紫城水电站一期工程装机容量选择研究

魏 亮 于 红

紫城水电站一期工程装机容量1×1600kW，远期总装机容量3×1600kW，以南水北调配套工程供水发电为主，兼顾灌溉放水发电，特别是南水北调配套工程石津干渠工程的实施，将使该水电站的发电效益得到有效保证。

1. 工程规模

紫城水电站采用旁侧引水式布置方式，主要建筑物包括进水口、前池、进水闸、压力管道、主厂房、尾水渠、升压站等。工程区域内地址条件良好，站址地形较平坦，场地地面高程为40.0~45.5m。一期工程装机容量1×1600kW，设计流量28.3m3/s，设计水头6.5m，多年平均发电量1241.48万kW·h，装机年利用小时数7759h，水能利用率78.8%，概算总投资2398.78万元。电站建成后以一回35kV线路并入距电站3.0km远西里庄变电站的35kV母线运行。装设一台2000kVA主变压器，采用发电机变压器单元接线型式。

2. 水能计算

根据《河北省南水北调配套工程石津干渠工程初步设计报告》，石津干渠紫城水电站处南水北调配套多年平均供水量为6.84亿m3，南水北调配套供水与石津干渠灌溉放水叠加后的总干渠在紫城节制闸处的设计流量为110 m3/s，加大流量为 119m3/s，相应闸上设计水位为46.84m，加大水位为46.96m，闸下设计水位为41.14m，加大水位为41.29m。在南水北调配套工程单独供水时，平均流量22m3/s，下游水位39.11m。

水能计算按典型年法进行。根据石津灌区近20年灌溉水量径流系列和南水北调分配给紫城节制闸处的分水量径流系列，选择丰、平、枯3个典型代表年，频率选取为 15%、50%、85%，其年径流分别为 3.91亿 m3、2.58亿 m3和1.74亿m3。计算内容主要为针对选定的装机容量和水轮机型式，计算各典型年及多年平均年发电量，装机年利用小时数、加权平均水头及水能利用率等。

水能计算时，电站日出力按照下式计算：N=KQH。式中N为日平均出力，kW，当计算出力大于装机容量时，取为装机容量值，即N=1600kW；K为综合出力系数，本站水轮机型式选择为灯泡贯流转浆式，水轮机效率高，根据所选水轮机运转特性曲线，取K=8.6~8.7；Q为发电流量，m3/s，为南水北调供水流量与灌溉流量之和，发电流量Q大于水轮机设计流量时，取为设计流量值，即Q=28.3m3/s。

H为发电净水头，m，H=Z上-Z下-h损式中Z上为前池正常蓄水位，取南水北调配套工程紫城节制闸处上游设计水位，Z上=46.84m；Z下为下游尾水位，由下游水位~流量关系曲线查取，h损为水头损失，经计算，取h损=0.2m。

式中 Ej为对应某一装机容量，kW·h；Ni为日平均出力，kW；m为年发电天数。

水能计算成果见下表。

水能计算成果表

3. 装机容量

电站一期工程按南水北调配套供水量选择装机容量。南水北调配套供水全年基本为均匀供水，对应3个设计保证率（15%、50%、85%）的日平均流量分别为 23.68m3/s、22.44m3/s和 18.98m3/s，相应设计落差7.45～7.7m，经计算日平均出力在1534~1271kW，结合水轮机型式选择了3个装机方案进行比较。

方案Ⅰ： 单台机组，1×1600kW，贯流转浆灯泡式机组。厂房布置尺寸较小，土建投资较省，机组效率较高，适应出力范围较大，在35%~100%额定出力之间，能够适应从南水北调配套供水初期到正常供水较大的流量变化，水轮机基本运行在高效区。缺点是机组结构较复杂，价格较贵，检修维护不方便；仅1台机组，一旦机组故障或机组大修，电站将停运，造成弃水和电量损失。

方案Ⅱ： 单台机组，1×1600kW，贯流调浆轴伸式机组。机组维护方便，水工结构简单，施工周期较短，缺点是出力范围较小，在流量或水头变化时水轮机效率下降较快；机组虽为调浆式，但需停机人工手动调浆，操作较复杂，另该方案为单台机组，一旦机组故障或机组大修，电站将停运，造成弃水和电量损失。

方案Ⅲ：2 台机组，2×800kW，贯流定浆轴伸式机组。机组维护方便，水工结构简单，设备价格较低；2台机组运行较灵活。缺点是出力范围较小，在流量或水头变化时水轮机效率下降较快；厂房布置尺寸较大，实施二期工程时，将给电站的机型选择及厂房布置带来较大难度。

综合技术经济比较，方案Ⅰ能够根据电站流量和水头变化随时自动调整导叶和浆叶，机组出力范围宽、效率高，发电效益明显；价格虽较高，但并不明显；电站1台机组有利于二期工程的衔接与布置。因此方案Ⅰ选为推荐方案，即电站一期工程装机容量选择为1×1600kW，贯流转浆灯泡式机组。