桃源水電站下游河道疏浚前后效益對比

卜福明

（中國水電顧問集團桃源水電站，415000，常德）

一、工程概況

桃源水電站為低水頭河槽徑流式水電站，位于湖南省常德市桃源縣，是沅水干流最末一個水電開發(fā)梯級電站，其任務(wù)是發(fā)電兼顧航運、旅游等綜合利用。桃源水電站上游38.2km處是凌津灘水電站，往下匯入洞庭湖。電站安裝9臺單機容量20 MW貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量180MW，設(shè)計多年平均發(fā)電量7.93億kWh，水輪機有效水頭2～9.7 m。通航船閘為500 t級，布置在江中心的雙洲洲尾。2010年11月桃源水電站主體工程開工建設(shè)，2014年10月10日全部投產(chǎn)。

桃源水電站由于沒有調(diào)節(jié)性能，發(fā)電運行過程中水庫水位不消落：當入庫流量小于9臺機組滿發(fā)流量時（3 699 m3/s，下同）全部通過機組下泄；當入庫流量大于9臺機組滿發(fā)流量時庫水位維持39.5 m，多余水量通過左、右河槽下泄；當入庫流量大于8 800 m3/s時電站停止發(fā)電，入庫流量全部通過泄洪閘下泄，河道完全恢復天然狀態(tài)。

為了提高機組運行水頭，充分發(fā)揮電站效益，同時提高樞紐下游河段行洪能力以及通過改善船閘下游引航道出口水流流態(tài)確保行洪和通航安全，從2015年4月起對桃源水電站下游1.5 km內(nèi)河段進行疏浚清理作業(yè)，一期疏浚工程于2016年6月結(jié)束。

二、對比資料的收集與分析

疏浚前的資料系列時段為2014年3月—2015年4月。由于2014年沅水發(fā)生超歷史洪水位的 “7·17”特大洪水，導致樞紐下游測站受到嚴重破壞，期間有40多天的始測數(shù)據(jù)產(chǎn)生間斷，完整的系列長度不足一年。根據(jù)工程進度情況，2014年3月17日水庫首次達到39.5 m正常蓄水位高程，而河道疏浚工程于2015年4月8日動工，故對疏浚前的資料系列擬采用2014年4月1日—2015年3月31日之間的日均數(shù)據(jù)，疏浚后的資料系列采用2016年7月1日—2017年7月18日的數(shù)據(jù)。

原有的泄洪閘設(shè)計泄流曲線關(guān)系已不能確保計算流量的準確性，受此影響，在有泄流產(chǎn)生的情況下，計算的桃源水電站出庫流量與相應(yīng)的上游五強溪出庫流量及下游桃源水文站的實測流量均有偏差，且這個偏差隨著出庫流量的增加而增大。對于疏浚前后的兩套資料系列，發(fā)電流量都是通過NHQ曲線計算所得，這個計算量只取決于水頭和出力，對壩下的水位流量關(guān)系沒有要求。故本次分析對比的主要流量段為未發(fā)生泄流狀態(tài)下的效益對比，即電站滿發(fā)3 699 m3/s以下流量的對比。

①對于3 699 m3/s以下流量，通過計算相同流量下疏浚前后的耗水率差額，進一步得出該流量下的出力差額，采用定量分析方式進行對比。

②對于有泄洪流量后的對比，通過分析疏浚前后的最大負荷及對應(yīng)的流量，以及兩者的敞泄流量點進行對比的定性分析，來闡述效益分析關(guān)系。

三、定量效益對比分析

疏浚前的資料系列經(jīng)過整理后，由于人工插補的數(shù)據(jù)量較大，分級流量下水位關(guān)系確定存在人為因素影響。為保證對比的可靠性，對于疏浚前的資料系列，在確定其計算的水位流量關(guān)系時，采用整個系列的下外包線關(guān)系進行對比，下外包線所對應(yīng)的水位是該流量下最低水位。而疏浚后壩下水位流量關(guān)系的確定采用平均線。兩者計算的水頭，疏浚前的水頭是整個疏浚前系列中最大的，而疏浚后計算的水頭是該系列的平均水平。

疏浚前的水位流量分布及下外包線關(guān)系如圖1（沅江站水位均在32.4 m以下）。

開挖后沅江站水位在32.4 m以下時，壩下水位與流量關(guān)系為：Z=0.0157×(log2Q)4-0.5737×(log2Q)3+8.0193×(log2Q)2-50.037×(log2Q)+145.74

沅江站水位在32.4 m以上時，水位頂托明顯，壩下水位與流量關(guān)系：

兩式中，Z 為水位，m；Q 為流量，m3/s。

按上述擬定的幾何模型反算壩下水位進行模型驗證，計算水位與實際水位誤差。

以未泄洪前流量為對比對象，進行分析對比 （水頭按壩前39.5 m計算），增發(fā)負荷根據(jù)流量和耗水率按下式計算：

式中，N為出力，萬kW；Q為流量，m3/s；R為耗水率，m3/kWh。

結(jié)果顯示，在低流量400 m3/s以下時，為保證上下游水位差不超過機組運行的最大工作水頭9.7 m，疏浚后，在此流量級別下還需將壩上水位適當降低運行。同時可以看出即使按疏浚前的外包線對比分析，開挖后的水頭同樣有明顯的提高，相同流量下計算負荷的增量明顯，特別是在1 400～3 300 m3/s流量下，增量關(guān)系呈拋物線形，符合一般性規(guī)律。

經(jīng)過統(tǒng)計分析，河道疏浚后出庫流量在3 600 m3/s以下的資料系列共有數(shù)據(jù)331組，其余尚有同時發(fā)電與開閘泄洪的系列數(shù)據(jù)33組，水輪發(fā)電機組全部停機，閘門全部敞開泄洪的系列數(shù)據(jù)17組。河道疏浚后，出庫流量在3 600 m3/s以下的331組系列，總的實際發(fā)電量為78 009.91萬kWh，用疏浚前的下外包線模型計算壩下最低水位對應(yīng)的理論電量為73 167.67萬kWh，經(jīng)比較得出，疏浚后實際發(fā)電量較疏浚前的理論發(fā)電量增加了4 842.24萬kWh，經(jīng)濟效益十分明顯。

四、定性對比分析

①河道疏浚前，桃源水電站實際最大出力為166 MW，相應(yīng)流量3 635 m3/s。疏浚后，在控制出力的前提下，電站實際最大負荷達到了182 MW，相應(yīng)流量 3 400 m3/s（設(shè)計滿發(fā)流量為3 699 m3/s，即出力還可增加）。

②河道疏浚前，桃源水電站機組全停流量為7 200 m3/s左右，對應(yīng)停機水頭3.55 m（設(shè)計全停機流量為8 800 m3/s，對應(yīng)水頭 2 m，而實際運行工況是當水頭低于3.55 m時，水輪發(fā)電機組已進入振動區(qū)而必須停機），疏浚后全停流量為8 600 m3/s左右，對應(yīng)停機水頭3.61 m（為使水輪發(fā)電機組避開振動區(qū)、確保機組安全運行，將停機水頭提高了 0.06 m）。

從定性分析可以看出，河道疏浚后電站不僅能達到設(shè)計總裝機的出力，而且實際滿發(fā)流量較設(shè)計滿發(fā)流量3 699 m3/s還下降了約300 m3/s，說明河道疏浚后同級流量下的尾水位下降明顯，從而提高了機組的工作水頭，一方面不僅延長了滿發(fā)負荷的流量區(qū)間，大大提升了機組負荷利用率，另一方面也加大了騰庫調(diào)節(jié)的空間，為提高水量利用率做出了積極貢獻。同時電站實際全停機流量也相應(yīng)提高，從而延長了機組運行時間，提升了機組可利用率。

圖1 河道疏浚前流量與壩下水位分布及外包線關(guān)系

五、結(jié) 語

2015年及2016年，桃源水電站在強化運行管理的前提下，實際發(fā)電量分別達到81 337萬kWh、81 748萬kWh，年發(fā)電量分別超設(shè)計2 037萬kWh、2 448萬kWh，經(jīng)濟效益十分明顯。電站投產(chǎn)的第一、第二年就連續(xù)超年設(shè)計發(fā)電量，這在水電建設(shè)史上也極為罕見，何況對于沒有調(diào)節(jié)性能的桃源水電站。

河道疏浚大幅度增加了工程經(jīng)濟效益，而且有效提高了河段的行洪能力，同時由于電站樞紐船閘布置在江中心的雙洲洲尾，水流流態(tài)極為復雜，河道的清挖使得該河段內(nèi)的航道得到了較好的改善，極大地降低了樞紐船閘過往船舶通航的風險。桃源水電站二期疏浚工程也將盡快啟動，從而充分挖掘工程潛力，確保水電站安全、經(jīng)濟、高效運行。 ■

參考文獻：

[1]裴少拓.桃源水電站首次實現(xiàn)9臺機組滿發(fā)出力[J].水力發(fā)電，2017,43(5).

[2]姚珧，王東輝.桃源水電站水庫預報預泄方式研究[J].湖南水利水電，2012(3).

[3]李先華，李建民.碗米坡水電站發(fā)電耗水率分析[J].中國電力教育，2011(6).