桐柏抽水蓄能電站上下水庫(kù)泄洪方式運(yùn)行實(shí)踐與研究

胡忠啟，趙賢學(xué)，張士平，徐國(guó)華

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江天臺(tái)317200）

桐柏抽水蓄能電站上下水庫(kù)泄洪方式運(yùn)行實(shí)踐與研究

胡忠啟，趙賢學(xué)，張士平，徐國(guó)華

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江天臺(tái)317200）

抽水蓄能電站水庫(kù)與常規(guī)水電站水庫(kù)功能上一致，而前者必須有兩個(gè)水庫(kù)即上水庫(kù)和下水庫(kù)，兩庫(kù)僅需要儲(chǔ)有一庫(kù)的有效庫(kù)容水量即可滿足抽水蓄能電站的調(diào)峰填谷調(diào)頻調(diào)相事故備用，而后者一般只有一個(gè)水庫(kù)，攔蓄洪水，調(diào)節(jié)徑流，滿足其調(diào)峰調(diào)頻調(diào)相事故備用的功能；桐柏抽水蓄能電站水庫(kù)自2005年5月蓄水以來(lái)經(jīng)過(guò)了12年運(yùn)行實(shí)踐，經(jīng)歷了175多次放水泄洪后對(duì)水庫(kù)泄洪方式進(jìn)行研究探討，以期合理運(yùn)行保障電站大壩安全。

上下水庫(kù)；導(dǎo)流泄放洞；安全泄洪

1 引言

桐柏抽水蓄能電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的立軸混流可逆式單級(jí)水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)組,總?cè)萘繛? 200 MW；本工程等別為一等工程，工程規(guī)模屬大(1)型，樞紐工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下洞室群、地面開(kāi)關(guān)站、中控樓等部分組成。

上水庫(kù)利用已建的水庫(kù)經(jīng)加固處理后改建而成，主副壩為均質(zhì)土壩，最大壩高37.49 m；壩址流域面積為6.7 km2，死水位376.00 m，死庫(kù)容98萬(wàn)m3，水庫(kù)正常蓄水位396.21 m，總庫(kù)容1 134.6萬(wàn)m3；有閘控制溢洪道位于左岸埡口，設(shè)兩孔6 m×3 m，堰頂高程394 m；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇洪水，設(shè)計(jì)洪水位396.71 m，總下泄流量100.33 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇洪水，校核洪水位397.2 m，總下泄流量131.32 m3/s。

下水庫(kù)主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩高68.25 m，壩頂長(zhǎng)度434 m，壩址流域面積為21.4 km2，死水位110 m，死庫(kù)容213.9萬(wàn)m3，正常蓄水位141.17 m，總庫(kù)容1 283.6萬(wàn)m3；溢洪道為壩身開(kāi)敞式自由溢流，位于壩體河床部位；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇洪水，設(shè)計(jì)洪水位145.6 m，總下泄流量361 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇洪水，校核洪水位146.60 m，總下泄流量496 m3/s。

導(dǎo)流泄放洞布置在下水庫(kù)右岸由進(jìn)口引水渠、進(jìn)水口、事故檢修門(mén)井、有壓洞及出口消能工組成；隧洞中部靠近右壩頭附近設(shè)一道事故檢修門(mén)，閘門(mén)井高65.5 m，出口設(shè)一道工作弧門(mén)，孔口尺寸為2.0 m×3.0 m，出口消能方式為消力池底流消能；最大工作水頭63.0 m，設(shè)計(jì)泄量176.1 m3/s。

2 水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算和泄洪運(yùn)行情況

2.1.庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

洪水調(diào)節(jié)計(jì)算進(jìn)行了上、下水庫(kù)獨(dú)立調(diào)洪計(jì)算，其成果作為大壩安全的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；對(duì)上、下水庫(kù)水體交換與洪水過(guò)程迭加后的聯(lián)合調(diào)洪計(jì)算，作為制定電站洪水期運(yùn)行調(diào)度原則的依據(jù)。

上水庫(kù)。調(diào)節(jié)計(jì)算采用靜庫(kù)容法，起調(diào)水位396.21 m，洪水期上水庫(kù)水位到達(dá)396.21 m時(shí)電站停止抽水，開(kāi)啟溢洪道閘門(mén)，維持庫(kù)水位396.21 m，控制20年一遇洪水位不超過(guò)396.28 m，當(dāng)入庫(kù)洪水大于76.88 m3/s（庫(kù)水位396.28 m時(shí)溢洪道泄流量），閘門(mén)全開(kāi)泄洪。

下水庫(kù)。（1）獨(dú)立調(diào)洪(機(jī)組不發(fā)電，導(dǎo)流泄放洞底孔不參與泄洪)計(jì)算方法與上水庫(kù)相同，起調(diào)水位為142 m，水位超過(guò)142 m溢洪道自由溢流；（2）聯(lián)合調(diào)洪方法是考慮機(jī)組發(fā)電與洪水流量的疊加，機(jī)組、導(dǎo)流泄放洞、溢洪道共同參與調(diào)洪的計(jì)算方法，其洪水過(guò)程，通過(guò)下式計(jì)算：

QkZd=Qktd+Qkj

式中：QkZd——下水庫(kù)k時(shí)刻洪水流量(m3/s)；Qktd——下水庫(kù)k時(shí)刻天然洪水流量(m3/s)；Qkj——機(jī)組發(fā)電(抽水)流量(m3/s)。

聯(lián)合調(diào)洪原則：①上水庫(kù)水位達(dá)正常蓄水位396.21 m，電站停止抽水；②下水庫(kù)水位低于142 m時(shí)，電站正常發(fā)電；入庫(kù)洪水通過(guò)泄放洞排放，排放流量為前一時(shí)段入庫(kù)洪水流量；③下水庫(kù)水位高于142 m，低于145.6 m(P=0.5%洪水位)，水泵水輪機(jī)、泄放洞、溢洪道共同參與調(diào)洪；④下水庫(kù)水位高于145.6 m，電站停止發(fā)電，關(guān)閉泄放洞，洪水通過(guò)溢洪道排放；⑤水庫(kù)下泄流量不大于同頻率天然洪峰流量。計(jì)算成果見(jiàn)表1和表2。

表1.立調(diào)洪成果表

表2.水庫(kù)聯(lián)合調(diào)洪成果表

2.2.下水庫(kù)泄洪設(shè)施過(guò)流能力

上水庫(kù)有閘門(mén)控制溢洪道堰寬2 m×6 m，堰頂高程394.0 m，每孔設(shè)一扇工作閘門(mén)；下水庫(kù)壩身開(kāi)敞式溢洪道堰寬2×13 m，堰頂高程142 m；上下水庫(kù)溢洪道泄流能力見(jiàn)表3。導(dǎo)流泄放洞由導(dǎo)流洞改建而成，其主要任務(wù)是隨時(shí)將入庫(kù)洪水排至下游使之不侵占有效庫(kù)容，最大限度使下泄洪水形態(tài)和天然洪水保持一致，最大泄流能力177.6 m3/s(水庫(kù)水位146.6 m)。

2.3.庫(kù)泄洪方式運(yùn)行實(shí)踐

桐柏上下水庫(kù)屬三茅溪同一支流百丈溪，流域面積合計(jì)有28.1 km2，多年平均降雨量1 635 mm；由于人類活動(dòng)的影響帶來(lái)的天氣情況俞來(lái)俞復(fù)雜，熱帶風(fēng)暴和極端天氣頻發(fā)，給水庫(kù)運(yùn)行帶來(lái)壓力很大，抽水蓄能電站水庫(kù)又沒(méi)有防洪功能，為了保證水庫(kù)大壩安全運(yùn)行和電站正常運(yùn)行，運(yùn)行單位根據(jù)當(dāng)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行洪水調(diào)度，特別是利用抽水蓄能電站兩個(gè)水庫(kù)僅有一庫(kù)水的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行水體交換，采用上水庫(kù)留出庫(kù)容貯存洪水下水庫(kù)泄放洪水方式保證水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行；現(xiàn)選取2009年第8號(hào)臺(tái)風(fēng)和2016年第14號(hào)臺(tái)風(fēng)的洪水調(diào)度情況作一描述。

表3.、下水庫(kù)溢洪道泄流能力單位：m3/s

2009.第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫拉克”洪水調(diào)度。8月9日桐柏電站流域24 h降雨量為178.5 mm，最大入庫(kù)流量是127.3 m3/s（9日21：00），經(jīng)華東電網(wǎng)調(diào)度中心同意9日減少抽水點(diǎn)數(shù)8個(gè)點(diǎn)（1個(gè)點(diǎn)為15 min），給上水庫(kù)騰出庫(kù)容72萬(wàn)m3，將上水庫(kù)水位控制在393.44 m，降低了水位1 m；10日減少抽水點(diǎn)數(shù)23個(gè)點(diǎn)，給上水庫(kù)騰出庫(kù)容207萬(wàn)m3，水庫(kù)水位控制在393.25 m，降低了水位2.84 m；12日減少抽水點(diǎn)數(shù)6個(gè)點(diǎn)，給上水庫(kù)騰出庫(kù)容54萬(wàn)m3，水位為395.14 m，降低了水位0.73 m；下庫(kù)導(dǎo)流泄放洞8日10:00開(kāi)啟工作閘門(mén)泄放洪水，最大開(kāi)度1.6 m，最大出庫(kù)流量為86.7 m3/s，至12日21：30關(guān)閉，歷時(shí)107.5 h，共泄水562.1萬(wàn)m3；本次洪水按入庫(kù)流量計(jì)接近5年一遇標(biāo)準(zhǔn)，未影響發(fā)電；水庫(kù)大壩及下游河道運(yùn)行安全。

2016.第14號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”洪水調(diào)度。9月14日桐柏電站流域上下庫(kù)24 h平均降雨量為33 mm，15日24 h降雨量為207.5 mm屬大暴雨，下水庫(kù)于15日17:30開(kāi)啟閘門(mén)0.1 m泄放洪水，15日22:00增大至1.0 m，16日11:00開(kāi)啟至最大開(kāi)度1.5 m；根據(jù)桐柏水庫(kù)情況經(jīng)華東電網(wǎng)調(diào)度中心同意16日減少抽水點(diǎn)數(shù)17個(gè)點(diǎn)，給上水庫(kù)騰出庫(kù)容153萬(wàn)m3；否則上水庫(kù)水位將超過(guò)校核洪水位397.2 m，上水庫(kù)將泄洪；本次洪水最大入庫(kù)流量為146.5 m3/s，出庫(kù)流量為85.6 m3/s；至19日9:00關(guān)閉，歷時(shí)87.5 h，共泄水518.7萬(wàn)m3；本次洪水按入庫(kù)流量計(jì)為5年一遇標(biāo)準(zhǔn)，未影響發(fā)電；水庫(kù)大壩及下游河道運(yùn)行安全。上水庫(kù)水位和入庫(kù)流量見(jiàn)圖1，下水庫(kù)水位、入庫(kù)流量和出庫(kù)流量見(jiàn)圖2。

圖1.水庫(kù)水位和入庫(kù)流量過(guò)程線

圖2.水庫(kù)水位、入庫(kù)流量和出庫(kù)流量過(guò)程線

3 桐柏水庫(kù)泄洪方式研究

3.1.庫(kù)日常運(yùn)行方式

電站每天上午8:00后開(kāi)始發(fā)電，此時(shí)上水庫(kù)水位最高然后水位下降，至下午16:45以后發(fā)電結(jié)束，上水庫(kù)水位最低，下水庫(kù)水位最高；23:00以后抽水至次日7:00前結(jié)束，下水庫(kù)水位最低；上下水庫(kù)最高水位時(shí)間相差約有10個(gè)h；本電站2016年1月份每日發(fā)電抽水曲線見(jiàn)圖3，具體時(shí)間要根據(jù)華東電網(wǎng)調(diào)度中心每天發(fā)電抽水計(jì)劃而定。

抽水蓄能電站特點(diǎn)是必須具有兩個(gè)水庫(kù)，水庫(kù)庫(kù)容大多屬中小型水庫(kù)，因發(fā)電抽水交換迅速，在電站運(yùn)行過(guò)程中達(dá)到汛限水位機(jī)率比較小，為了保障電站發(fā)電水頭而當(dāng)兩個(gè)水庫(kù)有效庫(kù)容之和多于一庫(kù)有效庫(kù)容的多余水量還要泄放出下水庫(kù)，桐柏設(shè)定為當(dāng)上下水庫(kù)有效庫(kù)容之和比上水庫(kù)有效庫(kù)容多20萬(wàn)m3時(shí)下水庫(kù)放水；運(yùn)行12年基本采用下水庫(kù)導(dǎo)流泄放洞開(kāi)閘放水，自2005年5月蓄水至2017年3月底累計(jì)放水175多次，共放水25 575萬(wàn)m3。

圖3.東電網(wǎng)調(diào)度中心分配給桐柏電站運(yùn)行曲線

3.2.庫(kù)泄洪方式研究

抽水蓄能電站一般裝機(jī)容量大但水庫(kù)庫(kù)容小，日調(diào)節(jié)或周調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站上下兩個(gè)水庫(kù)只需要一天或一周發(fā)電使用的有效庫(kù)容，而且設(shè)計(jì)時(shí)水庫(kù)無(wú)防洪任務(wù)；雖然電網(wǎng)調(diào)度對(duì)電站發(fā)電運(yùn)行要求高，洪水期應(yīng)根據(jù)《中華人民共和國(guó)防汛條例》第十四條中明確規(guī)定興利服從防洪來(lái)運(yùn)行；抽水蓄能電站水庫(kù)專有特性和常規(guī)水電站水庫(kù)有較大區(qū)別，其上下兩個(gè)水庫(kù)經(jīng)輸水系統(tǒng)連通后可以當(dāng)作一個(gè)水庫(kù)，能量轉(zhuǎn)換通過(guò)水體交換來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩庫(kù)水位變化隨機(jī)組發(fā)電抽水而時(shí)刻變化；桐柏上水庫(kù)水位保持在394 m以上大約有6個(gè)h，時(shí)間基本為每天4:30至10:30，如從上水庫(kù)泄洪只有在這個(gè)時(shí)段內(nèi)，因發(fā)電上水庫(kù)水位迅速下降低于溢流堰頂高程394 m，上水庫(kù)溢洪道就無(wú)法泄洪；自2015年5月水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)上水庫(kù)溢洪道放水僅兩次，首次是2015年因臺(tái)風(fēng)降雨水庫(kù)蓄滿后自由溢流，第二次為2015年11月11日至16日放水，原因是下水庫(kù)導(dǎo)流泄放洞消力池檢修無(wú)法放水，只有采用上庫(kù)溢洪道間歇式放水；下水庫(kù)壩身溢洪道堰頂高程為142 m，電站發(fā)電結(jié)束后水庫(kù)水位均在正常高水位141.17 m以下，只有當(dāng)入庫(kù)洪水大于導(dǎo)流泄放洞泄放洪水時(shí)水庫(kù)水位才得以上升；桐柏設(shè)計(jì)當(dāng)超過(guò)5年一遇以上洪水且水位超過(guò)142 m時(shí)才能從壩身溢洪道過(guò)水，這個(gè)時(shí)段維持約有6個(gè)h即從18:00至23:00；基于桐柏實(shí)踐，抽水蓄能電站上下水庫(kù)可按流域面積進(jìn)行分配可能入庫(kù)的洪量需要的庫(kù)容，上下水庫(kù)均留有一定空置的有效庫(kù)容，特別是上水庫(kù)洪水入庫(kù)即可發(fā)電增加電站效益；遭遇洪水時(shí)，如上水庫(kù)空可采用抽水工況（計(jì)算流量100 m3/s）將下水庫(kù)水量抽到上水庫(kù)，如1臺(tái)機(jī)抽水10個(gè)點(diǎn)則可抽水90萬(wàn)m3到上水庫(kù)，2臺(tái)機(jī)的流量為200 m3/s；如下水庫(kù)空可采用發(fā)電工況（計(jì)算流量143.5 m3/s）將上水庫(kù)水量輸?shù)较滤畮?kù)，如1臺(tái)機(jī)發(fā)電10個(gè)點(diǎn)則可輸水129.15萬(wàn)m3到下水庫(kù)，2臺(tái)機(jī)的流量為287 m3/s；入庫(kù)洪水按其洪水流量大小頻率高低采用下水庫(kù)導(dǎo)流泄放洞泄放，只要下游河道允許一定量行洪，則導(dǎo)流泄放洞泄放流量為前一時(shí)段上下水庫(kù)入庫(kù)洪水流量；桐柏上下水庫(kù)24 h千年一遇校核洪水設(shè)計(jì)洪量為2 010萬(wàn)m3；在遭遇超設(shè)計(jì)洪水時(shí)充分依靠電網(wǎng)調(diào)度的合理安排，充分利用抽水蓄能電站水庫(kù)特有的功能，錯(cuò)峰削量，保證水庫(kù)大壩安全。

4 結(jié)語(yǔ)

抽水蓄能電站有兩個(gè)水庫(kù)即上水庫(kù)和下水庫(kù)，兩庫(kù)僅需儲(chǔ)有一庫(kù)的有效庫(kù)容水量即可滿足抽水蓄能電站的各項(xiàng)功能；桐柏抽水蓄能電站水庫(kù)自2005年5月蓄水以來(lái)經(jīng)過(guò)了12年運(yùn)行實(shí)踐，泄放有紀(jì)錄的175多次洪水全部通過(guò)下水庫(kù)導(dǎo)流泄放洞過(guò)流，桐柏設(shè)置了可過(guò)大流量導(dǎo)流泄放洞，給洪水調(diào)度帶來(lái)了極大靈活性；在發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)可以充分利用抽水蓄能電站水庫(kù)特有的作用，保證電站水庫(kù)大壩安全。

[1]陸佑楣，潘家錚.抽水蓄能電站[M].北京：水利電力出版社，1992.

[2]華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.竣工安全鑒定設(shè)計(jì)自檢報(bào)告(樞紐工程)[Z]，2008.

[3]郭紅永，韓宏韜.淺談蒲石河抽水蓄能電站的水庫(kù)調(diào)度[C] //抽水蓄能電站工程建設(shè)文集，2016.

[4]車兆瑞，王相波.蒲石河抽水蓄能電站上水庫(kù)防洪調(diào)度方案研究[J].黑龍江水利，2015（6）：60-62.

[5]江獻(xiàn)玉，王玨.北方某抽水蓄能電站下水庫(kù)泄洪建筑物比選研究[C]//抽水蓄能電站工程建設(shè)文集，2016.

TV697.1

B

1672-5387（2017）09-0052-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.09.019

2017-06-19

胡忠啟（1964-），男，高級(jí)工程師，研究方向：水電站建設(shè)及運(yùn)行管理。