隔河巖水電站水資源的高效利用與水害防范

梁文岳，覃進(jìn)一

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

1 水資源的充分利用

1.1 梯級(jí)發(fā)電重復(fù)利用水能

為更充分的利用水能，優(yōu)化水能資源的配置，清江流域以清江梯調(diào)為遠(yuǎn)方集中控制中心，三級(jí)電站為水能利用點(diǎn)形成梯級(jí)水能開發(fā)模式。通過利用串聯(lián)水庫形成的巨大優(yōu)勢(shì)，提高庫容的重復(fù)利用，根據(jù)水量平衡的原則，整合水庫調(diào)度、發(fā)電調(diào)度等方面的因素[1]，縮短開機(jī)時(shí)間，極大提高水能、設(shè)備、人力等資源的最大化和可利用率，將水能可持續(xù)利用的目標(biāo)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

1.2 精準(zhǔn)水情保障發(fā)電效益

水情的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可以有效提高水能利用效率。清江流域的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)以及流域各地區(qū)水文部門的防汛報(bào)訊為水資源科學(xué)調(diào)度、電能最大化提供堅(jiān)實(shí)的保證。清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司于2008年對(duì)原有的系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化，更新后的系統(tǒng)有效降低了傳輸延時(shí)，加強(qiáng)了站點(diǎn)的互換功能，能及時(shí)準(zhǔn)確地為3座水電站的發(fā)電計(jì)劃提供可靠保證。隔河巖水庫總庫容30.18億m3(正常水位200 m時(shí))，防洪庫容8.7億m3，汛期限制水位193.6 m，在此水位下防洪庫容可達(dá)5億m3。隔河巖電站運(yùn)行部門聯(lián)合梯級(jí)調(diào)度利用氣象與水情信息，通過加密巡檢巡視，觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況，再結(jié)合設(shè)備狀態(tài)與梯級(jí)調(diào)度及時(shí)溝通聯(lián)系，綜合電網(wǎng)等各方面的需要，計(jì)算每年動(dòng)態(tài)最優(yōu)水位，優(yōu)化水庫調(diào)度方案，規(guī)劃發(fā)電計(jì)劃，汛期加快騰出庫容，汛后期提前回蓄水位等一些列措施，防棄水、保發(fā)電，避免造成水資源的浪費(fèi)。

1.3 棄水搶發(fā)減少水能損失

因清江流域梯級(jí)發(fā)電規(guī)模的形成以及科學(xué)精準(zhǔn)調(diào)度，隔河巖水電站受厄爾尼諾氣候影響的棄水在近10年來占比不到20%。但棄水的形成，無疑是對(duì)低碳、綠色能源的浪費(fèi)，也會(huì)影響經(jīng)營效益。隔河巖水電站從運(yùn)行管理、人員調(diào)配等方面使防汛工作規(guī)范化、制度化，完成防汛設(shè)備檢修標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目200余項(xiàng)，完成4臺(tái)機(jī)組以及80余臺(tái)套輔助設(shè)備計(jì)劃檢修，保證設(shè)備健康水平。在2016-07-19日超百年一遇洪水到來時(shí)，保持機(jī)組安全運(yùn)轉(zhuǎn)而不停機(jī)，在泄洪的同時(shí)，減少停機(jī)時(shí)間，加大發(fā)電力度，增加發(fā)電量，將水能資源得到安全充分利用。

2 水資源的高效轉(zhuǎn)換

水輪機(jī)的出力和發(fā)電水頭、發(fā)電流量成正比(N=9.81ηQH)，也就是說水頭越高，流量越大，其能量也就越大[2]。水頭的變化會(huì)直接影響機(jī)組的有功調(diào)節(jié)性能，進(jìn)而影響水能利用率，影響發(fā)電效率。

2.1 減少高水耗運(yùn)行時(shí)間

隔河巖水電站最大發(fā)電水頭121.5 m，最小發(fā)電水頭80.7 m，水量利用率達(dá)92.3%。隔河巖水電站與清江梯調(diào)配合優(yōu)化運(yùn)行，根據(jù)梯級(jí)電站階段性發(fā)電計(jì)劃加大對(duì)機(jī)組實(shí)時(shí)出力的控制力度，控制機(jī)組小出力運(yùn)行時(shí)間，通過反饋調(diào)節(jié)過機(jī)流量，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況，減少水頭損失，達(dá)到節(jié)能增效目的。

2.2 利用綜合特性曲線降低過機(jī)流量

根據(jù)隔河巖機(jī)組綜合特性圖(見圖1)水頭、流量及出力的關(guān)系，優(yōu)化調(diào)速器反應(yīng)時(shí)間，調(diào)節(jié)調(diào)速系統(tǒng)的開限，既不能因開限過高而造成過負(fù)荷運(yùn)行，也不能因?yàn)殚_限的壓制，使機(jī)組不能滿負(fù)荷運(yùn)行。圖中1列舉了三種不同水頭下，機(jī)組出力與過機(jī)流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過不斷的調(diào)節(jié)與修正，在滿足負(fù)荷的要求下降低過機(jī)流量，減少水能損失。

圖1 隔河巖機(jī)組綜合特性圖

2.3 減少因外界環(huán)境影響造成的水頭損耗

隔河巖水利樞紐進(jìn)水口上游有一處客運(yùn)碼頭，一處旅游碼頭，樹枝及生活垃圾等經(jīng)常堆積于壩前攔污柵處，尤其在暴雨過后，樹枝及垃圾的存在使機(jī)組水頭損失特別大，電站運(yùn)行管理過程中通過加強(qiáng)人工清污外，還與地方協(xié)調(diào)配合，將污物盡量提前在上游河道清除，避免過多堵塞到攔污柵前，通過這些措施減少水耗，提高發(fā)電效益。

3 水害的防范

水資源合理利用可以造福人民，但因自然災(zāi)害、壩體滲水處理不及時(shí)、擋水建筑物損壞以及發(fā)電設(shè)備設(shè)施故障等防范措施未做到位，同樣可導(dǎo)致水淹廠房事故發(fā)生，引起重大人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2009-08-17日，俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站發(fā)生特別重大的事故，因其2號(hào)機(jī)組頂蓋43顆螺栓斷裂，頂蓋與轉(zhuǎn)子在高壓水的作用下飛出機(jī)坑，水不受控制后全部沖入廠房，造成水淹廠房事故。其中2、7號(hào)和9號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組徹底被毀，其余水輪發(fā)電機(jī)組全部受損，事故造成75人死亡。事故后分析發(fā)現(xiàn)，薩揚(yáng)電站6號(hào)機(jī)組檢修，檢修閘門落下，進(jìn)水管路無水，因此損壞最輕；5號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行，事故發(fā)生后導(dǎo)葉自行關(guān)閉，將水能控制，損壞也比較輕[3]。

水害無處不在，突然襲擊的暴雨，檢修泵、滲漏排水泵等設(shè)備問題，供水水管破裂，壓力鋼管漏水，頂蓋排水不暢等問題都可能造成水淹廠房，甚至造成機(jī)毀人亡的水害事故。因此隔河巖電站運(yùn)行管理中通過對(duì)擋水建筑物滲漏水的監(jiān)測(cè)、設(shè)備缺陷的排查、水壓水位的監(jiān)視等將水能限制在可控范圍內(nèi)，力求安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 通過水泵啟停間隔發(fā)現(xiàn)大壩廊道漏水情況

2016-09-15日，隔河巖運(yùn)行值班員發(fā)現(xiàn)大壩右護(hù)泵站水泵啟停頻率減少這一現(xiàn)象。通過查閱歷史數(shù)據(jù)和記錄，當(dāng)天與前幾日情況差不多，均在20～30 h啟動(dòng)一次，這與機(jī)組正常備用狀態(tài)下的3h左右啟動(dòng)一次差異巨大(圖2)。在現(xiàn)場(chǎng)人員排除通訊故障、傳感器故障等問題后，結(jié)合右護(hù)泵站所處在4號(hào)機(jī)組引水隧洞旁的實(shí)際情況，通過調(diào)用監(jiān)控系統(tǒng)歷史站4號(hào)機(jī)組檢修時(shí)間段(9月12～21日)引水隧洞排水前后右護(hù)泵站水位變化曲線，對(duì)比分析后，合理推斷出隔河巖4號(hào)機(jī)組引水隧洞存在滲漏情況，并在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)引水洞內(nèi)混凝土多處破損的重大缺陷。

圖2 2019-09-07日至27日右護(hù)水泵啟動(dòng)時(shí)間間隔圖

3.2 通過滲漏泵啟停頻率發(fā)現(xiàn)三號(hào)機(jī)蝸殼放空閥處破裂情況

2016年12月，運(yùn)行人員在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)滲漏泵啟動(dòng)頻率變快，啟動(dòng)時(shí)間間隔變短的不正?，F(xiàn)象(見圖3)。

圖3 2016年9月至12月廠房滲漏泵啟停間隔時(shí)間圖

在排除滲漏泵設(shè)備本身問題后，加強(qiáng)全廠巡視巡查，隨后發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)蝸殼放空閥處有沙眼，漏水量較大。經(jīng)過對(duì)該沙眼的簡(jiǎn)單處理后，發(fā)現(xiàn)滲漏泵啟停間隔時(shí)間有所變長，因此確定了水量的來源。之后在3號(hào)機(jī)檢修中，將該位置重新進(jìn)行了混凝土的灌注，避免了沙眼的擴(kuò)大，有效地制止了水災(zāi)的發(fā)生。

隔河巖水電站在運(yùn)行管理過程中通過不斷地將關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，并擇機(jī)處理水害的危險(xiǎn)，做到防微杜漸，避免重大事故的發(fā)生。

3.3 確保防汛設(shè)備可靠運(yùn)行，大壩防汛功能萬無一失

防洪是水利工程的重要功能，具有重要的民生意義。1998-08-07日，隔河巖4臺(tái)機(jī)組全停，關(guān)閉所有泄洪閘門，長江第4次洪峰61 500 m3/s通過宜昌河段，隔河巖截住了清江洪峰2 700 m3/s，致使水庫蓄水位達(dá)到203.94 m，逼近204 m的校核水位，使下游沙市水位降低18～20 cm，避免了災(zāi)害性的荊江分洪，為長江錯(cuò)峰承擔(dān)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)。隔河巖在“九八”抗洪中作出了關(guān)鍵性的貢獻(xiàn)，發(fā)揮了重要作用，將洪水災(zāi)害降至最低。2016-07-19日，隔河巖水庫斷面還原天然河道洪峰流量達(dá)到18 700 m3/s，超過百年一遇。隔河巖水庫調(diào)蓄洪水3.44億m3。19日16時(shí)最大入庫洪水9 742 m3/s，20日20時(shí)最大出庫流量6 610 m3/s，削減洪峰3 130 m3/s，削峰率34%，電站的防洪效益凸顯。

防汛設(shè)備可靠運(yùn)行的背后，是日常運(yùn)行管理中加強(qiáng)對(duì)防汛電源倒閘的演練及運(yùn)行監(jiān)視，堅(jiān)持根據(jù)“防大汛、防早汛”的指導(dǎo)方針，策劃、落實(shí)防汛設(shè)備設(shè)施檢修計(jì)劃，保證防汛設(shè)備在危急關(guān)頭“召之即來，來之能戰(zhàn)”，確保大壩防汛萬無一失。

4 結(jié) 語

水電站提高水資源的利用率，不僅涉及經(jīng)濟(jì)效益，也有對(duì)資源可持續(xù)發(fā)展利用的責(zé)任。通過分析清江流域及隔河巖水電站節(jié)水增效及水害的防范的做法，不僅有利于該電站自身提高，而且對(duì)于我國其他流域及其電站優(yōu)化水資源利用，提高水能效率，做好水災(zāi)預(yù)防，都具有十分重要的意義。