梯級(jí)電站運(yùn)行期水庫(kù)放空經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究與實(shí)踐

王 曉 東

(四川松林河流域開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

南歐江發(fā)源于中國(guó)云南省江城縣與老撾豐沙里省接壤的邊境山脈，全河流域面積25 634 km2，河長(zhǎng)475 km，天然落差約427 m，年徑流量185億m3。南歐江流域梯級(jí)水電站按“一庫(kù)七級(jí)”設(shè)計(jì)，總裝機(jī)容量127.2萬(wàn)kW，全梯級(jí)聯(lián)合運(yùn)行保證出力43.55萬(wàn)kW，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量50.29億kWh。從上游往下游分別是七級(jí)至一級(jí)電站。七級(jí)電站水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)能力，六級(jí)、五級(jí)電站為季調(diào)節(jié)能力，其余電站為日調(diào)節(jié)能力。南歐江流域降水主要出現(xiàn)在5月至9月之間，因而使流域年內(nèi)氣候形成干、濕(雨)兩季，10月～第2年4月為干季，5～9月為雨季，雨季降水量可占年降水的80%以上，流域年降雨量在1 400～2 200 mm之間[1]。南歐江流域多年徑流量分配不均且年內(nèi)分配不平衡，6～11月占年徑流量的83.5%，一級(jí)至六級(jí)電站調(diào)節(jié)庫(kù)容分別為2.46億m3、1.42億m3、0.16億m3、0.24億m3、0.25億m3、0.22億m3。七級(jí)電站投產(chǎn)以前，六級(jí)電站為“龍頭水庫(kù)”，為了充分利用流域天然來(lái)水徑流，在保障安全前提下研究汛前放空六級(jí)電站水庫(kù)，充分發(fā)揮六級(jí)電站死水位以下庫(kù)容水量對(duì)下游一級(jí)至五級(jí)電站發(fā)電作用，增加一級(jí)至五級(jí)電站發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益可行性。南歐江流域汛期雨季雨量充沛，此時(shí)產(chǎn)生棄水，枯期大部分水電站發(fā)電能力不足，但降雨量有限，從增強(qiáng)電站調(diào)度運(yùn)行可操作性、提高梯級(jí)水電站發(fā)電效益出發(fā)優(yōu)化調(diào)度，細(xì)化電站調(diào)度規(guī)則，制定水庫(kù)放空應(yīng)急預(yù)案，增加六級(jí)電站汛前水庫(kù)調(diào)節(jié)水量，增大下游梯級(jí)水電站的發(fā)電補(bǔ)償作用，實(shí)現(xiàn)流域一級(jí)至五級(jí)梯級(jí)水電站發(fā)電量大幅度增加。

2 水庫(kù)放空研究

2.1 安全研究

(1)精準(zhǔn)氣象、徑流預(yù)報(bào)。為確保南歐江流域水電站水庫(kù)安全調(diào)度、精準(zhǔn)調(diào)度，安全策略采取精準(zhǔn)氣象預(yù)報(bào)+水情測(cè)報(bào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相結(jié)合方式[2]。業(yè)主委托云南省氣象服務(wù)中心開展流域數(shù)值氣象預(yù)報(bào)，定期發(fā)布日、周天氣預(yù)報(bào)和月、季、年度氣候預(yù)測(cè)。開發(fā)南歐江流域?qū)I(yè)氣象服務(wù)網(wǎng)站，實(shí)時(shí)查看實(shí)況降雨、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)及短臨預(yù)報(bào)；針對(duì)可能出現(xiàn)在流域內(nèi)的暴雨、強(qiáng)降溫、強(qiáng)對(duì)流及轉(zhuǎn)折性天氣等重要天氣過(guò)程進(jìn)行重要天氣預(yù)報(bào)，并通過(guò)視頻會(huì)商、微信等遠(yuǎn)程服務(wù)手段，為流域生產(chǎn)調(diào)度和防洪度汛提供科學(xué)決策，提前預(yù)判南歐江流域汛期降水和徑流情況。

南歐江梯級(jí)水電站建設(shè)有流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，包括水情中心站1座、遙測(cè)水文站8座、樞紐水位站21座、防汛水位站6座、遙測(cè)雨量站33座。各級(jí)電站可以實(shí)時(shí)監(jiān)視降雨量、區(qū)間徑流量，確保徑流測(cè)報(bào)準(zhǔn)確性。實(shí)行水情24 h值班制，水文情報(bào)做到不錯(cuò)報(bào)、不遲報(bào)、不缺報(bào)、不漏報(bào)和隨測(cè)算、隨校核、隨發(fā)送、隨整理、隨分析。8時(shí)發(fā)布水情日?qǐng)?bào)，包含昨日降雨量、昨日8時(shí)至今日8時(shí)實(shí)測(cè)水情信息及24 h預(yù)見(jiàn)期的水情預(yù)報(bào)信息。20時(shí)發(fā)布水情簡(jiǎn)報(bào)，包含今日8時(shí)至今日20時(shí)實(shí)測(cè)水、雨情信息及12 h預(yù)見(jiàn)期的水情預(yù)報(bào)信息，以保證水情預(yù)報(bào)、測(cè)報(bào)的質(zhì)量和時(shí)效。

(2)設(shè)備運(yùn)行分析。將電站最低運(yùn)行水位停機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)擺度超標(biāo)、軸承、冷卻器溫度報(bào)警作為設(shè)備停運(yùn)條件，以確保設(shè)備安全運(yùn)行。六級(jí)電站機(jī)組在低水頭運(yùn)行時(shí)，隨著電站水庫(kù)水位及運(yùn)行工況變化，運(yùn)行人員加強(qiáng)監(jiān)管，密切關(guān)注機(jī)組振動(dòng)、擺度。低水位運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪出口水流環(huán)量增加造成水流旋轉(zhuǎn)而形成漩渦，易造成水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的空腔汽蝕，縮短轉(zhuǎn)輪的使用壽命。運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)蝸殼壓力、振動(dòng)擺度、溫度等變化的監(jiān)視，巡視過(guò)程中著重對(duì)轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查。當(dāng)發(fā)生機(jī)組振動(dòng)、擺度、噪音等達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)警值，調(diào)整負(fù)荷后也無(wú)法消除軸承溫度升高等異常情況，為保障設(shè)備安全，機(jī)組停機(jī)、不發(fā)電，采用泄洪閘門消落六級(jí)電站水庫(kù)水位。

(3)設(shè)施運(yùn)行分析。六級(jí)電站低水位運(yùn)行時(shí)，采取水工建筑物加密監(jiān)測(cè)方式，加強(qiáng)大壩水平、垂直位移變形和滲流的監(jiān)測(cè)，尤其加密監(jiān)測(cè)廠房后邊坡的變形，如有異常及時(shí)報(bào)送并停止下泄。加強(qiáng)大壩土工膜的安全巡查，關(guān)注壩前攔漂索的運(yùn)行情況，如有異常，及時(shí)處理。對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)交通橋橋墩、橋頭護(hù)岸進(jìn)行全面細(xì)致檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。采用泄洪閘門泄洪時(shí)關(guān)注溢洪道泄槽的應(yīng)力變化及下游河道護(hù)岸的沖刷情況，對(duì)電站下游村莊進(jìn)行預(yù)警、撤離工作。

水庫(kù)、行洪河道沿岸設(shè)置專人巡視檢查。如發(fā)生大壩位移、滲流等監(jiān)測(cè)變化值已經(jīng)接近設(shè)計(jì)允許值邊界范圍的情況，停止消落水庫(kù)水位以保障水工建筑物安全。

(4)消落水位分析。六級(jí)電站正常蓄水位510 m、死水位490 m，電站調(diào)節(jié)庫(kù)容2.46億m3/s。裝機(jī)容量18萬(wàn)kW，全廠額定發(fā)電引用流量346.27 m3/s。電站供水期末5月份最大入庫(kù)流量238.65 m3/s，按電站5月從正常蓄水位消落至死水位以下計(jì)算，入庫(kù)流量小于電站額定發(fā)電引用流量，可以消落六級(jí)電站庫(kù)容，且下游電站不會(huì)產(chǎn)生棄水。

六級(jí)電站水庫(kù)消落和蓄水速率控制在2 m/d，根據(jù)水位-庫(kù)容關(guān)系、預(yù)估入庫(kù)流量、下泄流量計(jì)算，從正常蓄水位消落至死水位以下，再對(duì)水庫(kù)進(jìn)行回蓄，能夠滿足壩前水位2 m/d速率控制的要求。所以，六級(jí)電站消落水位是可行的。

2.2 技術(shù)研究

(1)設(shè)計(jì)運(yùn)行方式。六級(jí)電站水庫(kù)設(shè)計(jì)運(yùn)行方式：5月，電站從正常蓄水位510 m開始逐步消落，至5月末消落至死水位490 m附近；6月，電站維持在死水位附近運(yùn)行；7月，先以滿足電站單機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行需求進(jìn)行發(fā)電，盡快蓄水至507 m；7月末回蓄至正常蓄水位510 m；其余時(shí)段，電站均維持在正常蓄水位附近運(yùn)行[3]。水庫(kù)發(fā)電調(diào)度圖見(jiàn)圖1。

圖1 水庫(kù)發(fā)電調(diào)度圖

(2)放空方式分析。結(jié)合氣象預(yù)報(bào)、徑流測(cè)算，以及歷年調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)演算和論證，提前將六級(jí)電站水庫(kù)放空。一方面可以將六級(jí)至一級(jí)電站棄水水量轉(zhuǎn)化為五級(jí)至一級(jí)電站發(fā)電水量，增加五級(jí)至一級(jí)電站發(fā)電量。另一方面可以提高六級(jí)至一級(jí)電站防汛調(diào)蓄能力，減少汛期棄水電量。在實(shí)施過(guò)程中結(jié)合實(shí)際降雨徑流情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整最低放空水位，以滿足六級(jí)電站消落庫(kù)容回蓄需求。通過(guò)分析論證，六級(jí)電站水庫(kù)放空是可行的。六級(jí)電站盡可能優(yōu)先采用發(fā)電方式降低水庫(kù)水位，減少單站棄水電量。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組不能發(fā)電時(shí)，采用放空洞泄流方式放水。

(3)六級(jí)電站發(fā)電水位選擇。六級(jí)電站引水發(fā)電系統(tǒng)采用一洞三機(jī)聯(lián)合供水方式，由一條壓力隧洞后接地下壓力鋼管，鋼岔管及三條支管組成。電站的水頭損失公式為：△H=2.776×10-5Q2，其中，△H為水頭損失；Q為全廠引用流量[4]。經(jīng)計(jì)算，總水頭損失為△H=3.37 m。根據(jù)六級(jí)電站水輪機(jī)設(shè)計(jì)最小工作水頭45 m，總水頭損失3.37 m，以及尾水水位440.87 m，得出最低發(fā)電運(yùn)行水位為489.24 m。一級(jí)至五級(jí)電站不消落水庫(kù)水位，保持在正常水位附近發(fā)電運(yùn)行。

(4)六級(jí)電站最低水位選擇。從三個(gè)方面進(jìn)行分析，確定最低水位。一是電站運(yùn)行設(shè)備取水的影響；二是庫(kù)區(qū)綜合用水影響研究；三是水庫(kù)泥沙淤積影響。電站機(jī)組和主變冷卻器技術(shù)供水在蝸殼內(nèi)取水，電站引水發(fā)電建筑物布置包括進(jìn)水口、引水隧洞、壓力鋼管。進(jìn)水口采用岸塔式布置，進(jìn)水口底板高程470 m，故壩前水位低于470 m將影響技術(shù)供水取水。電站機(jī)電消防給水由兩套互為備用的水泵從尾水取水，取水高程436 m，故降低運(yùn)行水位對(duì)電站機(jī)電消防用水沒(méi)有影響，對(duì)庫(kù)區(qū)綜合用水有影響。電站設(shè)計(jì)庫(kù)區(qū)無(wú)生活取水、航運(yùn)要求。經(jīng)現(xiàn)地調(diào)查，當(dāng)?shù)卮迩f船只在庫(kù)區(qū)內(nèi)停靠，水庫(kù)放空前提前與地方政府、村莊聯(lián)系，保障船只、人身安全。電站壩址多年平均懸移質(zhì)沙量為54.7×104t，推移質(zhì)沙量為2.54×104t，運(yùn)行30 a的壩前平均淤沙高程約為447 m，故壩前水位不低于447 m，水庫(kù)泥沙淤積對(duì)發(fā)電取水沒(méi)有制約性影響。

經(jīng)對(duì)電站運(yùn)行設(shè)備取水影響、庫(kù)區(qū)綜合用水影響、水庫(kù)泥沙淤積影響三方面進(jìn)行綜合研究分析，最終將六級(jí)電站的最低放空水位選擇為高程470 m。

2.3 經(jīng)濟(jì)研究

根據(jù)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組耗水率計(jì)算[5]，六級(jí)電站產(chǎn)生1 m3棄水水量，將損失電量0.15 kWh，1 m3水量相應(yīng)下游五級(jí)至一級(jí)電站總發(fā)電量0.32 kWh。所以，在徑流預(yù)報(bào)準(zhǔn)確、安全措施可靠的前提下，六級(jí)電站水庫(kù)放空可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。單站與多站經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 單站與多站經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

3 實(shí)施過(guò)程及成效

3.1 實(shí)施過(guò)程

(1)水庫(kù)水位消落。2021年6月18日至6月26日，發(fā)電方式將運(yùn)行水位從死水位490 m消落至488 m；6月27日至7月19日，通過(guò)泄洪放空洞將運(yùn)行水位從488 m消落至470 m，六級(jí)電站水庫(kù)放空壩前水位過(guò)程線見(jiàn)圖2。

圖2 六級(jí)電站水庫(kù)放空壩前水位過(guò)程線

(2)最低發(fā)電水位試驗(yàn)。當(dāng)運(yùn)行水位至489 m時(shí)，機(jī)組振動(dòng)、擺度、溫度值未達(dá)到報(bào)警值，但空冷溫度達(dá)到報(bào)警值；當(dāng)運(yùn)行水位至488 m時(shí)，機(jī)組振動(dòng)、擺度、溫度值均達(dá)到了報(bào)警值。水輪機(jī)振擺分析圖和水輪發(fā)電機(jī)組溫度分析圖見(jiàn)圖3、4。

圖3 水輪機(jī)振擺分析圖

(3)安全技術(shù)措施。主要從兩方面采取安全技術(shù)措施：一是設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視，二是調(diào)整電站運(yùn)行方式。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)蝸殼壓力、振動(dòng)擺度、溫度等變化情況監(jiān)視；現(xiàn)場(chǎng)巡視過(guò)程中重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查；根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置人工水頭運(yùn)行。機(jī)組振動(dòng)值不能大于GB/T 15468《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》振動(dòng)允許值。電站機(jī)組和主變冷卻器技術(shù)供水在蝸殼內(nèi)取水，為防止運(yùn)行水位接近470 m技術(shù)供水中斷，放空洞泄水時(shí)，停運(yùn)主變，將電站廠用電供電倒換為外來(lái)電源供電方式。

3.2 成效

(1)經(jīng)濟(jì)效益。2021年6月18日至7月19日，六級(jí)電站水庫(kù)逐步放空，水庫(kù)水位從死水位490 m消落至470 m，六級(jí)至一級(jí)電站共增加了發(fā)電量7 075萬(wàn)kWh。6月18日至6月26日發(fā)電方式消落庫(kù)容1 600萬(wàn)m3，六級(jí)至一級(jí)電站增發(fā)電量751.17萬(wàn)kWh；6月27日至7月19日放空洞下泄方式消落庫(kù)容10 300萬(wàn)m3，五級(jí)至一級(jí)電站增發(fā)電量3 301.28萬(wàn)kWh；6月27日至7月19日七級(jí)至六級(jí)電站區(qū)間水量5 327萬(wàn)m3，六級(jí)電站損失發(fā)電量791.53萬(wàn)kW；六級(jí)電站水庫(kù)放空共增發(fā)電量3 260.93萬(wàn)kWh。六級(jí)電站水庫(kù)放空增發(fā)電量分析表見(jiàn)表2。

表2 六級(jí)電站水庫(kù)放空增發(fā)電量分析表

圖4 水輪發(fā)電機(jī)組溫度分析圖

減少了汛期有效棄水電量。由于汛期老撾已投產(chǎn)電站發(fā)電能力大于電網(wǎng)消納能力，2021年7月22日至7月31日日均負(fù)荷40.5萬(wàn)kW開始發(fā)生有效棄水。六級(jí)電站470 m至490 m高程水庫(kù)庫(kù)容11 900萬(wàn)m3，提前騰庫(kù)減少了五級(jí)至一級(jí)電站有效棄水電量3 814萬(wàn)kWh。

(2)防洪度汛效益。截至2021年7月31日，六級(jí)電站水庫(kù)水位從470 m蓄水至508.01 m，蓄水水量37 835萬(wàn)m3，削減最大洪峰流量872 m3/s，有效保障了五級(jí)至一級(jí)電站庫(kù)區(qū)和下游河道防汛安全。

(3)其他效益。為六級(jí)電站490 m高程以下水工建筑物檢查創(chuàng)造了條件。六級(jí)電站2015年底首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)至今因不具備條件未開展490 m高程以下水工建筑物檢查，利用該次水庫(kù)放空時(shí)機(jī)，完成了490 m至470 m高程土工膜檢查和引水系統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)外觀、變形、滲流、淤積檢查以及進(jìn)水口攔污柵雜物清理。

4 結(jié) 語(yǔ)

在老撾積極的電源投資政策下，老撾電力裝機(jī)增長(zhǎng)迅猛，總裝機(jī)近5年增長(zhǎng)至原來(lái)的3倍。由于近年來(lái)老撾裝機(jī)增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于需求增長(zhǎng)速度，故將長(zhǎng)期面對(duì)電力消納困難問(wèn)題。采用汛前降低龍頭水庫(kù)運(yùn)行水位，梯級(jí)電站群聯(lián)合調(diào)度方式，經(jīng)過(guò)在南歐江流域梯級(jí)電站試驗(yàn)，水庫(kù)群綜合利用效益成效顯著，可供行業(yè)類似梯級(jí)電站群借鑒。