石城子水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪的综合中型水利工程，多年平均径流量为 8331 万 m3，总库容 1945.50 万 m3，有效库容 1794.60 万 m3。目前控灌面积约 2 万 hm2，并担负着下游哈密市区 24.63 万人生命财产的防洪保安任务。根据哈密地区矿产资源得天独后的特点，开发当地的水能资源，既支援区外缺能地区经济建设，又可振兴地方经济。石城子一级水电站是哈密石城子河流域规划的三级开发自上而下的第一级，建成后可实现水资源的综合利用，改变哈密电网的电源结构，同时可增加当地的就业机会，拉动相关产业的快速发展，增加财政收入，改善投资环境，对维护少数民族地区政治稳定，加强民族团结具有重要意义。
1 工程建设的必要性。
1.1 修建石城子一级水电站符合哈密地区电力发展要求
哈密地区能源资源构成具有煤多、水少的特点，其电源装机中 77.2%为火电，21.9%为风电，仅有 0.87%为水电，截至 2012年，哈密电源建设以火电为主，风电为辅，具有调节能力的水电装机容量仅极少，具有调峰能力的水力资源开发潜力极大，开发水电是必然趋势。按照自治区政府的水电产业发展规划，预计2015 年新疆电网的发电装机容量将达到千万 kW 级，其中水电装机容量达到百万 kW 级，实现向区外送电的目标。
1.2 修建石城子一级水电站是石城子河流域综合开发的需要
石城子河径流稳定，河段比降大，落差集中。规划推荐的近期工程石城子一级水电站工程区具有较好地形地质条件，开发技术难度小，淹没及环境影响较小，对外交通较为方便。石城子一级水电站装机规模小，开发目标单一，具有工期短、投资少、见效快、技术经济指标优越等特点，是哈密市近期开发较理想的电源点。
1.3 修建石城子一级水电站是确保工程安全和供电安全的需要
当前极端气候频发，对电网安全构成严重威胁，需要采取措施，确保工程安全和人民生命财产安全。小水电具有“分散分布、就地开发、就近供电、启闭迅速”等特点，在应对自然灾害和电网事故中具有充当应急电源、保障应急救灾电力供应、提高电网调度能力等重要作用。
2 水利动能计算
2.1 径流
石城子水库上游设有 2 处国家基本水文站，具有 54 年（1956-2009 年）长系列水文实测资料，观测资料均通过自治区水文水资源局审查，资料精度可靠。2 个水文站距石城子水库4～7 km，区间无较大支流汇入。因此，可直接采用 2 个站还原后的 54 a 的天然年径流系列计算出石城子水库多年平均入库径流量，为 0.82 亿 m3。
石城子河属于冰雪消融水和夏季降雨混合水补给的混合型河流。径流的年内分配不均。全年径流主要集中在汛期 4-9 月份，其径流量占年径流量的 80%。其中，春汛发生在 4-5 月份，夏汛发生在 7-8 月份，所占比例也不相同，10 月至次年 3 月份，气温逐渐降低，水量也随着逐渐减少。
2.2 生态用水
石城子河为典型的高山峡谷型河流，石城子河一级水电站开发河段海拔较高且山高坡陡，无农田分布，无灌溉供水要求。石城子河一级水电站采用引水式开发，在石城子河干流电站坝、厂址之间形成约 720 m 的减水河段。为维持水生生态系统稳定和稀释净化所需，考虑在坝址处下泄生态流量，其生态流量按石城子河水库坝址处多年平均流量的 10%下泄，即 0.26 m3/s。
2.3 水能计算
2.3.1 发电流量
工程依托已建成运行的石城子水库取水发电，规划修建的石城子一级水电站必须首先满足水库灌溉和防洪要求。鉴于此，石城子一级水电站发电设计流量主要依据 1982-2007 年石城子水库放水资料，遵循不弃水或少弃水的原则，经计算分析来确定电站设计发电流量。
2.3.2 电站运行方式
根据水库防洪、灌溉要求，石城子水库的运行方式为：水库11 月 1 日开始从死水位蓄水，3 月 31 日达到正常蓄水位，该时段内水库不放水；4-6 月根据灌溉要求放水，7-8 月由于灌溉需要量减少，水库蓄一部分水，9-10 月根据灌溉要求放水，水库水位在 10 月底到达死水位。电站直接从石城子水库取水发电，该电站上游水位的变化与石城子水库水位变化一致。其发电时间与水库的放水时间相同，即每年 4-10 月发电，其他时间水库蓄水，电站不发电。
2.3.3 发电额定水头拟定
石城子一级水电站正常水位的拟定依据水库运行调度方式。根据演算，最高发电水头 83 m，对应的水库水位为 1403 m，最低发电水头为 40 m，对应的水库水位为 1360 m。由于电站具有年调节能力，石城子一级电站的水头变化主要由水库灌溉和防洪运行调度要求引起，为保证电站能够稳定运行，参照类似电站设计经验，石城子一级电站额定水头按电站最大最小水头的加权平均值初选 65 m。额定水头为 65 m，对应的水库水位为 1385 m。
2.3.4 多年平均发电量计算
按照水库运行方式，采用水库 1997-2007 年逐月放水过程（扣除下泄生态流量）和月平均水位进行调节计算，来得出不同装机规模情况下的多年平均发电量。
3 装机容量确定
3.1 设计保证率
石城子一级水电站装机容量 0.50 万 kW，按水利动能设计规范，考虑电站的前期工作条件和施工工期安排，电站规模以及新疆电网负荷发展需要等综合分析，石城子一级水电站的设计水平年采用 2015 年。新疆电力系统火电比重大，但本电站装机规模在水电系统中所占比重较大。根据本电站设计水平年系统中电源构成和水利动能设计规范，石城子一级水电站的设计保证率采用 90%。
3.2 装机容量方案比较
此电站是在已建水库满足灌溉和防洪要求的条件下选定装机容量，据此，选择装机 4 MW、5 MW3 个装机容量方案进行技术经济比较。各方案动能经济指标见表 1。
从表 1 的比较可以得出，方案Ⅰ与方案Ⅱ比，总投资少292.60 万元，设备年利用小时较高，而作为主要经济指标的单位电能投资，两者比较接近，但单位千瓦投资较高，每年弃水量大；方案Ⅱ虽然总投资较大，年利用小时略低，单位电能投资略高，但多年平均发电量较方案Ⅰ增加 117 万 kW·h，且没有弃水，水资源得到充分利用。
综上所述，方案Ⅱ总投资规模适当，在满足石城子水库灌溉和防洪要求情况下没有弃水，水能资源利用较充分，主要经济指标比较优越。因此综合分析确定采用装机 5 MW 方案。
4 机组台数与机型确定
4.1 机组台数确定
在已确定电站装机容量为 5 MW 情况下，电站装机台数的多少将会影响到机组的结构尺寸、电站的运行灵活、电站的平均效率，提高电站的平均效率和发电量。根据装机容量、厂址的地形地质条件、枢纽布置要求，电站运行灵活性和运输条件等因素，拟定了 2 台和 3 台方案进行动能经济比较。表 2 为石城子一级电站装机台数比较表。
从以上比较可以得出：①两台装机方案的水轮发电机组及主厂房土建投资均低于三台机组方案。②两台机组方案的综合效率高于三台机组方案。③两种方案都能较灵活运行，三台机组方案，机组发生故障对系统的影响较小，检修也较容易安排，其缺点是运行所需的人员增加，运行费用增加。④三台机组方案机组的容量和尺寸较小，重量较轻，行车的吨位减小，造价降低，设备的加工制作和运输条件较好，但由于本电站的装机规模较小，对制造、运输和装机台数的影响不大。综合电站的投资，能量指标，机组运行和厂区布置等因素，这个阶段推荐两台机组方案。
4.2 机型选择
根据水文、动能及电站的基本参数资料分析，本电站水头范围在 40~83 m 之间，设计水头 65 m，电站设计流量为 8.34 m3/s，本电站应选用混流式机型。根据收集目前制造厂家的机型资料，初步选择以下较优的机型进行比较，机型模型参数比较见表3.
从表 3 比较来看，HLA722C 较优于其他几个转轮，故这个阶段推荐使用 HLA722C 转轮。确定水轮机型号为 HLA722C-WJ-84，配套发电机型号为SFW2500-8/1730，调速器型号为 GBWT-1800-16。
5 结语
小型水电站装机方案的确定直接关系到电站投资、发电量和调度运行方式。文章通过对哈密石城子一级水电站水能分析，经过多方案技术经济比较确定电站装机规模、机组台数和机型。在确保不影响水库灌溉功能和河道生态的前提下，充分利用水能资源，实现流域水资源的合理有效利用。目前该项目可研报告已经哈密地区发改委核准备案，计划于 2012 年 5 月开工建设，2013 年 6 月竣工发电。
