì)1988 ～2008 年逐日流量過程進(jìn)行分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，總干渠渠首1988 ～2008 年20 年平均放水量5.23 億m3，南水北調(diào)通過總干渠日平均流量15m3/s，平均每年放水量4.67 億m3。

表1 渠首1988 ～2008 年逐年放水量

圖1 年徑流頻率曲線

2.2 水能計(jì)算

水能計(jì)算按照以上兩種方案進(jìn)行，主要計(jì)算含南水北調(diào)供水情況。

方案一計(jì)算內(nèi)容為3 個(gè)典型年及其多年平均的年發(fā)電量與裝機(jī)容量關(guān)系曲線、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。

方案二計(jì)算內(nèi)容為1988 ～2008 年在不同裝機(jī)容量下年發(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，并計(jì)算出20 年算術(shù)平均值。

水能計(jì)算時(shí)，電站日出力按下式計(jì)算:

N = 7.8QH

式中 N——日平均出力，kW;

7.8——綜合出力系數(shù);

Q——實(shí)際日引用量(在含引江流量的水能計(jì)算中，為對(duì)應(yīng)頻率的逐日灌溉流量與引江流量之和)，m3/s;

H——毛水頭，H = Z上－ Z下(Z上為前池正常蓄水位，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)。

年電能按下式計(jì)算:

式中 Ej——對(duì)應(yīng)的某一裝機(jī)容量，kW·h;

Ni——日平均出力，kW，當(dāng)出力大于裝機(jī)容量Nj時(shí)，取裝機(jī)容量。

經(jīng)計(jì)算比較，方案一計(jì)算成果比方案二的更為保守，因此裝機(jī)方案按照方案一進(jìn)行計(jì)算選擇。方案一各典型年及其平均年發(fā)電量與裝機(jī)容量關(guān)系曲線見圖2，水能計(jì)算成果見表2。

圖2 各典型年每發(fā)電量與裝機(jī)容量關(guān)系曲線

表2 三個(gè)典型年不同裝機(jī)容量下含引江流量的水能計(jì)算成果

3 裝機(jī)容量選擇

根據(jù)裝機(jī)容量與年發(fā)電量關(guān)系曲線及水能計(jì)算成果，以75%年裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)在4000h 左右、多年平均裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)在4200h 左右為原則，裝機(jī)容量值在4500kW 左右，選擇3 個(gè)裝機(jī)進(jìn)行方案比較。

(1)方案Ⅰ:3 臺(tái)機(jī)組(3 ×1250kW)。水輪發(fā)電機(jī)組為整裝軸伸貫流式，主要考慮南水北調(diào)小水量時(shí)日均流量在10 m3/s 左右，電站裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)較高，水輪機(jī)單機(jī)流量28.44m3/s，能較好地適應(yīng)引江供水發(fā)電情況。

(2)方案Ⅱ:3 臺(tái)機(jī)組 (2 × 1600kW + 1 ×800kW)。電站水能利用率較高，水輪發(fā)電機(jī)組為整裝燈泡貫流式和軸伸式，水輪機(jī)單機(jī)流量36.41m3/s和14.30m3/s，能較好地適應(yīng)引江供水發(fā)電情況。

(3)方案Ⅲ:3 臺(tái)機(jī)組 (2 × 2000kW + 1 ×800kW)。水輪機(jī)單機(jī)流量45.51m3/s 和14.30m3/s，水輪發(fā)電機(jī)組為豎井和燈泡貫流轉(zhuǎn)槳式，大流量時(shí)水能利用率高，高效率運(yùn)行區(qū)域?qū)拸V，能較好地適應(yīng)引江供水發(fā)電情況。

經(jīng)綜合比較，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均能滿足引江小流量時(shí)的運(yùn)行要求，另外綜合考慮水庫小流量棄水流入石津灌區(qū)、提高灌區(qū)總體水電的效益等因素，確定方案Ⅲ為初選方案，即電站裝機(jī)容量選擇為(2 ×2000 +1 ×800)kW 。

4 結(jié) 語

石津灌區(qū)是河北省規(guī)模最大、經(jīng)營管理和灌溉效益最好的大型灌區(qū)，沿途共有19 座跌水。隨著南水北調(diào)中線工程即將實(shí)施，開發(fā)水能資源必將大大提高灌區(qū)綜合利用效益。土賢莊電站已于2012 年完工，計(jì)劃2013 年春灌投運(yùn)發(fā)電，其運(yùn)行情況可為河北省水電建設(shè)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

［1］ 王樹人，董旒新.水電站建筑物［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1992.

［2］ 張洪楚.水電站［M］.北京:中國水利水電出版社，1994.

［3］ 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)水力機(jī)械［M］.北京:水利電力出版社，1983.

［4］ 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)電氣一次［M］.北京:水利電力出版社，1982.

［5］ 華東水利學(xué)院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第七卷水電站建筑物［M］.北京:水利電力出版社，1989.