五岳抽水蓄能电站输水隧洞经济洞径分析

鄢军军，周铁柱

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

0 前言

五岳抽水蓄能电站位于河南省信阳市光山县境内，位于鄂豫电网联络线的东通道上，电站建成后主要服务于河南电网，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等任务。电站拟装4 台250 MW 的立轴可逆混流式机组，总装机容量1000 MW。电站加权平均水头238.3 m，额定水头241.0 m。

输水发电系统布置在上水库东侧雄厚山体中，地下厂房采用首部式。引水和尾水系统均采用两洞四机布置、斜进正出厂房方案，输水系统主要建筑物包括上水库侧式进/ 出水口、2 条引水主洞、2 个引水岔管、4 条引水支洞、4 条尾水支洞、1 个尾水闸门室(内设 4 个闸门井)、2 个尾水岔管、2 条尾水主洞、下水库侧式进/出水口，对应每条尾水主洞设置1个阻抗式调压室。下水库进/出水口与五岳水库间采用进出水渠连接。除引水支洞和尾水支洞大部分采用钢板衬砌外，其余洞段均采用钢筋混凝土衬砌[1]。输水隧洞总长度为2078.2 m，其中引水隧洞线路长度为621.7 m，尾水隧洞线路长度为1456.5 m。

1 洞径比选方案拟定

通常输水洞径越大，水头损失越小，电能损失越小，电站运行长期效益较优，但工程一次性投资较大；反之洞径小则水头损失大，电能损失大，长期效益较差，但工程一次性投资省。抽水蓄能电站的输水隧洞经济洞径选择，应根据地形、地质条件及电站的运行方式，并结合电站装机容量、机组机型选择等综合分析，并通过技术经济比较确定[2]。根据经济流速估算和输水隧洞地质条件及布置要求，本文共拟定了5 个洞径比较方案，各方案引水主洞直径、引水支洞直径、尾水主洞直径和尾水支洞直径见表1。

表1 输水系统各经济洞径方案表 单位：m

2 容量、电量损失计算

根据2025 年水平河南电力系统典型日模拟运行方式，五岳抽水蓄能电站一般在用电低谷时段 (夏季2：00～8：00，冬季1：00～7：00)作抽水填谷工况运行，日抽水历时一般为6 h～7 h，在用电高峰时段(夏季12：00～13：00，16：00～18：00，20：00～23：00，冬季 11：00～13：00，18：00～22：00)作发电调峰工况运行。河南电网夏季季节性用电负荷比重较大，最高负荷出现在夏季7 月份，为系统装机控制月份。由于五岳抽水蓄能电站下水库利用已建的五岳水库，该水库为具有防洪、灌溉等综合利用要求，根据多年运行数据统计，五岳水库7 月份多年平均运行水位85.55 m。本次经济洞径选择时采用上水库从正常蓄水位347.50 m、下水库从7 月多年平均水位85.55 m 开始放水发电作为初始工况进行容量、电量损失分析计算。

引水系统各经济洞径方案1#～4#机发电、抽水工况水头损失方程见表2。

表2 输水系统各经济洞径方案水头损失方程

（1）容量损失计算。根据各洞径比选方案水头损失方程，对五岳抽水蓄能电站各输水隧洞洞径方案进行满负荷连续发电运行模拟计算，根据发电水头过程按机组限制出力线计算各方案发电工况的受阻容量。经分析，以满发第3 h 平均受阻容量作为日调节运行的容量损失。

（2）电量损失计算。根据河南电网设计水平年2025 年五岳抽水蓄能电站各月典型日模拟运行发电出力和抽水入力过程，确定电站各时段相应的发电、抽水开机台数，计算抽水工况、发电工况单台机组流量和相应的水头损失△H，根据△N=A×Q×△H 计算各时段的电量损失，从而求得各方案年发电量损失和抽水电量损失。各方案容量和电量损失计算成果见表3。

表3 引水系统各经济洞径方案容量、电量损失表

3 经济洞径确定

在同等满足系统电力、电量需求的前提下，按年费用法进行比较。各方案费用包括设计电站、补充电站的投资和运行费用。各方案容量效益差由燃煤火电替代补充，火电投资按火电扩机情况下单位投资4100 元/kW 考虑，五岳抽水蓄能电站、补充火电 (不含燃料费) 年经营成本分别按其固定资产投资的2.5%、4.5%计；计算期取36 年，其中建设期6 年，正常运行期30 年，社会折现率取8%。输水隧洞各经济洞径方案经济比较计算成果见表4。

表4 输水隧洞各洞径方案经济比较成果表

由工程投资可知，输水隧洞洞径越小，输水系统建筑物及金属结构设备工程量越少，工程投资越小。方案2、方案3、方案4、方案 5 比方案 1 投资分别多 1468 万元、3853 万元、6809 万元和9238 万元。

由表4 可知，各经济洞径方案年费用在596 万元～951 万元之间。其中，方案3 即主洞直径8.0 m、支洞直径5.2 m 年费用最低，为596 万元。方案1、方案2、方案4 和方案5 年费用比方案 3 分别多 355 万元、16 万元、68 万元和 41 万元。

五岳抽水蓄能电站输水系统地质条件较好，洞室稳定问题不大，从输水系统结构布置和施工技术难度等方面各方案无较大差异，各方案均可行。从经济指标看，方案3 年费用最小，经济性较好。因此，本阶段选择洞径方案3，即引水主洞直径8.0 m，引水支洞直径5.2 m，尾水支洞直径6.0 m，尾水主洞直径8.0 m。

4 结语

输水隧洞是抽水蓄能电站的重要组成部分，其规模合理与否对电站的一次投资和运行效率影响较大，因此，选择合理的洞径十分重要。本文综合考虑工程投资、容量电量损失，对各种运行工况下洞径方案进行动能分析计算，以同等满足电力系统需求为基础，采用年费用现值最小法，选择抽水蓄能电站经济洞径，可为同类工程参考借鉴。