付紅娟，李曉軍，鄭德湘

（1.延邊水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 延邊 133001，2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；3.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118000）

1 工程概況

豐滿水電站位于第二松花江干流吉林市上游16 km處，距上游白山水電站210 km，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉、生態(tài)環(huán)境保護(hù)，具有旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用功能，具有多年調(diào)節(jié)性能。水電站始建于1937年，總裝機(jī)容量為1002.5 MW。電站裝機(jī)容量較大，調(diào)節(jié)性能好，距負(fù)荷中心近，是東北電網(wǎng)的骨干調(diào)峰電源，可以快速跟蹤負(fù)荷的變化，電站長(zhǎng)期以來(lái)在東北電力系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著調(diào)峰、調(diào)頻、負(fù)載和事故備用等任務(wù)，電站的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于東北電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要作用。

原豐滿電站運(yùn)行近70年，電站在運(yùn)行過(guò)程中一直不斷地對(duì)大壩進(jìn)行修補(bǔ)和加固處理，但先天性缺陷一直未能解決。2009年7月提出豐滿水電站全面治理重建方案，并作一步研究建設(shè)的具體規(guī)模。為考慮充分利用水力資源，改善電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)，緩解系統(tǒng)調(diào)峰狀況，保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，按照實(shí)事求是的原則，優(yōu)化確定豐滿水電站重建工程的裝機(jī)容量。

2 裝機(jī)容量研究

2.1 方案擬定

豐滿水電站全面治理工程在以往研究基礎(chǔ)上，考慮新建廠房裝機(jī)容量盡量取整，新建裝機(jī)規(guī)模與原裝機(jī)規(guī)模相當(dāng)，綜合分析擬定新建裝機(jī)容量為800，1000，1200和1400 MW4種方案，機(jī)組臺(tái)數(shù)按單機(jī)容量200 MW計(jì)，分別為4臺(tái)、5臺(tái)、6臺(tái)和7臺(tái)，考慮保留的原三期廠房280 MW容量后，比選方案分別為1080，1280，1480和1680 MW。此次研究對(duì)比選方案分別進(jìn)行了徑流調(diào)節(jié)計(jì)算、電力電量平衡分析、方案經(jīng)濟(jì)比較，并結(jié)合工程建設(shè)條件等因素，綜合確定豐滿重建工程的裝機(jī)容量。

2.2 徑流調(diào)節(jié)計(jì)算

豐滿入庫(kù)徑流資料采用延長(zhǎng)并還原后的1933—2008年76年旬徑流系列，豐滿庫(kù)容曲線采用2010年實(shí)測(cè)成果，尾水位與流量關(guān)系曲線采用原成果。重建工程正常蓄水位263.5 m，死水位242 m，汛限水位260.5 m，設(shè)計(jì)保證率90%，城市及環(huán)境用水最小流量為161 m3/s，5，6月份灌溉期豐滿水庫(kù)放流按不小于361 m3/s考慮，引松入長(zhǎng)為11 m3/s。按上述條件，分別對(duì)各方案進(jìn)行長(zhǎng)系列梯級(jí)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，成果見(jiàn)表1。

表1 豐滿電站各裝機(jī)方案徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

成果分析：1）隨著裝機(jī)容量的增加，發(fā)電量和水量利用率也隨之增加，但增加的幅度逐漸減少。方案2增加容量200 MW，增加電量1940×104kW·h，補(bǔ)充裝機(jī)利用小時(shí)為97 h，水量利用率增加1.02%；方案3補(bǔ)充裝機(jī)利用小時(shí)為60 h，水量利用率增加0.64%；方案4補(bǔ)充裝機(jī)利用小時(shí)僅為41 h，水量利用率增加0.38%，明顯減少。2）各方案裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)，方案1為1546 h，方案2為1320 h，與東北地區(qū)已建大型常規(guī)水電接近，方案3為1149 h，有些偏低；方案4已下降到1018 h，明顯偏低。3）4個(gè)裝機(jī)方案的機(jī)組最大引用流量分別為 2138，2540，2937和3346 m3/s，方案1機(jī)組流量小于下游防洪控泄流量下限 2500 m3/s，方案2和方案 3在 2500～3000 m3/s之間，滿足豐滿水庫(kù)下游防洪目標(biāo)要求，而方案4則超過(guò)防洪任務(wù)規(guī)定中最大控泄流量3000 m3/s的限制。

2.3 電力電量平衡

豐滿水電站典型年選擇，豐水年1960年，平水年1962年，枯水年1976年。此次參與平衡的常規(guī)水電站22座，抽水蓄能電站4座，中朝界河上的水電站按一半容量參加平衡。

平衡原則：1）系統(tǒng)負(fù)荷備用。取最大負(fù)荷的3%，全部由水電承擔(dān)，并參照各電站裝機(jī)容量比例進(jìn)行分配。2）系統(tǒng)事故備用。取最大負(fù)荷的10%，其中：水電承擔(dān)1%，火電承擔(dān)9%，當(dāng)遇豐水年水電大發(fā)時(shí)，為減少棄水節(jié)省耗煤，適當(dāng)轉(zhuǎn)給火電承擔(dān)。3）機(jī)組檢修時(shí)間。水電按30 d/a考慮，火電機(jī)組按45 d/a考慮。4）平衡順序。首先按滿足永慶水庫(kù)反調(diào)節(jié)的需要，確定豐滿電站的工作位置，然后按裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)從小到大的順序安排其它水電站。5）抽水蓄能電站按日平均調(diào)峰發(fā)電4.5 h考慮，綜合效率采用75%。6）各類(lèi)機(jī)組調(diào)峰幅度。水電機(jī)組扣除基荷容量后，調(diào)峰能力按100%計(jì)；抽水蓄能電站既可調(diào)峰又能填谷，調(diào)峰能力為200%；東北電網(wǎng)燃煤火電機(jī)組綜合調(diào)峰幅度為33%，遠(yuǎn)景新增調(diào)峰火電機(jī)組的調(diào)峰幅度均在40%以上，常規(guī)燃煤火電機(jī)組綜合調(diào)峰幅度采用35%。熱電、核電、風(fēng)電和徑流式小水電以及企業(yè)自備機(jī)組均擔(dān)任基荷，不參加調(diào)峰。7）旋轉(zhuǎn)備用率采用8%。

按照上述條件及方法對(duì)豐滿電站各裝機(jī)方案分別進(jìn)行設(shè)計(jì)枯水年的調(diào)峰能力平衡計(jì)算和電力電量平衡計(jì)算。從調(diào)峰能力平衡分析看，東北電網(wǎng)2020年最大負(fù)荷為80115 MW，最小負(fù)荷48870 MW，旋轉(zhuǎn)備用6409 MW，需要最大開(kāi)機(jī)容量86524 MW，系統(tǒng)需要調(diào)峰容量為37654 MW，各類(lèi)機(jī)組可提供的調(diào)峰容量為28775 MW左右，則電網(wǎng)調(diào)峰缺口在8879 MW左右。如果再考慮26000 MW風(fēng)電運(yùn)行所帶來(lái)40%的反調(diào)峰作用，導(dǎo)致電網(wǎng)的調(diào)峰缺口更大。從電力系統(tǒng)需求看，豐滿電站的裝機(jī)容量越大越好。當(dāng)裝機(jī)方案為1680 MW時(shí)，各類(lèi)機(jī)組可提供的調(diào)峰容量?jī)H為28933 MW，其中常規(guī)水電6462 MW，占17.16%；抽水蓄能6956 MW，占18.47%；火電機(jī)組15515 MW，調(diào)峰缺口為8721 MW。如果考慮2020年風(fēng)電參加調(diào)峰后，要達(dá)到系統(tǒng)調(diào)峰容量平衡，火電機(jī)組的調(diào)峰幅度均處于深度調(diào)峰之中，調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性和可行性很難保證。從調(diào)峰所占比例看，設(shè)計(jì)水平年剩余64.37%調(diào)峰任務(wù)要由火電機(jī)組承擔(dān)，電網(wǎng)調(diào)峰容量嚴(yán)重不足，電源結(jié)構(gòu)明顯不合理，電網(wǎng)調(diào)峰將更加困難。從電力電量平衡看，冬季最大負(fù)荷月可承擔(dān)的工作容量分別為715，857，1000和1088 MW，備用容量分別為365，423，480和592 MW，裝機(jī)容量1080～1480 MW在系統(tǒng)中均可全部發(fā)揮作用。但裝機(jī)容量1680 MW方案，工作容量增加的幅度明顯減少，而備用容量明顯增多，如果不多承擔(dān)備用容量將出現(xiàn)約32 MW的空閑容量，說(shuō)明電站裝機(jī)容量過(guò)大。

2.4 工程建設(shè)條件

水工布置：各比選方案廠房布置基本相同，均為壩后式地面廠房，布置在右岸壩下，隨著裝機(jī)容量的增加，工程量也隨之增加，但對(duì)裝機(jī)規(guī)模不存在制約性因素。

機(jī)電：豐滿電站水頭運(yùn)行范圍為44.0～71.0 m，選擇立軸混流式水輪機(jī)，按各方案的設(shè)計(jì)條件和基本參數(shù)及電站既往運(yùn)行特點(diǎn)，從水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行角度分析，裝機(jī)容量800，1000，1200，1400 MW4個(gè)方案的水頭變幅值Hmax/Hmin為1.6左右，水頭變幅在穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)，各比選方案技術(shù)均可行，不存在制約性技術(shù)難題。

水庫(kù)淹沒(méi)：各裝機(jī)方案非汛期調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，下泄流量對(duì)永慶水庫(kù)回水淹沒(méi)范圍均有一定的影響，永慶壩址處影響0.21～1.04 m；回水末端影響0.23～1.22 m。裝機(jī)方案1680 MW時(shí)，回水范圍超過(guò)永慶水庫(kù)原設(shè)計(jì)確定的20年標(biāo)準(zhǔn)的居民淹沒(méi)線?？紤]永慶庫(kù)區(qū)無(wú)新增居民，僅有零星耕地、林地和電桿，新增的補(bǔ)償投資均不大，對(duì)裝機(jī)容量選擇影響不大。

施工組織：各方案廠房布置均采用右岸布置，壩型采用碾壓混凝土壩，主體工程量相差不大，各方案的施工條件、總布置、導(dǎo)流方式及料源基本相同，僅是施工方法、臨建面積、骨料加工量上有所差別。施工組織上對(duì)裝機(jī)容量選擇不起控制因素。

2.5 方案經(jīng)濟(jì)比較

對(duì)比選方案分別進(jìn)行經(jīng)濟(jì)計(jì)算和財(cái)務(wù)分析計(jì)算，用以判別方案的優(yōu)劣。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 豐滿電站裝機(jī)容量綜合比較表

由表2看，方案1總費(fèi)用現(xiàn)值最高，方案4總費(fèi)用現(xiàn)值最低。方案2和方案3相比，方案3較優(yōu)越，總費(fèi)用現(xiàn)值僅比方案4增加4.5億元，而方案2較方案4增加9.3億元。從總費(fèi)用現(xiàn)值計(jì)算結(jié)果看，方案4最優(yōu)，方案3次之，但方案3和方案4相差不大。隨著裝機(jī)容量的增加，上網(wǎng)單位電價(jià)也隨之增加，方案2較方案1增加0.047元，方案3較方案2增加0.046元，而方案4增加幅度為0.05元。各方案間電價(jià)增加幅度較接近，以方案3最低。從市場(chǎng)對(duì)上網(wǎng)電價(jià)的承受能力看，各方案作為調(diào)峰電價(jià)都是可以接受。

3 研究結(jié)論

1）方案1，裝機(jī)容量、工作容量和年發(fā)電量最少，而單位千瓦投資和總費(fèi)用現(xiàn)值最高，與其它方案比，能量指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相對(duì)較差，而且所提供的工作容量對(duì)急需調(diào)峰容量的電力系統(tǒng)貢獻(xiàn)較小，不予考慮。

2）方案2與方案3相比，單位千瓦投資、補(bǔ)充千瓦投資、總費(fèi)用現(xiàn)值，方案3都較為經(jīng)濟(jì)，特別是從系統(tǒng)調(diào)峰需要的角度考慮，方案3較為有利。

3）方案4發(fā)電量和水量利用率略有增加，單位千瓦投資和總費(fèi)用現(xiàn)值相對(duì)較低，但增加和降低的幅度很小，而補(bǔ)充千瓦投資和補(bǔ)充電能投資均呈上升趨勢(shì)。特別是若不承擔(dān)備用容量，則會(huì)出現(xiàn)32 MW的空閑容量，說(shuō)明裝機(jī)容量有些偏大。

4）按照國(guó)家防汛抗旱總指揮部“國(guó)汛[2004年]8號(hào)文”中規(guī)定：“當(dāng)豐滿水庫(kù)發(fā)生5至10年一遇洪水時(shí)，盡可能控制下泄流量在2500～3000 m3/s之間，以減少第二松花江兩岸的淹沒(méi)損失”。方案4的機(jī)組下泄流量達(dá)3346 m3/s，已超過(guò)下游防洪任務(wù)規(guī)定的豐滿最大安全下泄流量3000 m3/s，對(duì)永慶水庫(kù)下游沿江兩岸河灘地將帶來(lái)新的淹沒(méi)問(wèn)題，不可取。

5）方案3裝機(jī)容量1480 MW時(shí)下泄流量為2937 m3/s，滿負(fù)荷工作1，2，4和8 h，通過(guò)河道槽蓄作用使發(fā)電流量衰減至2500 m3/s以下時(shí)，距豐滿電站壩址距離分別是10.4，16.7，26.0，27.5 km。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察和了解，二松豐滿以下河灘地主要分布在距離豐滿壩址約64 km的土城子鄉(xiāng)以下河道，而土城子鄉(xiāng)以上特別是豐滿壩址～九站以上45 km的范圍內(nèi)，大部分河段均屬市區(qū)段，基本沒(méi)有河灘地。因此，非汛期豐滿水電站按滿裝機(jī)1480 MW運(yùn)行時(shí)，不會(huì)對(duì)河灘地造成影響。

6）從徑流調(diào)節(jié)、電力電量平衡、經(jīng)濟(jì)方案比較及建設(shè)條件綜合分析，豐滿水電站全面治理重建工程的裝機(jī)容量推薦1480 MW方案，其中新建廠房裝機(jī)容量1200 MW，安裝6臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量為200 MW。