桃源水電廠區(qū)間徑流量與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

李 超

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)桃源水電廠，湖南 桃源 415700)

0 引 言

洞庭湖南納湘資沅澧四水來(lái)水，沅水作為湖南的第二大河流，水電開(kāi)發(fā)梯級(jí)效益顯著。桃源水電廠則位于湖南省常德市桃源縣沅江干流上，是沅水干流最末水電開(kāi)發(fā)梯級(jí)電廠。桃源水電廠正因?yàn)槠涮厥獾牡赜驅(qū)傩院蜔o(wú)調(diào)節(jié)能力特性，對(duì)區(qū)間水量的變化及其敏感，調(diào)度經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式配合興利需求也要充分預(yù)判區(qū)間水量變化，滿足電網(wǎng)調(diào)度需要的同時(shí)還要最大化企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。本文將桃源水電廠區(qū)間徑流量作分析，遙測(cè)、預(yù)判徑流量的變化，以提高電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)保證電網(wǎng)調(diào)度需要，保障興利需求。

1 概 述

沅水流域?qū)俑睙釒Ъ撅L(fēng)氣候，徑流由降水形成，流域內(nèi)四季分明，降水量年內(nèi)分配不均。桃源水電廠壩址多年平均氣溫16.7 ℃，多年平均降水量1 458.6 mm，多年平均蒸發(fā)量1 154.7 mm。桃源水電廠上級(jí)電廠為凌津?yàn)┧姀S，壩址至上游凌津?yàn)┧姀S屬?zèng)_積平原與丘陵地貌過(guò)渡區(qū)域。

桃源水電廠具有發(fā)電、航運(yùn)、旅游等綜合效益，水庫(kù)正常蓄水位39.50 m，相應(yīng)庫(kù)容1.28億m3，死水位39.30 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容560萬(wàn)m3；機(jī)組額定水頭5.6 m，多年平均流量2 060 m3/s，屬無(wú)調(diào)節(jié)性能電廠。水電廠為低水頭徑流式電廠，正常運(yùn)行情況下水庫(kù)水位不消落。

桃源水電廠水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)測(cè)報(bào)范圍為五強(qiáng)溪、竹園～桃源區(qū)間，測(cè)報(bào)面積2 200 km2，共布設(shè)各類遙測(cè)站18個(gè)(3個(gè)水文站、9個(gè)水位站、6個(gè)雨量站)，其中水文站分別為五強(qiáng)溪(二)、竹園壩下、凌津?yàn)蜗抡荆凰徽緸樘以磯紊险尽⑻以磯蜗抡尽?號(hào)進(jìn)水口站、1號(hào)出水口站、9號(hào)進(jìn)水口站、9號(hào)出水口站、左槽壩前站、船閘上水口站、導(dǎo)航墻尾站。雨量站分別為大楊溪支流上的楊溪橋站、澄溪支流上的王家灣站、水溪支流上的逆江坪站，以及凌津?yàn)┧姀S水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)范圍內(nèi)的龍?zhí)端尽⑷抡尽⑴＼?chē)河站。

2 區(qū)間徑流量分析

桃源水電廠區(qū)間徑流量分區(qū)間流域產(chǎn)匯流和上游凌津?yàn)┧姀S出庫(kù)水量。區(qū)間流域按一般特性為低矮丘陵，區(qū)間徑流量依上級(jí)水電廠出庫(kù)流量可調(diào)控外，區(qū)間流域產(chǎn)匯流一般為無(wú)控制的天然流動(dòng)，加之河溝縱橫、洼地分布、降雨不均、人類活動(dòng)影響等也會(huì)造成產(chǎn)匯流變化。

2.1 上級(jí)電廠調(diào)控區(qū)間徑流量

桃源水電廠區(qū)間來(lái)水基本由凌津?yàn)┧姀S出庫(kù)提供，凌津?yàn)┧姀S出庫(kù)到達(dá)桃源水電廠壩址需要1.5 h左右。區(qū)間來(lái)水滯后導(dǎo)致了凌津?yàn)┧姀S、桃源水電廠兩廠供應(yīng)出力不能協(xié)調(diào)同步，甚至在凌津?yàn)┧姀S反調(diào)節(jié)后造成桃源水電廠無(wú)水可用。同時(shí)，桃源水電廠無(wú)調(diào)洪能力，洪水調(diào)度取決于上游凌津?yàn)┧姀S的洪水調(diào)度方式。

2.2 區(qū)間產(chǎn)匯流

區(qū)間產(chǎn)匯流可分為產(chǎn)流與匯流兩部分：產(chǎn)流過(guò)程是指降雨經(jīng)過(guò)扣損變成凈雨；匯流過(guò)程是指凈雨如何匯集到出口控制斷面或排入河網(wǎng)。

由于下墊面的不同將造成產(chǎn)流結(jié)果不一，桃源水電廠區(qū)間產(chǎn)流主要有水面降雨、堤垸產(chǎn)流、城鎮(zhèn)產(chǎn)流、支流河網(wǎng)產(chǎn)流。當(dāng)日產(chǎn)流量在有蒸發(fā)損失、截留、滲漏、灌溉之后依不同匯流系數(shù)匯入?yún)^(qū)間干流。

3 桃源水電廠運(yùn)行特點(diǎn)

3.1 庫(kù)容

桃源水電廠水庫(kù)庫(kù)容小，沒(méi)有調(diào)節(jié)能力，出力主要受區(qū)間徑流量和電力調(diào)度兩個(gè)客觀因素影響。上游來(lái)水主要由凌津?yàn)┧姀S出庫(kù)提供，如果凌津?yàn)┧姀S發(fā)揮日調(diào)節(jié)性能參與電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)整，桃源水電廠將被動(dòng)參與調(diào)整，并且要計(jì)算好時(shí)間差和區(qū)間徑流量。

3.2 水頭變化敏感

桃源水電廠裝設(shè)9臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，最高運(yùn)行水頭9.7 m，最低運(yùn)行水頭2.0 m。水頭變化受上下游水位變化影響大，枯水期水頭高，豐水期水頭低，機(jī)組出力受影響較大。機(jī)組額定水頭為5.6 m，汛期來(lái)水大，機(jī)組出力大，下游水位抬升，機(jī)組水頭逐步降低，低水頭運(yùn)行機(jī)組耗水率增加，發(fā)電流量增大。這時(shí)，需注意在低于額定水頭以下運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行工況差，設(shè)備損傷風(fēng)險(xiǎn)增加。

3.3 水面波動(dòng)

桃源水電廠壩址距上游凌津?yàn)┧姀S約38 km，距上游五強(qiáng)溪水電廠85 km。桃源水電廠庫(kù)區(qū)長(zhǎng)度較短，對(duì)應(yīng)水庫(kù)庫(kù)容小，加之可調(diào)空間僅為560萬(wàn)m3區(qū)間庫(kù)容，在最優(yōu)化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行下一般保持正常蓄水位運(yùn)行；如遇上游凌津?yàn)┧姀S出庫(kù)流量調(diào)整或是波動(dòng)則極易反饋到桃源水電廠壩前水位波動(dòng)。在異常天氣下，水受到風(fēng)力的作用而產(chǎn)生波動(dòng)，被擾動(dòng)的水質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置，作周期性振動(dòng)，涌浪流向壩前進(jìn)水口則造成運(yùn)行機(jī)組水頭變化；在機(jī)組負(fù)荷不變情況下調(diào)速器根據(jù)實(shí)測(cè)水頭數(shù)據(jù)和導(dǎo)葉反饋開(kāi)度做出連續(xù)的被動(dòng)調(diào)整。

3.4 水位變化快

桃源水電廠9臺(tái)發(fā)電機(jī)組受?chē)?guó)網(wǎng)湖南電力公司調(diào)控中心調(diào)度，調(diào)控中心會(huì)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷需要臨時(shí)下令調(diào)度機(jī)組負(fù)荷。此時(shí)壩前水位急劇變化，甚至造成長(zhǎng)周期涌浪，又有桃源水電廠依據(jù)入庫(kù)流量調(diào)整機(jī)組運(yùn)行出力，操作或與入庫(kù)流量未能同步。雖然壩前水位變化快，水電廠壩址上距凌津?yàn)┧姀S約38 km，且是小容量庫(kù)容，但在出入庫(kù)流量平衡狀態(tài)下，以桃源水電廠做庫(kù)容調(diào)節(jié)，壩前水位瞬時(shí)變化并不能整體體現(xiàn)庫(kù)區(qū)容量變化。

4 流量對(duì)比

桃源水電廠從2014年全部機(jī)組轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)行以來(lái)只有6年時(shí)間，在統(tǒng)計(jì)的5個(gè)完整運(yùn)行年度的入庫(kù)流量里雖有不均分布，也出現(xiàn)過(guò)超20年一遇的洪水峰值24 258 m3/s(2017年7月2日)；但考慮水文規(guī)律及豐水年和枯水年出現(xiàn)不同，基本符合多年平均水文特征(見(jiàn)表1)。

表1 入庫(kù)流量統(tǒng)計(jì) m3/s

從區(qū)間月均流量來(lái)看，雖然出現(xiàn)規(guī)律不同，但桃源水電廠設(shè)計(jì)佐證了對(duì)于運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益是基本可靠的。

5 優(yōu)化調(diào)度經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

桃源水電廠至凌津?yàn)┧姀S距離短、庫(kù)容小，在運(yùn)行調(diào)度時(shí)往往處于被動(dòng)一面。沅水作為長(zhǎng)江的主要支流，汛期時(shí)間長(zhǎng)。加之設(shè)備服役時(shí)間增加，機(jī)組檢修時(shí)間長(zhǎng)，只要有機(jī)組進(jìn)行A級(jí)檢修，則機(jī)組檢修工期有可能與汛期重疊，這些不利因素都給運(yùn)行調(diào)度帶來(lái)了難度；并且桃源水電廠庫(kù)區(qū)長(zhǎng)度較短，水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新或有延后,造成了區(qū)間庫(kù)容調(diào)度時(shí)間緊湊，值班人員需對(duì)庫(kù)區(qū)水情變化時(shí)刻警惕。

目前桃源水電廠雖是在沅水干流水電開(kāi)發(fā)梯級(jí)之內(nèi)，但未與上游歸屬五凌電力有限公司的凌津?yàn)┧姀S、五強(qiáng)溪水電廠統(tǒng)一集中調(diào)度運(yùn)行，對(duì)于梯級(jí)電廠優(yōu)勢(shì)未能完全發(fā)揮，不能最大限度地開(kāi)發(fā)河流的水能、水運(yùn)資源。

在實(shí)際優(yōu)化中，運(yùn)行調(diào)度人員雖有掣肘，在最大化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行保證不棄水、少棄水的情況下還要兼顧通航安全、抑制涌浪、高水頭運(yùn)行、減緩水位變化；但優(yōu)化后的調(diào)度方式經(jīng)濟(jì)效果明顯，安全可靠性增加。

5.1 檢修期優(yōu)化調(diào)度

桃源水電廠年度檢修一般安排在枯水期進(jìn)行，在此期間月均入庫(kù)流量低，區(qū)間徑流量較小。上級(jí)電廠進(jìn)入枯水期后亦進(jìn)入機(jī)組設(shè)備檢修期，可廠與廠之間檢修工期、計(jì)劃未能同步，也就會(huì)造成上級(jí)電廠檢修工期中或有大出庫(kù)流量；或上級(jí)電廠檢修調(diào)試完畢，桃源水電廠還在檢修中。同時(shí)，桃源水電廠于2015年4月起，對(duì)電站下游1.5 km內(nèi)的河段進(jìn)行疏浚作業(yè)，2016年6月一期疏浚工程結(jié)束；2019年對(duì)下游航道進(jìn)行了疏浚。河道疏浚后，桃源水電廠不同流量工況下機(jī)組出力增幅明顯，實(shí)際滿發(fā)電負(fù)荷達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)裝機(jī)容量。但機(jī)組運(yùn)行時(shí)水頭就會(huì)增加，發(fā)電流量變小，如需應(yīng)對(duì)上游來(lái)水，則要精準(zhǔn)把控。

如2020年4月下旬，桃源水電廠機(jī)組中7號(hào)機(jī)組正處于大修尾期，正常備用機(jī)組僅8臺(tái)，4月下旬天氣晴好，依當(dāng)時(shí)水情情況機(jī)組滿負(fù)荷160 MW發(fā)電流量約2 500 m3/s,在維持不超正常蓄水位的情況下可利用可調(diào)庫(kù)容及水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)間來(lái)水進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。26日18時(shí)據(jù)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)上級(jí)電廠出庫(kù)流量在逐步增加，于21時(shí)出庫(kù)流量增加到2 642 m3/s(見(jiàn)表2)，高于桃源水電廠發(fā)電流量。考量水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)正確，桃源水電廠19時(shí)同步操作增加發(fā)電流量對(duì)區(qū)間庫(kù)容進(jìn)行預(yù)操作，在21時(shí)左右桃源水電廠壩上水位已降至39.40 m，上游來(lái)水到達(dá)壩址后水位逐漸抬升直至翌日1時(shí)35分達(dá)到最高39.52 m，隨后下降(見(jiàn)圖1)。在此操作中合理運(yùn)用了桃源水電廠的可調(diào)庫(kù)容應(yīng)對(duì)區(qū)間徑流量變化，即保證了維持在正常蓄水位運(yùn)行下不因來(lái)水增加造成棄水，又提高了運(yùn)行水頭減少耗水率，但需同時(shí)對(duì)比上游兩級(jí)電廠的出庫(kù)流量變化以及準(zhǔn)確把握電網(wǎng)負(fù)荷峰谷需求。

①-26日18∶20；②-26日18∶49；③-27日00∶00；④-27日01∶35；⑤-26日20∶43

表2 流量與負(fù)荷變化

5.2 調(diào)控區(qū)間產(chǎn)匯流

桃源水電廠庫(kù)區(qū)主要涉及的堤垸為：漳江垸、桃花垸、潯陽(yáng)垸、麥?zhǔn)雄恢Я髦饕獮椋捍髼钕⒊蜗⑺８鞯氐貏?shì)不一，難以計(jì)算其匯流過(guò)程。城鎮(zhèn)有泵站排水，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)日產(chǎn)流會(huì)在相繼3 d內(nèi)匯入河網(wǎng)。桃源水電廠區(qū)間流域內(nèi)年降雨量較豐沛(見(jiàn)表3)，利用水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)測(cè)報(bào)雨量數(shù)據(jù)能最大化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在區(qū)間產(chǎn)匯流增加下可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)控庫(kù)區(qū)水量，結(jié)合上級(jí)電廠出庫(kù)流量變化與電網(wǎng)低谷時(shí)段負(fù)荷分配，可在區(qū)間主要來(lái)水減小后抬升壩前水位，提高運(yùn)行水頭。當(dāng)上級(jí)電廠出庫(kù)流量增加，區(qū)間產(chǎn)匯流過(guò)程還未結(jié)束時(shí)，及時(shí)消落庫(kù)區(qū)水位，調(diào)控壩前水位在安全范圍以內(nèi)。這樣的運(yùn)行方式變化較為頻繁，但做到了度電必爭(zhēng)，將經(jīng)濟(jì)效益最大化。

表3 桃源水電廠流域年降雨量

5.3 調(diào)度水庫(kù)回蓄

臨近桃源水電廠的上游兩級(jí)電廠為凌津?yàn)┧姀S和五強(qiáng)溪水電廠，凌津?yàn)┧姀S調(diào)節(jié)性能較差，且是五強(qiáng)溪水電廠的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，五強(qiáng)溪水電廠具有季調(diào)節(jié)性能；兩電廠具有完整的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，這為桃源水電廠洪水后期回蓄提供了較好的條件。洪水退去過(guò)程中，當(dāng)桃源水電廠壩址流量小于全停機(jī)流量8 800 m3/s或?qū)嶋H停機(jī)流量(機(jī)組振動(dòng)值超過(guò)允許值全部停止發(fā)電流量)，且通過(guò)五強(qiáng)溪水電廠洪水預(yù)報(bào)，桃源10 h之內(nèi)及后期的入庫(kù)流量不會(huì)超過(guò)全停機(jī)流量時(shí)；同時(shí)滿足這2個(gè)條件后水庫(kù)關(guān)閘蓄水。水庫(kù)回蓄方式以保證水庫(kù)回蓄過(guò)程中不增加庫(kù)區(qū)臨時(shí)淹沒(méi)為原則。在保證安全為前提下，利用桃源水電廠水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)提前布置方案，人員就位減少設(shè)備操作時(shí)間，做到充分利用上游來(lái)水，爭(zhēng)搶每一度電量。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水情測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)的分析和電廠投運(yùn)幾年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，得出了桃源水電廠區(qū)間庫(kù)容經(jīng)濟(jì)調(diào)度運(yùn)行的基本原則：桃源水電廠壩前水位不超過(guò)正常蓄水位運(yùn)行，高效利用來(lái)水，合理安排運(yùn)行方式，維持較高庫(kù)水位，增加機(jī)組發(fā)電水頭，度電必爭(zhēng)，降低機(jī)組發(fā)電耗水率，提高水能利用效率。

具體要采取以下基本措施：一是要每一位生產(chǎn)人員有高度的責(zé)任心和熟練的業(yè)務(wù)技能，熟悉庫(kù)區(qū)水情規(guī)律，了解變化特征及時(shí)分析變化趨勢(shì)，掌握產(chǎn)生徑流變化的基本要素和特點(diǎn)。二是維護(hù)好水情系統(tǒng)遙測(cè)站點(diǎn)的設(shè)備工況，確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸通暢無(wú)干擾。三是加強(qiáng)信息溝通，密切聯(lián)系上游梯級(jí)電廠，做好信息傳遞，做到要協(xié)調(diào)發(fā)展、共同受益；也要加強(qiáng)與電網(wǎng)調(diào)度的信息溝通，及時(shí)匯報(bào)電廠水情變化、設(shè)備運(yùn)行方式，取得電網(wǎng)調(diào)控中心的理解與支持。