黑山峽水利樞紐裝機容量優化調整研究

宋天華，張 權，喬一帆，虎 珀

（1.寧夏大柳樹水利樞紐工程前期工作中心，寧夏 銀川 750001；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

黑山峽水利樞紐是黃河水沙調控工程體系、防洪防凌工程體系、水資源配置工程體系的關鍵節點工程，是筑牢黃河生態安全屏障、促進流域高質量發展系統工程的重要組成部分，也是國家水網南水北調西線的骨干調蓄工程，具有承上啟下、協調全局的戰略地位［1］。進入中國特色社會主義新時代，為推動黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略實施，根據《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》要求，以及促進西部大開發形成新格局、建立更加有效的區域協調發展新機制和加快形成國內大循環為主體、國內國外雙循環相互促進的新發展格局等國家戰略的要求，按照國家骨干水網建設布局，水利部已將黑山峽水利樞紐列入“十四五”優先開發的重點工程。

新時期黑山峽河段功能被賦予新的更高定位，黑山峽水利樞紐工程不可替代的重大作用愈加凸顯。作為建設清潔能源基地的重要基礎工程，按照習近平總書記提出的“力爭2030 年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”要求，在加強節能減排和國際國內雙循環的背景下，以黑山峽水利樞紐工程為依托，利用河段兩岸廣袤的荒漠資源、豐富的風光資源，可建設集風電、光電、水電、抽水儲能為一體，超2 000 萬kW 級別的國家多能互補清潔能源基地，優化能源結構，支撐黃河流域生態保護和高質量發展，減少碳排放，助力實現碳達峰碳中和戰略目標［2］。

根據以往研究成果和甘肅省關于該河段開發的意見，黑山峽河段開發存在著大柳樹高壩一級開發、小觀音高壩二級開發和四級開發等3 種方案［3］。本次研究以大柳樹高壩一級開發方案為依托。大柳樹高壩一級開發方案為在黑山峽峽谷出口以上2 km 的大柳樹壩址修建混凝土面板堆石壩，水庫正常蓄水位1 380 m，汛限水位1 365 m，死水位1 330 m，總庫容114.5 億m3，原始調節庫容85.3 億m3，長期調節庫容67.4 億m3（淤積50 a），可基本滿足南水北調西線一期工程生效后對水資源調蓄的需求。該方案水庫最大壩高為163.5 m，電站裝機容量2 000 MW。

黃河“幾”字彎河段以黑山峽水利樞紐為中心和主電源，通過對現狀及規劃的水風光抽蓄邊界條件分析，提出多能互補清潔能源基地布局方案，構建“一點一廊兩區”的黑山峽河段多能互補清潔能源基地格局，形成“一點”支撐“一廊”帶動“兩區”、多地聯動（寧夏、甘肅、華中、華東）、整合區域、輻射全國的黑山峽河段清潔能源發展新態勢［4］?？紤]到這一新的功能定位，通過增加其裝機容量，合理縮減利用小時數，可充分發揮水電的容量作用，更好地滿足電力系統調峰、新能源消納的需求，本文對其裝機容量優化調整進行了深入研究。

1 多能互補運用邊界條件分析

黑山峽河段附近區域生態環境脆弱，水安全需求強烈。寧蒙河段防洪、減淤、防凌以及流域整體水沙調控、區域水資源配置等對黑山峽河段開發與水庫調度提出一系列要求，對水庫與電站的多能互補運用設定了邊界與約束。

1）黃河水沙調控體系對黑山峽水庫運用的需求?，F狀工程體系中，上游以龍羊峽、劉家峽水庫為主的水量調控體系在對流域水資源調配的同時，因汛期大量蓄水、減少大流量過程而使下游沖積性河道尤其是寧蒙河段主槽嚴重淤積萎縮，威脅寧蒙河段防凌安全。協調的水沙關系是寧蒙河段沖淤的關鍵，需要通過建設黑山峽水庫對龍羊峽、劉家峽水庫的發電流量進行反調節，在汛期尤其是主汛期塑造有利于寧蒙河段輸沙和中水河槽維持的流量過程。

2）寧蒙河段防凌對黑山峽水庫運用的需求。受中水河槽淤積萎縮影響，目前寧蒙河段的冰下過流能力偏小，同時凌情復雜，河防工程標準低，水庫防凌調度壓力大。要求黑山峽水庫防凌調度遵循“月控制、旬調整”、保持“前大后小，中間變化平緩，加強封、開河期流量適時控制”的原則，具體為：在封河期，黑山峽水庫調整下泄流量過程，適當加大灌區冬灌引水期流量，避免小流量封河的現象，適當減小冬灌退水期的下泄流量，盡量消除冬灌引、退水造成的流量波動；在穩封期，進一步控制下泄流量，避免下泄流量過大和流量忽大忽小，以減少槽蓄水增量和防止冰上過流；在開河期，進一步控泄運用，盡量減小下泄流量，避免形成“武開河”的動力［5］。

3）水資源合理配置與社會經濟發展對黑山峽水庫運用的需求。黃河流域屬于資源性缺水流域，隨著黃河流域經濟的迅速發展和人民生活水平的提高，水資源嚴重短缺的局面進一步加劇。面對水資源供需矛盾日益突出、經濟社會與生態文明發展嚴重受限的局面，以及黑山峽河段周邊地區自然生態環境惡化、草場退化、土地沙化的形勢，要求黑山峽水庫在保障地區供水安全、生態安全、改善民生等方面承擔重要作用。

黑山峽水庫功能定位是針對上述綜合利用需求的，一方面需要通過科學論證其工程規模來滿足，另一方面需要通過工程合理運用來實現，其徑流調節過程與出力過程是在考慮上述要求的前提下得到的，已體現了減淤、防凌、供水等要求。在多能互補運用中，部分需求對發電調度產生約束，主要體現為下泄流量的控制，即需考慮水庫下泄的各類流量，包括黑山峽至河口鎮河段用水流量、河口鎮以下河段社會經濟與生態用水流量、壩址生態基流與防凌流量［6］。綜合考慮河段用水需求、防凌控泄流量等，令每月河口鎮生態流量為250 m3／s、黑山峽水庫壩下生態基流為300 m3／s，黑山峽水庫泄放流量過程要求見表1。每年11 月—翌年3 月為凌汛期，水庫下泄流量要盡量均勻，在缺反調節庫容的情況下，黑山峽電站不能調峰運用，以免下泄的流量忽大忽小影響防凌安全，11 月—翌年3 月泄放流量要求按防凌流量控制，其他時段為黑山峽—河口鎮用水流量與河口鎮生態流量之和，且不小于黑山峽壩下生態基流。

表1 黑山峽水庫泄放流量過程要求 m3／s

2 裝機容量優化調整研究

2.1 調峰指標模型

平均可調出力的意義是作為電站平均調峰容量，而裝機容量與基荷的差值作為短時最大調峰容量，同時考慮凌汛期水庫下泄需避免流量波動不能調峰。平均可調出力與平均日內峰荷發電時長計算公式為

式中：T為平均日內峰荷發電時長，Nt為時段平均可調出力，C為裝機容量，Nb為基荷為徑流調節得到的平均出力。

2.2 裝機容量現狀

黑山峽大柳樹高壩一級開發方案在考慮水庫供水、防洪防凌等綜合運用條件下，年均發電量66.8 億kW·h，裝機年利用時長3 340 h，其典型年出力過程見圖1?，F狀裝機容量方案出力與調峰指標見表2。豐水年發電與調峰指標最好，平均出力96.8 萬kW，全年平均可調出力42.2 萬kW，非凌汛期可調出力72.4萬kW；平水年平均出力69.0 萬kW，全年平均可調出力15.2 萬kW，非凌汛期可調出力26.1 萬kW。由于枯水年平均出力小，可調出力小，因此大柳樹電站調峰能力受枯水年發電情況制約，主要分析枯水年調峰指標。大柳樹電站在枯水年的平均出力為56.1 萬kW，全年平均可調出力僅8.6 萬kW，非凌汛期平均可調出力為14.8 萬kW，最大調峰容量144.7 萬kW，峰荷發電時長2.6 h，電站調峰能力有提高空間。

圖1 現狀方案典型年出力過程

表2 現狀裝機容量方案出力與調峰指標

2.3 裝機容量調整

多能互補基地的運行特性要求除光伏與風電外的其他電源有足夠大的調峰能力，以適應光電與風電出力的大幅波動，從而彌補其自身峰谷差。水電裝機容量的增加一方面可提高多能互補能源基地內部的調峰性能與發電穩定性，另一方面可增加水電站的發電量、保證出力以及調峰能力［7］。對黑山峽電站裝機容量調整進行分析，以枯水年電站調峰能力為主要控制指標，同時結合電站自身發電指標對備選裝機容量進行對比。

選取220 萬、240 萬、260 萬kW 共3 個裝機容量進行比選，計算枯水年平均可調出力、最大調峰容量、峰荷發電時長等調峰性能指標，同時計算各方案水電站自身發電指標，包括發電量、保證出力、裝機利用時長，將計算結果與現狀方案進行對比，見表3。

表3 黑山峽水利樞紐工程不同裝機容量發電與調峰指標對比

計算結果顯示，隨著電站裝機容量的增加，其調峰能力相應增加，其中枯水年的全年平均可調出力指標，現狀方案與方案1～3 分別為8.6 萬、9.0 萬、9.4 萬、9.7萬kW，方案1～3 依次增加0.4 萬、0.4萬、0.3 萬kW（分別對比現狀方案、方案1、方案2，下同），非凌汛期分別為14.8 萬、15.4 萬、16.1萬、16.7 萬kW，方案1～3依次增加0.6 萬、0.7 萬、0.6 萬kW。主要原因是各方案基荷基本相同，裝機容量增加后可調出力隨平均出力增加。最大調峰容量與裝機容量直接相關，該指標在不同裝機容量方案之間的變化也具有上述特征。這表明增加裝機容量，水電站調峰能力有直接的提升，裝機容量越大越有利于多能互補基地與電站自身調峰。

對比枯水年峰荷發電時長，240 萬kW 與260 萬kW 裝機容量方案中，該指標在非凌汛期分別為2.2 h和2.0 h?？紤]到平水年與豐水年該指標還將變大，這兩個方案在調峰能力和裝機利用率之間相對平衡，是比較合適的。

黑山峽水電站裝機容量增加后發電量逐步增加，但增加量逐步減小，240 萬kW 裝機容量方案的保證出力指標最大，而裝機容量增加至260 萬kW 后保證出力減小。同時裝機容量增加至260 萬kW 后裝機利用時長降為2 738 h，裝機利用率較低。從水電站自身裝機利用與調峰角度看，240 萬kW 裝機容量方案較優。

綜合對比各指標后，從提高多能互補基地調峰能力與電站自身發電效益角度考慮，將黑山峽電站裝機容量由200 萬kW 提高至240 萬kW 是比較合適的。裝機容量調整后年發電量增加3.1 億kW·h，保證出力增加0.04萬kW，枯水年平均可調出力在全年和非凌汛期分別增加0.8 萬kW 和1.3 萬kW，最大調峰容量在全年和非凌汛期分別增加23.3 kW 和40.0 萬kW。

3 結論

1）黑山峽水利樞紐在新時期被賦予新的更高定位，作為建設黑山峽清潔能源基地的重要中心，通過增加黑山峽裝機容量，合理縮減利用小時數，可充分發揮水電的容量作用，更好地滿足電力系統調峰、新能源消納的需求。

2）黑山峽河段的開發受寧蒙河段防洪、減淤、防凌，以及流域整體水沙調控、區域水資源配置等的制約，電站發電需考慮寧蒙河段用水需求、防凌控泄流量和河口鎮生態流量等調度邊界條件。

3）本文計算了豐、平、枯年電站出力與調峰指標，其中豐水年發電與調峰指標最好，枯水年因平均出力小、可調出力小而制約大柳樹電站調峰能力。經研究分析，大柳樹電站在枯水年的平均出力為56.1 萬kW，全年平均可調出力僅8.6 萬kW，非凌汛期平均可調出力為14.8 萬kW，最大調峰容量144.7 萬kW，峰荷發電時長2.6 h，電站調峰能力有提高空間。

4）綜合對比裝機容量調整方案，從提高多能互補基地調峰能力與電站自身發電效益角度考慮，將黑山峽電站裝機容量由200 萬kW 提高至240 萬kW 是比較合適的。裝機容量增加后年發電量增加3.1 億kW·h，保證出力增加0.04 萬kW，枯水年平均可調出力在全年和非凌汛期分別增加0.8 萬kW 和1.3 萬kW，最大調峰容量在全年和非凌汛期分別增加23.3 萬kW 和40.0 萬kW，可帶來較好的發電效益。