水電站水庫運行水位變幅研究

摘 要：向家壩水電站水庫在按防洪限制水位370m控制運行期間，受泄水設(shè)施啟閉時效、機(jī)組啟停時效、電站日調(diào)節(jié)需要、水文預(yù)報誤差及調(diào)度誤差等因素影響，實時調(diào)度中庫水位一般情況下在防洪限制水位上下一定范圍內(nèi)變動，本文按盡量符合實際、偏安全，考慮個別極端工況的發(fā)生為原則模擬各種運行工況，計算水庫運行水位變幅為正1.50m、負(fù)1.00m，為水庫調(diào)度運行提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：向家壩水電站;水庫運行;水位變幅

一、概述

向家壩水電站是金沙江下游河段水電規(guī)劃的最下游梯級。水庫正常蓄水位380m，死水位370m，調(diào)節(jié)庫容9.03億m3。電站裝機(jī)容量6000MW。

向家壩水電站水庫按防洪限制水位370m控制運行期間，實時調(diào)度中庫水位一般情況下在防洪限制水位上下一定范圍內(nèi)變動。按基本水量平衡理論計算受泄水設(shè)施啟閉時效、機(jī)組開停時效、日調(diào)峰運行工況等影響水位變幅，此外在對工況及計算邊界條件進(jìn)行概化處理后，采用非恒定流不連續(xù)波高公式計算瞬時水位變幅。

二、水量平衡法

（一）研究方案

1、泄洪設(shè)施啟閉

樞紐泄洪建筑物由10個中孔和12個表孔間隔布置組成。泄洪時以表、中孔為主，表孔一般分級連續(xù)開啟（關(guān)閉）6孔，中孔一般分級連續(xù)開啟（關(guān)閉）3孔或5孔。因此，擬定工況為中孔增開3孔、中孔增開5孔、表孔增開6孔，中孔關(guān)閉3孔、中孔關(guān)閉5孔、表孔關(guān)閉6孔。

2、機(jī)組啟停

機(jī)組開啟分為機(jī)組正常運行情況下開機(jī)、停機(jī)及事故情況下甩負(fù)荷停機(jī)3種情況。開機(jī)和停機(jī)分為從最小流量為1200 m3/s至2機(jī)全開、1200 m3/s 至3機(jī)全開、……、1200 m3/s 至8機(jī)全開、2機(jī)全開至5機(jī)全開、4機(jī)全開至6機(jī)全開、6機(jī)全開至7機(jī)全開共10種，開機(jī)時間考慮2分鐘、5分鐘、10分鐘、20分鐘、40分鐘、60分鐘共6種情況。機(jī)組關(guān)停工況與開機(jī)工況相反，關(guān)停時間考慮與開機(jī)時間相同。

向家壩水電站極端情況下輸電系統(tǒng)直流單機(jī)閉鎖則有可能左岸4臺機(jī)全部甩負(fù)荷切機(jī)。因此切機(jī)工況考慮了4臺機(jī)、3臺機(jī)、2臺機(jī)切機(jī)共3種工況。機(jī)組事故甩負(fù)荷工況模擬需考慮發(fā)生事故后水庫開啟其它泄水設(shè)施的反應(yīng)時間，反應(yīng)時間考慮10秒、5分鐘、10分鐘、20分鐘、40分鐘、60分鐘、120分鐘共8種情況。

3、日調(diào)峰運行

考慮到向家壩汛期入庫徑流特性和機(jī)組過流量較大的特點，水庫汛限水位運行的部分時段，也可參與電力系統(tǒng)日內(nèi)調(diào)峰運行。根據(jù)長系列徑流資料統(tǒng)計，選取不同保證率對應(yīng)流量擬定了8個計算情況。

（二）原則與假定

1、泄洪設(shè)施啟閉

計算初始水位均取汛限水位370m，計算步長取為2min，計算時段取為2小時。初始狀態(tài)入庫出庫水量平衡，計算時段內(nèi)入庫流量恒定。根據(jù)本階段初擬的正常運行泄洪時閘門運行調(diào)度方式，泄洪時以表、中孔為主，表孔一般分級連續(xù)開啟到6孔，中孔一般分級連續(xù)開啟到3孔或5孔。計算中不考慮分級連續(xù)啟閉中的時間差。

2、機(jī)組啟停

電站至少按航運基流1200m3/s發(fā)電。初始水位均為370.00m，按初始狀態(tài)入庫出庫水量平衡，計算時段內(nèi)入庫流量恒定考慮，機(jī)組開停時間考察2min、5min、10min、20min、40min、60min。機(jī)組啟停過程中過流量按線性變化考慮。

3、日調(diào)峰運行

電站至少按航運基流1200m3/s發(fā)電。汛期考慮初始計算水位為370.00m。按日內(nèi)入庫流量恒定考慮。按下游水位小時變幅不大于1m/h控制。日內(nèi)出力過程盡量適應(yīng)華東電力系統(tǒng)的日內(nèi)用電負(fù)荷曲線的變化，并考慮遠(yuǎn)距離送電調(diào)度要求，盡量減少日內(nèi)出力的頻繁變化。根據(jù)上述模擬原則，初步擬定日內(nèi)24小時出力過程，逐時段計算發(fā)電流量，統(tǒng)計日內(nèi)平均流量，若流量不等于日平均入庫流量，則調(diào)整出力過程，直至滿足。按模擬的日內(nèi)24小時出力過程，根據(jù)水量平衡計算庫容變化，由水位～庫容曲線插值求得庫水位變幅。

三、一維非恒定急變流不連續(xù)波高法

（一）研究方案

水電站泄水設(shè)施突然啟閉、機(jī)組突然開?？筛呕癁槊鞑鄯呛愣弊兞鲉栴}，水庫水位變幅即為非恒定急變流不連續(xù)波波高，非恒定急變流不連續(xù)波波高與斷面面積、流量變化等有關(guān)。

運行工況主要考慮閘門開啟、閘門關(guān)閉及4臺機(jī)甩負(fù)荷;流量變化分為2000m3/s、4000m3/s和6000m3/s三個流量級。

向家壩壩址斷面面積較大，由于泄水設(shè)施啟閉、機(jī)組啟停引起的瞬時不連續(xù)波影響可能只在局部范圍，因此，立面圖概化的壩址斷面簡圖，受影響斷面分為全部斷面、部分?jǐn)嗝婕熬植繑嗝?種。

（二）原理簡介

非恒定急變流流動的特征是，在較短的時間內(nèi)水面具有階梯式的涌張或消落前緣，瞬時水面坡度很陡，形成不連續(xù)波。水電站泄水設(shè)施突然啟閉、機(jī)組突然開停可概化為明槽非恒定急變流問題，其中泄水設(shè)施突然開啟、機(jī)組突然開機(jī)將在水庫內(nèi)引起逆行落水波;泄水設(shè)施突然關(guān)閉、機(jī)組甩負(fù)荷將在水庫內(nèi)引起逆行漲水波。

由連續(xù)性方程和動量方程可推得斷波波速，見式（2）。

四、研究成果

（一）水量平衡法

根據(jù)水量平衡理論計算水庫水位變化成果如下：

1、汛限水位370.00m時，計算時段取為2小時，表孔開啟6孔、中孔開啟5孔，水位變化分別為-0.4734m、-0.7813m，考慮10%的泄流能力誤差，水位變化分別為-0.5182m、-0.8592m;表孔關(guān)閉6孔、中孔關(guān)閉5孔，水位變化分別為0.4298m、 0.7196m，考慮10%的泄流能力誤差，孔水位變化分別為0.4745m、0.7921m。2、機(jī)組正常開停機(jī)，開停3臺機(jī)，開停時間60min，水庫水位變化為-0.0573m、 0.0537m;機(jī)組事故工況，7臺機(jī)甩4臺機(jī)，事故反應(yīng)時間按2小時考慮，水庫水位變化為0.2769m。3、汛期日調(diào)峰運行，按各模擬工況計算的最大值，水庫水位變化為0.58m，考慮10%的入流預(yù)報誤差，庫水位變化為0.78m。

（二）一維非恒定急變流不連續(xù)波高法

各種模擬計算方案不連續(xù)波高計算成果見表4.2。

由表4.2可見，閘門開啟，下泄流量突增6000 m3/s，若計算斷面取全部壩體斷面，水庫水位跌落0.22m;計算斷面取為泄水壩段斷面時，水庫水位跌落0.74m;計算斷面僅取中孔開啟3孔時的局部影響范圍，則水庫水位跌落2.02m。

閘門關(guān)閉，下泄流量突減6000 m3/s，計算斷面取全部斷面、部分?jǐn)嗝?、局部斷面時，水庫水位涌漲分別為0.22m、0.74m、1.98m。

機(jī)組甩負(fù)荷工況，模擬左岸4臺機(jī)全部故障，計算斷面取全部斷面、部分?jǐn)嗝?、局部斷面時，水庫水位涌漲分別為0.10m、0.54m、1.13m。

五、結(jié)語

根據(jù)三峽水庫水位變幅成果，三峽鳳凰山水位站位于三峽水庫壩址上游約2km，向家壩水庫調(diào)度上游代表站位于壩址上游約1km處，且向家壩水庫容積比三峽小，泄水設(shè)施啟閉、機(jī)組開停及電站調(diào)峰引起的水位變幅應(yīng)較三峽大。目前三峽水庫實時調(diào)度中水庫水位可在防洪限制水位以下0.1m至以上1.0m的范圍內(nèi)變動。

綜合上述水量平衡理論計算值、非恒定斷波波高計算值及三峽實測水位變幅值，向家壩水庫水位變幅值建議為正1.50m、負(fù)1.00m。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李煒，徐孝平. 水力學(xué) [M]. 武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，2006.

作者簡介：孫莉，1982-）女，甘肅蘭州人，高級工程師，碩士研究生，工作方向：水能規(guī)劃設(shè)計