富春江船閘對(duì)水電站發(fā)電的影響分析

朱彥澤，高玉杉，馬文升

（1.國(guó)網(wǎng)新源水電富春江電廠，浙江 杭州 311504；2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

1 富春江船閘概況

富春江水電站是一座低水頭河床式電站，工程任務(wù)以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、灌溉、養(yǎng)殖等功能。電站于1968年建成發(fā)電，裝機(jī)29.72萬(wàn)kW。2006年經(jīng)過(guò)增容改造后裝機(jī)容量提升至36.00萬(wàn)kW，機(jī)組總過(guò)水流量3 000 m3/s，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量9.23億kW · h。電站長(zhǎng)期擔(dān)負(fù)著華東電網(wǎng)一部分調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用任務(wù)，為浙江省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

富春江船閘位于富春江水電站溢流壩右側(cè)，與右岸相接。2011年前，原富春江船閘為100 t級(jí)單級(jí)雙向運(yùn)行船閘，設(shè)計(jì)最低通航流量為130 m3/s，船閘最大過(guò)閘能力為80萬(wàn)t/a。由于航道下切、船閘下游人字門(mén)內(nèi)外側(cè)水位平衡困難等原因，船閘開(kāi)閘運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，日平均僅運(yùn)行2次，年貨運(yùn)量受到限制，對(duì)錢(qián)塘江中上游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展形成制約。

為開(kāi)發(fā)內(nèi)河航運(yùn)，打通黃金水道，富春江船閘擴(kuò)建改造工程于2011年開(kāi)工建設(shè)，2016年新船閘建成投入試運(yùn)行。改造后船閘位置位于老船閘下游，通航標(biāo)準(zhǔn)提升為500 t級(jí)，設(shè)計(jì)單向過(guò)閘貨運(yùn)量通過(guò)能力約1 250萬(wàn)t/a。

2 船閘運(yùn)行對(duì)發(fā)電影響分析

2.1 影響因素分析

富春江水電站為低水頭大流量的日調(diào)節(jié)水電站，除洪水期外電站實(shí)行“以水定電”的調(diào)度原則，盡量保持較高庫(kù)水位運(yùn)行，提高水頭降低發(fā)電單耗，增加發(fā)電量。根據(jù)水力發(fā)電的原理和發(fā)電量計(jì)算公式，初步分析船閘運(yùn)行對(duì)水電站發(fā)電量影響的因素：一是船閘下游通航水位對(duì)電站發(fā)電尾水位的影響；二是船閘運(yùn)行放水直排下游，減少電站可調(diào)節(jié)的入庫(kù)徑流量。

富春江船閘改造后，下游880.00 m引航道設(shè)導(dǎo)墻與河道主流相隔，并利用天然江心洲設(shè)置分水閘。在日常運(yùn)行中，船閘與電站下游河道分為2支，水位相對(duì)獨(dú)立，船閘運(yùn)行對(duì)電站發(fā)電尾水位基本無(wú)影響。

富春江船閘改造前，原船閘有效長(zhǎng)度102.00 m，寬14.40 m，采用長(zhǎng)廊道分散式輸水，輸水1次需水量約2萬(wàn)m3，正常運(yùn)行情況下，船閘每天只開(kāi)2閘次；改造后船閘有效長(zhǎng)度300.00 m，寬23.00 m，門(mén)檻水深4.50 m，輸水1次約需水量11萬(wàn)m3，且2016年底試運(yùn)行以來(lái)，日均通航閘次提升至3.33次。根據(jù)船閘改造工程設(shè)計(jì)資料，船閘設(shè)計(jì)工況日通航頻次11次，年通航運(yùn)行316 d，船閘運(yùn)行用水量將隨著富春江通航需求增長(zhǎng)而逐漸加大，船閘用水量激增對(duì)富春江水電站發(fā)電影響較大。

2.2 實(shí)際運(yùn)行年份發(fā)電水量影響

富春江船閘用水經(jīng)下閘首排入下游河道，電站機(jī)組無(wú)法利用。根據(jù)電站運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，量化分析富春江船閘改建前后對(duì)水電站發(fā)電徑流的影響。船閘改造前后發(fā)電影響統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1[1]。

表1 船閘改造前后發(fā)電影響統(tǒng)計(jì)表

富春江船閘改造前后，船閘年通航閘次由2011年的586次提高至2018年的1 349次，除檢修停航等因素外，日均通航閘次由2011年的2.1次提高至2018年的3.7次。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，船閘用水量占比由2011年的0.51‰提高至2018年的6.83‰，相應(yīng)減少富春江電站發(fā)電量占比也由0.48‰提高至6.50‰，改擴(kuò)建后的船閘運(yùn)行用水量大幅提升，已超越灌溉取水成為影響可用發(fā)電水量的最重要因素。船閘改造前后發(fā)電影響統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 船閘改造前后發(fā)電影響統(tǒng)計(jì)圖

2017年船閘逐月運(yùn)行統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖2，2018年船閘逐月運(yùn)行統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖3。由圖2～3可見(jiàn)，2018年通航閘次較2017年增長(zhǎng)近85%，相應(yīng)減少富春江電站發(fā)電量占比也由3.00‰提高至6.50‰，船閘影響日益凸顯，船閘通航時(shí)間也由集中在4——7月向全年發(fā)展。

圖2 2017年船閘逐月運(yùn)行統(tǒng)計(jì)圖

圖3 2018年船閘逐月運(yùn)行統(tǒng)計(jì)圖

2.3 多年平均發(fā)電量影響分析

2.3.1 徑流調(diào)節(jié)計(jì)算

為充分說(shuō)明船閘對(duì)電站發(fā)電影響的多年平均情況，通過(guò)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算分析長(zhǎng)系列來(lái)水?dāng)?shù)據(jù)，模擬發(fā)電和船閘運(yùn)行工況，說(shuō)明水電站發(fā)電量的前后變化。

富春江水利樞紐具有一定的日調(diào)節(jié)功能，應(yīng)用水量平衡方程對(duì)徑流系列進(jìn)行逐時(shí)段的水庫(kù)水量蓄泄計(jì)算，求出水庫(kù)蓄水量和用水量的全過(guò)程，每一計(jì)算時(shí)段的水量平衡方程為：

式中：V1、V2分別為計(jì)算時(shí)段初及時(shí)段末的水庫(kù)蓄水量，m3；Wi、W0分別為計(jì)算時(shí)段的水庫(kù)來(lái)水量和用水量，m3。

日調(diào)節(jié)水庫(kù)計(jì)算時(shí)段以小時(shí)為單位，假定已知時(shí)段初水庫(kù)蓄水量V1及時(shí)段來(lái)水量Wi，按照富春江水電站興利調(diào)度要求，由水量平衡方程求出時(shí)段水庫(kù)用水量W0及時(shí)段末蓄水量V2。以上一時(shí)段末的水庫(kù)蓄水量作為本時(shí)段初的水庫(kù)蓄水量，即可順序進(jìn)行全系列調(diào)節(jié)計(jì)算。

水庫(kù)用水過(guò)程分為船閘用水和水電站用水，船閘用水根據(jù)前述各工況日均通航閘次和單閘用水量計(jì)算，水電站發(fā)電量過(guò)程利用水輪機(jī)出力和發(fā)電公式計(jì)算[2]：

式（2）～（3）中：E為電站發(fā)電量，kW · h；K為出力系數(shù)；Q為電站發(fā)電引水流量，m3；H為發(fā)電水頭，m；T為發(fā)電影響歷時(shí)，h；W為發(fā)電用水，m3。

2.3.2 各工況計(jì)算成果

富春江船閘改造前后船閘運(yùn)行規(guī)模和耗水量變化較大，同時(shí)2017年以來(lái)的試運(yùn)行期與船閘設(shè)計(jì)通航量仍存在較大差距，分別計(jì)算船閘改造前、新船閘試運(yùn)行期（即2017——2018年）以及船閘設(shè)計(jì)規(guī)模3種工況下多年平均電站發(fā)電量受船閘運(yùn)行的影響。經(jīng)調(diào)節(jié)計(jì)算：①富春江船閘改造前，因船閘通航用水影響而損失的發(fā)電用水0.11億m3，受船閘影響而減少的年發(fā)電量37萬(wàn)kW · h，發(fā)電損失約占年發(fā)電量的0.44‰；②試運(yùn)行期間，因船閘通航用水影響而損失的發(fā)電用水1.60億m3，受船閘影響而減少的年發(fā)電量541萬(wàn)kW · h，發(fā)電損失約占年發(fā)電量的6.43‰；③船閘設(shè)計(jì)工況，因船閘通航用水影響而損失的發(fā)電用水3.75億m3，受船閘影響而減少的年發(fā)電量1 370萬(wàn)kW · h，發(fā)電損失約占年發(fā)電量的15.19‰[3]。各運(yùn)行工況下船閘對(duì)電站發(fā)電量的影響見(jiàn)表2。

表2 各運(yùn)行工況下船閘對(duì)電站發(fā)電量的影響表

3 結(jié) 論

（1）富春江船閘經(jīng)擴(kuò)建改造后，船閘單次放水量以及運(yùn)行頻次均有大幅提升，船閘用水量有明顯增加，減少富春江水電站可利用發(fā)電用水量，影響水電站發(fā)電量。隨著內(nèi)河通航需求增長(zhǎng)，船閘用水需求將逐步增加，其對(duì)電站發(fā)電影響也將逐步增大。

（2）富春江水電站位于錢(qián)塘江中游河道上，屬低水頭大流量的日調(diào)節(jié)水電站，上下游水位相對(duì)穩(wěn)定，電站發(fā)電流量主要受來(lái)水流量影響。富春江水電站多年平均入庫(kù)水量290.20億m3，其中可利用發(fā)電水量250.50億m3。富春江船閘改造前其運(yùn)行規(guī)模小，年用水量在1 000萬(wàn)m3左右，減少電站發(fā)電量37萬(wàn)kW · h，影響甚微；2016年船閘擴(kuò)建改造后，目前船閘年用水量已增長(zhǎng)至1.60億m3左右，減少電站發(fā)電量541萬(wàn)kW · h，預(yù)計(jì)今后最大通航規(guī)模下，船閘年用水量將達(dá)3.75億m3左右，減少電站發(fā)電量1 370萬(wàn)kW · h，達(dá)電站年發(fā)電量的15.19‰。

（3）錢(qián)塘江黃金水道的開(kāi)發(fā)對(duì)沿線水利樞紐提出高標(biāo)準(zhǔn)的通航要求。隨著船閘規(guī)模的增大以及通航頻次的增加，船閘用水量在水電站入庫(kù)徑流中的比重將逐步增大，其影響也將逐步成為電站運(yùn)行計(jì)劃中需重點(diǎn)考慮的影響因素。水電與通航是水利樞紐的綜合任務(wù)，在協(xié)調(diào)各功能以及各部門(mén)單位用水關(guān)系時(shí)，需統(tǒng)籌考慮，以促進(jìn)水資源的高效利用。