五岳抽水蓄能電站下水庫(kù)洪水調(diào)度規(guī)則研究

鄢軍軍，羅 茜，周鐵柱

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

五岳抽水蓄能電站位于河南省信陽(yáng)市光山縣境內(nèi)，位于鄂豫電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的東通道上，電站建成后服務(wù)于河南電網(wǎng)，主要承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。電站上水庫(kù)通過(guò)挖填筑壩成庫(kù)，集水面積很小，下水庫(kù)利用已建的五岳水庫(kù)。電站建成后，由于發(fā)電流量疊加將對(duì)下水庫(kù)調(diào)洪造成較大影響。本文根據(jù)流域防洪要求，結(jié)合工程自身特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)下水庫(kù)調(diào)洪原則進(jìn)行研究。

1 工程概況

五岳抽水蓄能電站裝機(jī)容量1 000 MW，上下水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容按裝機(jī)連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)5 h設(shè)計(jì)。樞紐工程主要由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房及地面開(kāi)關(guān)站和下水庫(kù)等組成。上水庫(kù)洪水標(biāo)準(zhǔn)按200年一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000年一遇洪水校核，發(fā)電廠房洪水標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核。

下水庫(kù)利用已建的五岳水庫(kù)，位于淮河一級(jí)支流寨河主干青龍河上游，始建于20世紀(jì)70年代，開(kāi)發(fā)任

務(wù)以防洪、灌溉為主。壩址控制流域面積102 km2，水庫(kù)正常蓄水位89.184 m，死水位77.884 m，現(xiàn)狀總庫(kù)容1.22 億 m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容8 098萬(wàn) m3，為具備多年調(diào)節(jié)性能的大(2)型水庫(kù)。水庫(kù)樞紐由主壩、5座副壩、溢洪道、輸水洞、引水洞、渠首閘、輸水洞泄洪閘等組成?，F(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，5 000年一遇洪水校核。五岳水庫(kù)采用溢洪道及輸水洞兩種泄洪方式。其中，溢洪道位于主壩南端，建有2孔弧形閘門(mén)；輸水洞為有壓鋼筋混凝土圓洞，進(jìn)口設(shè)潛孔式弧形鋼閘門(mén)。

2 抽水蓄能電站對(duì)五岳水庫(kù)的調(diào)洪影響分析

抽水蓄能電站建設(shè)前，根據(jù)防洪部門(mén)批復(fù)的五岳水庫(kù)運(yùn)行方式，主汛期6月15日至8月11日，水庫(kù)限制運(yùn)行水位88.384 m；過(guò)渡期8月11日至9月10日，限制水位88.884 m。水庫(kù)采用溢洪道和輸水洞泄洪，當(dāng)水位超過(guò)防洪限制水位88.384 m 時(shí)，輸水洞閘門(mén)全開(kāi)敞泄；水位超過(guò)限制水位88.884 m 時(shí)，輸水洞、溢洪道閘門(mén)全開(kāi)敞泄。

五岳抽水蓄能電站建設(shè)后，根據(jù)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范，調(diào)洪計(jì)算時(shí)需考慮發(fā)電流量與天然洪水滑動(dòng)疊加，各頻率調(diào)洪水位取各滑動(dòng)組合工況調(diào)洪成果的最大值。當(dāng)水庫(kù)水位超過(guò)發(fā)電廠房校核洪水位(P=0.2%)時(shí)，蓄能機(jī)組停止發(fā)電。調(diào)洪過(guò)程中保證水庫(kù)下泄流量不大于前時(shí)段已出現(xiàn)的入庫(kù)最大洪水流量，以避免造成 “人為洪水”。因水庫(kù)設(shè)有分期限制水位，調(diào)洪需采用分期洪水計(jì)算，按不同時(shí)期壩前限制水位及相應(yīng)洪水分別進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，取外包線作為調(diào)洪成果。

若不改變五岳水庫(kù)洪水調(diào)度原則，抽水蓄能電站建設(shè)前后五岳水庫(kù)調(diào)洪成果見(jiàn)表1。

表1 五岳水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算成果

注：電站滿發(fā)流量按照504 m3/s考慮。

表2 各限制電站運(yùn)行方案不同洪水頻率時(shí)水庫(kù)最大下泄流量 m3/s

由表1可計(jì)算出，五岳抽水蓄能電站建成后，如果按照現(xiàn)狀洪水調(diào)度方式，由于發(fā)電流量的影響，電站建成后各頻率壩前最高調(diào)洪水位將抬高0.48～0.65 m(有無(wú)抽水蓄能電站壩前最高水位差)，最大下泄流量增加43 ～67 m3/s(有無(wú)抽水蓄能電站壩前最大下泄流量差)。

分析表明，調(diào)洪水位的抬高對(duì)庫(kù)區(qū)淹沒(méi)、樞紐安全基本無(wú)影響，現(xiàn)狀壩高不滿足防洪規(guī)范要求的問(wèn)題可通過(guò)加高壩頂防浪墻予以解決；但水庫(kù)遭遇20年一遇洪水時(shí)最大下泄流量增加67 m3/s，無(wú)法滿足淮河流域防洪要求。

3 下水庫(kù)洪水調(diào)度規(guī)則研究

五岳水庫(kù)涉及下游淮河干流防洪安全，五岳水庫(kù)作為蓄能電站下水庫(kù)的前提是不能影響五岳水庫(kù)防洪功能的發(fā)揮。根據(jù)淮河流域防洪要求，五岳水庫(kù)遭遇20年一遇洪水時(shí)，下泄流量不能超過(guò)現(xiàn)狀水平，即抽水蓄能電站建設(shè)后仍須保證五岳水庫(kù)遭遇20年一遇洪水時(shí)最大下泄流量不超過(guò)343 m3/s。為滿足上述要求，可通過(guò)以下兩種方式：一是維持五岳水庫(kù)的洪水調(diào)度規(guī)則不變，通過(guò)限制抽水蓄能電站運(yùn)行實(shí)現(xiàn)下泄流量不超標(biāo)；二是調(diào)整五岳水庫(kù)洪水調(diào)度規(guī)則，即優(yōu)化汛期調(diào)度運(yùn)行方式。

3.1 限制抽水蓄能電站汛期運(yùn)行

(1)設(shè)置停止發(fā)電水位。遭遇洪水時(shí)，當(dāng)五岳水庫(kù)水位超過(guò)某一限定值時(shí)，蓄能機(jī)組停止發(fā)電，其余調(diào)洪規(guī)則不變。五岳水庫(kù)主汛期限制運(yùn)行水位 88.384 m，本文研究中暫按水位達(dá)到 88.884 m時(shí)蓄能機(jī)組停止發(fā)電考慮。

(2)限制發(fā)電小時(shí)數(shù)。五岳抽水蓄能電站設(shè)計(jì)連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)為5 h，調(diào)洪計(jì)算時(shí)需按照5 h發(fā)電流量過(guò)程與天然洪水過(guò)程滑動(dòng)疊加。本文研究中汛期發(fā)電時(shí)間暫按3 h考慮，其余調(diào)洪規(guī)則不變。

(3)限制發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)。五岳電站安裝 4 臺(tái)可逆式機(jī)組，一般調(diào)洪計(jì)算時(shí)按 4 臺(tái)機(jī)組滿發(fā)考慮。本文研究中僅考慮1臺(tái)機(jī)發(fā)電(發(fā)電流量126 m3/s)，其余調(diào)洪規(guī)則不變。

由表2可見(jiàn)，無(wú)論是設(shè)置停止發(fā)電水位、減少機(jī)組連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù)或限制發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)，均不能避免電站建設(shè)后下泄流量的增加，僅可在一定程度上減小影響。

3.2 調(diào)整五岳水庫(kù)汛期運(yùn)行方式

調(diào)整汛限水位可能影響水庫(kù)汛后蓄滿率，對(duì)其興利功能產(chǎn)生影響，實(shí)施難度較大。本研究的五岳水庫(kù)運(yùn)行方式(見(jiàn)表3)在不調(diào)整汛限水位的前提下，以滿足淮河流域防洪要求為目標(biāo)。

表3 不同洪水頻率時(shí)下水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果 m3/s

方式一：保持“一庫(kù)水”運(yùn)行。即，通過(guò)輸水洞調(diào)節(jié)水量，動(dòng)態(tài)控制五岳水庫(kù)汛期運(yùn)行水位，保證上水庫(kù)死水位以上的蓄水量、五岳水庫(kù)汛限水位以下的蓄水容積之和不超過(guò)抽水發(fā)電調(diào)節(jié)庫(kù)容。例如，上水庫(kù)在正常蓄水位時(shí)，下水庫(kù)水位應(yīng)從汛限水位88.384 m的基礎(chǔ)上消落至87.59 m，消落庫(kù)容等于抽水蓄能調(diào)節(jié)庫(kù)容。調(diào)洪原則為：以87.59 m作為調(diào)洪起調(diào)水位，其他調(diào)洪原則不變。

方式二：閘門(mén)控泄運(yùn)行。調(diào)洪過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整閘門(mén)開(kāi)啟幅度，控制水庫(kù)下泄流量不超標(biāo)。具體調(diào)洪原則為：當(dāng)天然入庫(kù)洪水不大于20年一遇洪水洪峰流量時(shí)，下泄流量按無(wú)五岳抽水蓄能電站時(shí)遭遇20年一遇洪水時(shí)下泄流量343 m3/s控制，當(dāng)天然入庫(kù)洪水大于20年一遇洪水洪峰流量時(shí)，按泄洪設(shè)施泄流能力泄洪。其他調(diào)洪原則不變。

由表3可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)整五岳水庫(kù)汛期調(diào)度運(yùn)行方式，可保證遭遇20年一遇洪水下泄流量不超標(biāo)，可滿足淮河流域防洪要求。

4 下水庫(kù)洪水調(diào)度方式選擇

(1)通過(guò)限制抽水蓄能電站汛期運(yùn)行的方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)五岳水庫(kù)下泄流量不超標(biāo)，不能滿足下游流域防洪要求。另外，此種方式將大大限制電站運(yùn)行的靈活性，從而不能充分發(fā)揮抽水蓄能電站的作用和特點(diǎn)。

(2)通過(guò)調(diào)整五岳水庫(kù)汛期調(diào)度方式，可有效減少電站建設(shè)對(duì)五岳水庫(kù)調(diào)洪的影響，研究提出的保持“一庫(kù)水”運(yùn)行、閘門(mén)控泄運(yùn)行兩種方式均可滿足流域防洪要求。兩方案技術(shù)上均可行，從工程安全、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)、閘門(mén)控制難度、對(duì)其他功能影響等方面對(duì)比分析，見(jiàn)表4。

為保證流量不超標(biāo)，調(diào)整水庫(kù)汛期運(yùn)行方式后，將導(dǎo)致水庫(kù)各頻率洪水調(diào)洪水位抬高，但對(duì)庫(kù)區(qū)淹沒(méi)處理范圍無(wú)影響；通過(guò)穩(wěn)定計(jì)算分析，對(duì)樞紐安全也無(wú)影響，僅水庫(kù)大壩需不同程度進(jìn)行加高處理。兩種方式主要差別在于：方式一需動(dòng)態(tài)控制水庫(kù)汛期運(yùn)行水位，保證“一庫(kù)水”運(yùn)行，輸水洞閘門(mén)需頻繁啟閉；方式二則是在遭遇20年一遇洪水同時(shí)電力系統(tǒng)需要電站滿發(fā)運(yùn)行的特殊工況下啟動(dòng)閘門(mén)控泄；另外，方式一可能對(duì)水庫(kù)汛后蓄水產(chǎn)生一定影響，從而影響水庫(kù)供水功能發(fā)揮。綜合比較分析，方式二對(duì)五岳水庫(kù)影響更小、更易實(shí)施。

表4 調(diào)整五岳水庫(kù)汛期調(diào)度方式對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

調(diào)洪計(jì)算是水電站水能設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。抽水蓄能電站運(yùn)行不同于常規(guī)水電站，其發(fā)電流量對(duì)下水庫(kù)調(diào)洪具有較大影響。尤其是利用已建水庫(kù)作為下水庫(kù)，涉及原有水庫(kù)的防洪安全、樞紐安全、淹沒(méi)影響、綜合利用等眾多方面，問(wèn)題復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程中需合理確定下水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算原則，以滿足多方面要求，為工程的順利建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)。