抽水蓄能电站的地形条件直接关系电站的建设规模、工程参数、经济指标及其在电力系统中所能发挥的作用,是决定抽水蓄能电站技术经济指标的重要因素。国内抽水蓄能电站选点规划实践表明,地形条件不同,抽水蓄能电站的技术经济指标相差很大。抽水蓄能电站的地形条件主要从以下几方面来衡量。
7.1.1.1 上、下水库之间的天然高差和水平距离
由图7.1可知,抽水蓄能电站的最大水头、最小水头和平均水头分别为:
上述各式中 Htr——上、下水库之间的天然高程差;
Hsg——上水库工作深度;
Hss——上水库死库容最大深度;
Hxg——下水库工作深度;
Hxs——下水库死库容最大深度;Hjun——电站平均水头。
图7.1 抽水蓄能电站特征水头示意图
能量方程式E=9.81ηVtjHjun表明,当蓄能量一定时,平均水头越大,所需的调节库容越小,相应坝高及水库规模越小,机组直径、输水道及厂房尺寸亦随之减小,所以选择平均水头大的地点建设抽水蓄能电站是比较有利的。式(7.3)表明抽水蓄能电站的平均水头由三部分组成:第一部分是上、下水库之间的天然高差;它是自然形成的,获得它不需要付出工程代价;第二部分是上水库的工作深度和死库容深度,它们与上水库的规模和坝高有关,获得它们需要付出工程代价;第三部分是下水库的工作深度和死库容深度,与下水库的规模和坝高有关,获得它们也要付出工程代价。
另外,由式(7.3)还可看出,增大第二部分或减小第三部分,都可以加大电站平均水头,但是,加大第二部分,意味着加大上水库的调节库容和死库容,加大坝高,增加工程量和工程投资,同时也会增大电站装机容量,这与电力系统发展需要是否吻合,特别是增大死库容,势必要加大初期蓄水量,对于水源紧缺地区有可能成为制约因素。减小第三部分,虽然能降低下水库的坝高。但是,往往受地形条件限制,减小死库容深度Hxs之后,不能满足下水库进水口布置要求,而减小下水库工作深度Hxg又难以满足调节库容的要求。同时,在调节库容一定的情况下,减小下水库死库容最大深度Hxs必将增大下水库工作深度Hxg,导致电站工作水头的变化幅度加大,有可能超出水泵水轮机组工作水头允许变化范围,因此必须加以限制。由此可知,选择上、下水库天然高差大的站址总是有利的,而采取其他措施都有一定的限制。
当前单级水泵水轮机的最大水头可达600~700m,超过700m 需要考虑采用多级水泵水轮机或水泵和水轮机分置式布置。也就是说选择水头超过700m 的抽水蓄能站址,需考虑机组选型及厂房布置等方面的不利因素。国内已建、拟建的大中型抽水蓄能电站最大水头见表7.1。
表7.1 国内已建、在建及部分拟建大中型抽水蓄能电站的最大水头一览表
上、下水库之间的水平距离决定了输水道的长度,水平距离越远,输水道越长,不仅加大了输水道本身的工程量,而且增大了抽水和发电两种工况的水头损失,降低了电站的运行效率,对长期运行是十分不利的。
另外,从设置调压室的判别准则可知,当∑LV/gH>1.5~6.0s既要设置调压室。当输水道管径一定时,输水道愈长,∑LV/gH值愈大,∑LV/gH 与水平距离成正比,说明上、下水库水平距离越大越有可能设置调压室。调压室不仅有一定的工程量,而且技术要求高,施工难度相对较大。因此,设不设调压室输水系统的工程投资相差较大。另外一般调压室的布置对地形条件也有一定的要求,当地形条件不能满足要求时,会给输水系统布置带来难度。
通常用上、下水库进(出)水口的水平距离L 与电站平均水头Hjun的比值(称为距高比)来表示抽水蓄能电站的这一地形特征。一般认为L/Hjun<10为较好的站址,在选点规划阶段常以此作为控制条件。当然也不能绝对化,如果其他条件很好,距高比稍大些也不是一定不可取。南斯拉夫的巴其那·巴斯塔抽水蓄能电站的距高比就达13.22(=8000/605)。同时也不是距高比越小越好,有的情况下,当距高比小到一定程度,输水道布置难度增大,厂房位置不好确定,特别是下水库进(出)水口开挖易出现高边坡及库岸不稳定问题。因此,要结合地质等其他条件进行综合分析,合理处理距高比问题。
7.1.1.2 上水库地形条件
根据国内抽水蓄能电站选点经验,上水库有以下几种主要型式。
(1)利用高山盆地筑坝(包括主坝和副坝)形成水库,例如天荒坪、广州抽水蓄能电站的上水库。
(2)利用高位台地筑堤坝围建成水库。
(3)利用天然湖泊,如羊卓雍湖抽水蓄能电站上水库(羊卓雍湖)。
(4)利用已建人工水库,如桐柏抽水蓄能电站上水库(桐柏水库)。
上水库有利的地形条件应满足以下要求。
(1)具有基本封闭的完整库盆,库周边坡平顺,库岸山体雄厚。库周天然垭口少或垭口底部较高,宽度较小。如果库盆不完整,缺口很多,库岸地形支离破碎,不仅要布置很多副坝,而且垭口处往往地质条件复杂,是水库防渗薄弱环节,也是容易出现边坡不稳定的地段。
(2)库区较开阔,具有能满足蓄能要求的水库容积。如果库区狭窄,库容有限,不能满足电力系统蓄能要求。或者需要增大水库工作深度,使电站水头变化幅度加大,有可能超过水泵水轮机组工作水头允许变幅,同时也增大筑坝高度。
(3)坝址河谷较窄,沟底高程较高,比降较小,坝轴线距离下游陡峭底坡较远,两岸山坡平顺,坡度适中。坝址河谷宽窄、沟底高低、比降大小等直接关系坝型和坝轴线选择,影响拦河坝的规模及工程量。当地材料坝坝底较宽,要求有足够的布置余地,如果下游河谷比降大甚至有陡坡,则对下游坡脚布置十分不利。要考虑筑坝高度与电站水头比、建坝填筑工程量与有效库容比的大小。有的地方筑坝高度接近电站工作水头,表明电站水头主要靠筑坝形成,谈不上是好的站址;有的地方建坝填筑工程量超过有效库容,取得的工作水头又不大,更谈不上是可取的站址。
(4)进(出)水口段山坡坡度适中,坡面平顺,前沿宽度较大,进洞条件较好,取水条件较佳。
7.1.1.3 下水库地形条件
根据国内抽水蓄能电站选点经验,下水库主要有以下几种型式。
(1)峡谷中筑坝形成水库,例如天荒坪抽水蓄能电站的下水库。
(2)利用河谷盆地筑坝形成水库,例如广州抽水蓄能电站的下水库。
(3)利用低洼湖田筑堤坝围建成水库,例如响水涧抽水蓄能电站的下水库。
(4)利用人工水库,例如十三陵抽水蓄能电站的下水库(十三陵水库)。
(5)利用天然湖泊,例如无锡马山抽水蓄能电站的下水库(太湖)。
(6)利用海洋。华东勘测设计研究院于1989年进行浙江省抽水蓄能电站普查时,在浙江省海边找到两个以东海为下水库的抽水蓄能站址。2003年在福建省沿海又选到了若干个海水抽水蓄能电站站址,其中有的建设条件是相当好的。
日本于1998年建成了冲绳岛海水抽水蓄能试验电站,水头136m,装机30MW,有效库容56万m3,距高比3.82。
下水库有利的地形要满足的条件与上水库基本相同。(www.xing528.com)
7.1.1.4 厂房及输水系统地形条件
抽水蓄能电站机组吸出高度负值较大,安装高程较低,厂房常采用地下式,与之相配套,主变室、输水道、调压室、出线洞、交通洞等亦多为地下建筑。这些工程的平面、立面布置都对地形条件有一定的要求。
地下厂房及输水系统等地下建筑的布置应满足以下条件。
(1)地下厂房的位置应考虑高压管道、岔管以及出线洞、交通洞的布置要求。同时压力隧洞沿线洞顶高程应在水压力波线2m 以下,不出现负压。
(2)对于非钢衬地下压力输水道的埋藏深度有一定的要求,按挪威准则要求输水道的覆盖厚度需满足(见图7.2):
式中 CRM——输水隧洞计算横断面顶至岩面的最短距离;
hs——管道内水静水压力水头;
γw——水的容重;
γR——岩石容重;
β——山坡坡角;
F——安全系数(取1.3~1.5)。
图7.2 挪威准则山体覆盖厚度示意图
按雪山准则要求输水道的覆盖厚度应满足(见图7.3):
图7.3 雪山准则山体覆盖厚度示意图
1—不衬砌压力水道;2—最小岩石覆盖面
式中 CRV——垂直方向山体覆盖厚度;
CRH——水平方向山体覆盖厚度。
覆盖厚度应扣除地表土层和强风化岩层,即由弱风化顶线算起。
(3)调压室应满足顶部高于最高涌浪水位,底部低于最小涌浪水位的要求。这些要求集中反映了抽水蓄能电站对输水系统沿线地形条件的要求。在考察站址地形条件时,需反复研究实际地形能否满足这些要求。
7.1.1.5 抽水蓄能电站上、下水库组建型式及已建水库和天然水域的利用问题
根据笔者参加苏、皖、浙、闽、赣5 省选点查勘所经历约150余座抽水蓄能站址及部分国内已选抽水蓄能站址初步统计,抽水蓄能电站上、下水库组建型式主要有以下8种。
(1)上水库利用高山盆地筑坝形成,下水库利用深切沟谷筑坝形成,例如天荒坪抽水蓄能电站。
(2)上水库利用已建水库进行加固改造,下水库在溪流上筑坝形成,例如桐柏抽水蓄能电站。
(3)上水库利用高山盆地筑坝形成,下水库利用已建水库,例如仙居抽水蓄能电站。
(4)上水库利用沟谷源头筑坝形成,下水库利用天然湖泊,例如马山抽水蓄能电站。
(5)上水库利用天然湖泊,下水库利用大江大河,例如羊卓雍湖抽水蓄能电站。
(6)上水库利用已建水库进行加固改造,下水库也利用已建水库进行加固改造,例如北岙抽水蓄能电站。
(7)上水库利用高山盆地筑坝形成,下水库利用低洼圩区筑堤围建,例如响水涧抽水蓄能电站。
(8)上水库利用高山盆地筑坝形成,下水库为海洋;例如福建口门海水抽水蓄能站址。
多年选点工作实践中的几点体会如下:
(1)资源普查十分重要,在华东电网初期选点时缺乏经验,不知道普查的重要性,选点范围局限在苏南地区,并且往往只抓住个别站址就作深入的勘测设计,例如当时花很大力气对无锡南大浮抽水蓄能电站开展了勘测设计,后来在皖东南地区和浙北地区的选点中,发现比南大浮好的点子很多,如天荒坪、响水涧、琅琊山等,再后来开展了更大范围的选点查勘,发现了更多更好的站址,不得不放弃南大浮站址,由此可见,地区抽水蓄能电站资源普查是十分重要的。因为抽水蓄能电站的调节水量是在上、下水库中循环使用的,不像常规水电那样依赖河川径流发电,加之水头较高,需要的调节水量不大,可选的范围较大。而决定抽水蓄能站址优劣的因素较多,除了地理位置以外,还有地形、地质、枢纽布置、淹没损失、环境影响、施工条件等,需要综合考虑各方面的条件。
(2)初期选点总是以为利用天然水域作为上水库或下水库最有利,其实不然。正是这种思想的指导,初期选点时总是围着太湖转,结果由于受地形、地质条件限制,所选的站址水头均不超过150m,而且由于上、下水库之间天然高差多数不超过50m,造成筑坝高度都较大,电站工作水头的取得主要靠筑坝形成,同时地质条件也不好。自从发现了天荒坪之后,才真正体会到地形、地质条件的重要。天荒坪站址由于上、下水库天然高差达588m,上、下水库主坝最大坝高之和为159.2m,天然高差是上、下水库最大坝高的3.1倍,加之地质条件好,技术经济指标是苏南地区的站址无法比拟的。虽然比南大浮多建了一个下水库,但其地形、地质优势远远超过一个下水库的价值。
(3)关于已建水库的利用问题。利用已建水库作为抽水蓄能电站上水库的有两种情况:一是将已建常规水电站扩建为混合式抽水蓄能电站,例如响洪甸水库;二是完全占用已建水库,例如桐柏水库。前者扩大了已建水库的功能,后者改变了已建水库的功能。一般前者不产生赔偿问题,而后者常需考虑赔偿或设法弥补、恢复原有功能。采取一次性赔偿或投资建设新水库恢复或部分恢复原有供水需求,所花的费用不见得比新建一个水库省多少。
利用已建水库作为抽水蓄能电站上或下水库,通常需要占用已建水库的调节库容,对已建水库的原有功能有一定影响,占用调节库容的比重越大对原有功能的影响越大,协调起来难度越大,如果协调不好,将来电站运行会麻烦不断。
在选点阶段对以上情况,特别是后两种情况需要认真研究,不仅要研究对原有功能的影响程度及有无条件弥补由此带来的问题和损失,特别是已建水库是具有多种用途的综合利用工程更需慎重考虑利弊得失,同时还要考虑已建水库能否适应抽水蓄能电站运行特性的要求以及两者设计标准的差异。
(4)对于天然水域的利用也有需要认真研究的问题,天然湖泊常属于风景旅游区或生态保护区,有的有珍稀动物、植物,有的是重要的水源地,有的具有航运功能等,用作抽水蓄能电站调节水库将面临强大的环境影响评价和环境保护压力,为此需要付出较大的代价。选点阶段既要看到利用天然湖泊具有水源条件好、水位变化幅度小、少建一个水库节省工程投资等有利方面,也要看到不利的方面,要进行通盘考虑。
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