水電站水庫(kù)運(yùn)行水位變幅研究

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

關(guān)鍵詞：向家壩水電站;水庫(kù)運(yùn)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(jí)。水庫(kù)正常蓄水位380m，死水位370m，調(diào)節(jié)庫(kù)容9.03億m3。電站裝機(jī)容量6000MW。

向家壩水電站水庫(kù)按防洪限制水位370m控制運(yùn)行期間，實(shí)時(shí)調(diào)度中庫(kù)水位一般情況下在防洪限制水位上下一定范圍內(nèi)變動(dòng)。按基本水量平衡理論計(jì)算受泄水設(shè)施啟閉時(shí)效、機(jī)組開(kāi)停時(shí)效、日調(diào)峰運(yùn)行工況等影響水位變幅，此外在對(duì)工況及計(jì)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(jì)算瞬時(shí)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(gè)中孔和12個(gè)表孔間隔布置組成。泄洪時(shí)以表、中孔為主，表孔一般分級(jí)連續(xù)開(kāi)啟（關(guān)閉）6孔，中孔一般分級(jí)連續(xù)開(kāi)啟（關(guān)閉）3孔或5孔。因此，擬定工況為中孔增開(kāi)3孔、中孔增開(kāi)5孔、表孔增開(kāi)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(kāi)啟分為機(jī)組正常運(yùn)行情況下開(kāi)機(jī)、停機(jī)及事故情況下甩負(fù)荷停機(jī)3種情況。開(kāi)機(jī)和停機(jī)分為從最小流量為1200 m3/s至2機(jī)全開(kāi)、1200 m3/s 至3機(jī)全開(kāi)、……、1200 m3/s 至8機(jī)全開(kāi)、2機(jī)全開(kāi)至5機(jī)全開(kāi)、4機(jī)全開(kāi)至6機(jī)全開(kāi)、6機(jī)全開(kāi)至7機(jī)全開(kāi)共10種，開(kāi)機(jī)時(shí)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(kāi)機(jī)工況相反，關(guān)停時(shí)間考慮與開(kāi)機(jī)時(shí)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(tái)機(jī)全部甩負(fù)荷切機(jī)。因此切機(jī)工況考慮了4臺(tái)機(jī)、3臺(tái)機(jī)、2臺(tái)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(kù)開(kāi)啟其它泄水設(shè)施的反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)時(shí)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(yùn)行

考慮到向家壩汛期入庫(kù)徑流特性和機(jī)組過(guò)流量較大的特點(diǎn)，水庫(kù)汛限水位運(yùn)行的部分時(shí)段，也可參與電力系統(tǒng)日內(nèi)調(diào)峰運(yùn)行。根據(jù)長(zhǎng)系列徑流資料統(tǒng)計(jì)，選取不同保證率對(duì)應(yīng)流量擬定了8個(gè)計(jì)算情況。

（二）原則與假定

1、泄洪設(shè)施啟閉

計(jì)算初始水位均取汛限水位370m，計(jì)算步長(zhǎng)取為2min，計(jì)算時(shí)段取為2小時(shí)。初始狀態(tài)入庫(kù)出庫(kù)水量平衡，計(jì)算時(shí)段內(nèi)入庫(kù)流量恒定。根據(jù)本階段初擬的正常運(yùn)行泄洪時(shí)閘門(mén)運(yùn)行調(diào)度方式，泄洪時(shí)以表、中孔為主，表孔一般分級(jí)連續(xù)開(kāi)啟到6孔，中孔一般分級(jí)連續(xù)開(kāi)啟到3孔或5孔。計(jì)算中不考慮分級(jí)連續(xù)啟閉中的時(shí)間差。

2、機(jī)組啟停

電站至少按航運(yùn)基流1200m3/s發(fā)電。初始水位均為370.00m，按初始狀態(tài)入庫(kù)出庫(kù)水量平衡，計(jì)算時(shí)段內(nèi)入庫(kù)流量恒定考慮，機(jī)組開(kāi)停時(shí)間考察2min、5min、10min、20min、40min、60min。機(jī)組啟停過(guò)程中過(guò)流量按線(xiàn)性變化考慮。

3、日調(diào)峰運(yùn)行

電站至少按航運(yùn)基流1200m3/s發(fā)電。汛期考慮初始計(jì)算水位為370.00m。按日內(nèi)入庫(kù)流量恒定考慮。按下游水位小時(shí)變幅不大于1m/h控制。日內(nèi)出力過(guò)程盡量適應(yīng)華東電力系統(tǒng)的日內(nèi)用電負(fù)荷曲線(xiàn)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(shí)出力過(guò)程，逐時(shí)段計(jì)算發(fā)電流量，統(tǒng)計(jì)日內(nèi)平均流量，若流量不等于日平均入庫(kù)流量，則調(diào)整出力過(guò)程，直至滿(mǎn)足。按模擬的日內(nèi)24小時(shí)出力過(guò)程，根據(jù)水量平衡計(jì)算庫(kù)容變化，由水位～庫(kù)容曲線(xiàn)插值求得庫(kù)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(kāi)停可概化為明槽非恒定急變流問(wèn)題，水庫(kù)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(yùn)行工況主要考慮閘門(mén)開(kāi)啟、閘門(mén)關(guān)閉及4臺(tái)機(jī)甩負(fù)荷;流量變化分為2000m3/s、4000m3/s和6000m3/s三個(gè)流量級(jí)。

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(shí)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(jiǎn)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(jiǎn)介

非恒定急變流流動(dòng)的特征是，在較短的時(shí)間內(nèi)水面具有階梯式的涌張或消落前緣，瞬時(shí)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(kāi)停可概化為明槽非恒定急變流問(wèn)題，其中泄水設(shè)施突然開(kāi)啟、機(jī)組突然開(kāi)機(jī)將在水庫(kù)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(kù)內(nèi)引起逆行漲水波。

由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程可推得斷波波速，見(jiàn)式（2）。

四、研究成果

（一）水量平衡法

根據(jù)水量平衡理論計(jì)算水庫(kù)水位變化成果如下：

1、汛限水位370.00m時(shí)，計(jì)算時(shí)段取為2小時(shí)，表孔開(kāi)啟6孔、中孔開(kāi)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(kāi)停機(jī)，開(kāi)停3臺(tái)機(jī)，開(kāi)停時(shí)間60min，水庫(kù)水位變化為-0.0573m、 0.0537m;機(jī)組事故工況，7臺(tái)機(jī)甩4臺(tái)機(jī)，事故反應(yīng)時(shí)間按2小時(shí)考慮，水庫(kù)水位變化為0.2769m。3、汛期日調(diào)峰運(yùn)行，按各模擬工況計(jì)算的最大值，水庫(kù)水位變化為0.58m，考慮10%的入流預(yù)報(bào)誤差，庫(kù)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(jì)算方案不連續(xù)波高計(jì)算成果見(jiàn)表4.2。

由表4.2可見(jiàn)，閘門(mén)開(kāi)啟，下泄流量突增6000 m3/s，若計(jì)算斷面取全部壩體斷面，水庫(kù)水位跌落0.22m;計(jì)算斷面取為泄水壩段斷面時(shí)，水庫(kù)水位跌落0.74m;計(jì)算斷面僅取中孔開(kāi)啟3孔時(shí)的局部影響范圍，則水庫(kù)水位跌落2.02m。

閘門(mén)關(guān)閉，下泄流量突減6000 m3/s，計(jì)算斷面取全部斷面、部分?jǐn)嗝妗⒕植繑嗝鏁r(shí)，水庫(kù)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(tái)機(jī)全部故障，計(jì)算斷面取全部斷面、部分?jǐn)嗝妗⒕植繑嗝鏁r(shí)，水庫(kù)水位涌漲分別為0.10m、0.54m、1.13m。

五、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)三峽水庫(kù)水位變幅成果，三峽鳳凰山水位站位于三峽水庫(kù)壩址上游約2km，向家壩水庫(kù)調(diào)度上游代表站位于壩址上游約1km處，且向家壩水庫(kù)容積比三峽小，泄水設(shè)施啟閉、機(jī)組開(kāi)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(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度中水庫(kù)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(dòng)。

綜合上述水量平衡理論計(jì)算值、非恒定斷波波高計(jì)算值及三峽實(shí)測(cè)水位變幅值，向家壩水庫(kù)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(jiǎn)介：孫莉，1982-）女，甘肅蘭州人，高級(jí)工程師，碩士研究生，工作方向：水能規(guī)劃設(shè)計(jì)