桐柏抽水蓄能電站上下水庫泄洪方式運(yùn)行實(shí)踐與研究

胡忠啟，趙賢學(xué)，張士平，徐國華

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江天臺(tái)317200）

桐柏抽水蓄能電站上下水庫泄洪方式運(yùn)行實(shí)踐與研究

胡忠啟，趙賢學(xué)，張士平，徐國華

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江天臺(tái)317200）

抽水蓄能電站水庫與常規(guī)水電站水庫功能上一致，而前者必須有兩個(gè)水庫即上水庫和下水庫，兩庫僅需要儲(chǔ)有一庫的有效庫容水量即可滿足抽水蓄能電站的調(diào)峰填谷調(diào)頻調(diào)相事故備用，而后者一般只有一個(gè)水庫，攔蓄洪水，調(diào)節(jié)徑流，滿足其調(diào)峰調(diào)頻調(diào)相事故備用的功能；桐柏抽水蓄能電站水庫自2005年5月蓄水以來經(jīng)過了12年運(yùn)行實(shí)踐，經(jīng)歷了175多次放水泄洪后對水庫泄洪方式進(jìn)行研究探討，以期合理運(yùn)行保障電站大壩安全。

上下水庫；導(dǎo)流泄放洞；安全泄洪

1 引言

桐柏抽水蓄能電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的立軸混流可逆式單級水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)組,總?cè)萘繛? 200 MW；本工程等別為一等工程，工程規(guī)模屬大(1)型，樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下洞室群、地面開關(guān)站、中控樓等部分組成。

上水庫利用已建的水庫經(jīng)加固處理后改建而成，主副壩為均質(zhì)土壩，最大壩高37.49 m；壩址流域面積為6.7 km2，死水位376.00 m，死庫容98萬m3，水庫正常蓄水位396.21 m，總庫容1 134.6萬m3；有閘控制溢洪道位于左岸埡口，設(shè)兩孔6 m×3 m，堰頂高程394 m；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇洪水，設(shè)計(jì)洪水位396.71 m，總下泄流量100.33 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇洪水，校核洪水位397.2 m，總下泄流量131.32 m3/s。

下水庫主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩高68.25 m，壩頂長度434 m，壩址流域面積為21.4 km2，死水位110 m，死庫容213.9萬m3，正常蓄水位141.17 m，總庫容1 283.6萬m3；溢洪道為壩身開敞式自由溢流，位于壩體河床部位；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇洪水，設(shè)計(jì)洪水位145.6 m，總下泄流量361 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇洪水，校核洪水位146.60 m，總下泄流量496 m3/s。

導(dǎo)流泄放洞布置在下水庫右岸由進(jìn)口引水渠、進(jìn)水口、事故檢修門井、有壓洞及出口消能工組成；隧洞中部靠近右壩頭附近設(shè)一道事故檢修門，閘門井高65.5 m，出口設(shè)一道工作弧門，孔口尺寸為2.0 m×3.0 m，出口消能方式為消力池底流消能；最大工作水頭63.0 m，設(shè)計(jì)泄量176.1 m3/s。

2 水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算和泄洪運(yùn)行情況

2.1.庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算

洪水調(diào)節(jié)計(jì)算進(jìn)行了上、下水庫獨(dú)立調(diào)洪計(jì)算，其成果作為大壩安全的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；對上、下水庫水體交換與洪水過程迭加后的聯(lián)合調(diào)洪計(jì)算，作為制定電站洪水期運(yùn)行調(diào)度原則的依據(jù)。

上水庫。調(diào)節(jié)計(jì)算采用靜庫容法，起調(diào)水位396.21 m，洪水期上水庫水位到達(dá)396.21 m時(shí)電站停止抽水，開啟溢洪道閘門，維持庫水位396.21 m，控制20年一遇洪水位不超過396.28 m，當(dāng)入庫洪水大于76.88 m3/s（庫水位396.28 m時(shí)溢洪道泄流量），閘門全開泄洪。

下水庫。（1）獨(dú)立調(diào)洪(機(jī)組不發(fā)電，導(dǎo)流泄放洞底孔不參與泄洪)計(jì)算方法與上水庫相同，起調(diào)水位為142 m，水位超過142 m溢洪道自由溢流；（2）聯(lián)合調(diào)洪方法是考慮機(jī)組發(fā)電與洪水流量的疊加，機(jī)組、導(dǎo)流泄放洞、溢洪道共同參與調(diào)洪的計(jì)算方法，其洪水過程，通過下式計(jì)算：

QkZd=Qktd+Qkj

式中：QkZd——下水庫k時(shí)刻洪水流量(m3/s)；Qktd——下水庫k時(shí)刻天然洪水流量(m3/s)；Qkj——機(jī)組發(fā)電(抽水)流量(m3/s)。

聯(lián)合調(diào)洪原則：①上水庫水位達(dá)正常蓄水位396.21 m，電站停止抽水；②下水庫水位低于142 m時(shí)，電站正常發(fā)電；入庫洪水通過泄放洞排放，排放流量為前一時(shí)段入庫洪水流量；③下水庫水位高于142 m，低于145.6 m(P=0.5%洪水位)，水泵水輪機(jī)、泄放洞、溢洪道共同參與調(diào)洪；④下水庫水位高于145.6 m，電站停止發(fā)電，關(guān)閉泄放洞，洪水通過溢洪道排放；⑤水庫下泄流量不大于同頻率天然洪峰流量。計(jì)算成果見表1和表2。

表1.立調(diào)洪成果表

表2.水庫聯(lián)合調(diào)洪成果表

2.2.下水庫泄洪設(shè)施過流能力

上水庫有閘門控制溢洪道堰寬2 m×6 m，堰頂高程394.0 m，每孔設(shè)一扇工作閘門；下水庫壩身開敞式溢洪道堰寬2×13 m，堰頂高程142 m；上下水庫溢洪道泄流能力見表3。導(dǎo)流泄放洞由導(dǎo)流洞改建而成，其主要任務(wù)是隨時(shí)將入庫洪水排至下游使之不侵占有效庫容，最大限度使下泄洪水形態(tài)和天然洪水保持一致，最大泄流能力177.6 m3/s(水庫水位146.6 m)。

2.3.庫泄洪方式運(yùn)行實(shí)踐

桐柏上下水庫屬三茅溪同一支流百丈溪，流域面積合計(jì)有28.1 km2，多年平均降雨量1 635 mm；由于人類活動(dòng)的影響帶來的天氣情況俞來俞復(fù)雜，熱帶風(fēng)暴和極端天氣頻發(fā)，給水庫運(yùn)行帶來壓力很大，抽水蓄能電站水庫又沒有防洪功能，為了保證水庫大壩安全運(yùn)行和電站正常運(yùn)行，運(yùn)行單位根據(jù)當(dāng)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行洪水調(diào)度，特別是利用抽水蓄能電站兩個(gè)水庫僅有一庫水的優(yōu)勢進(jìn)行水體交換，采用上水庫留出庫容貯存洪水下水庫泄放洪水方式保證水庫大壩的安全運(yùn)行；現(xiàn)選取2009年第8號臺(tái)風(fēng)和2016年第14號臺(tái)風(fēng)的洪水調(diào)度情況作一描述。

表3.、下水庫溢洪道泄流能力單位：m3/s

2009.第8號臺(tái)風(fēng)“莫拉克”洪水調(diào)度。8月9日桐柏電站流域24 h降雨量為178.5 mm，最大入庫流量是127.3 m3/s（9日21：00），經(jīng)華東電網(wǎng)調(diào)度中心同意9日減少抽水點(diǎn)數(shù)8個(gè)點(diǎn)（1個(gè)點(diǎn)為15 min），給上水庫騰出庫容72萬m3，將上水庫水位控制在393.44 m，降低了水位1 m；10日減少抽水點(diǎn)數(shù)23個(gè)點(diǎn)，給上水庫騰出庫容207萬m3，水庫水位控制在393.25 m，降低了水位2.84 m；12日減少抽水點(diǎn)數(shù)6個(gè)點(diǎn)，給上水庫騰出庫容54萬m3，水位為395.14 m，降低了水位0.73 m；下庫導(dǎo)流泄放洞8日10:00開啟工作閘門泄放洪水，最大開度1.6 m，最大出庫流量為86.7 m3/s，至12日21：30關(guān)閉，歷時(shí)107.5 h，共泄水562.1萬m3；本次洪水按入庫流量計(jì)接近5年一遇標(biāo)準(zhǔn)，未影響發(fā)電；水庫大壩及下游河道運(yùn)行安全。

2016.第14號強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”洪水調(diào)度。9月14日桐柏電站流域上下庫24 h平均降雨量為33 mm，15日24 h降雨量為207.5 mm屬大暴雨，下水庫于15日17:30開啟閘門0.1 m泄放洪水，15日22:00增大至1.0 m，16日11:00開啟至最大開度1.5 m；根據(jù)桐柏水庫情況經(jīng)華東電網(wǎng)調(diào)度中心同意16日減少抽水點(diǎn)數(shù)17個(gè)點(diǎn)，給上水庫騰出庫容153萬m3；否則上水庫水位將超過校核洪水位397.2 m，上水庫將泄洪；本次洪水最大入庫流量為146.5 m3/s，出庫流量為85.6 m3/s；至19日9:00關(guān)閉，歷時(shí)87.5 h，共泄水518.7萬m3；本次洪水按入庫流量計(jì)為5年一遇標(biāo)準(zhǔn)，未影響發(fā)電；水庫大壩及下游河道運(yùn)行安全。上水庫水位和入庫流量見圖1，下水庫水位、入庫流量和出庫流量見圖2。

圖1.水庫水位和入庫流量過程線

圖2.水庫水位、入庫流量和出庫流量過程線

3 桐柏水庫泄洪方式研究

3.1.庫日常運(yùn)行方式

電站每天上午8:00后開始發(fā)電，此時(shí)上水庫水位最高然后水位下降，至下午16:45以后發(fā)電結(jié)束，上水庫水位最低，下水庫水位最高；23:00以后抽水至次日7:00前結(jié)束，下水庫水位最低；上下水庫最高水位時(shí)間相差約有10個(gè)h；本電站2016年1月份每日發(fā)電抽水曲線見圖3，具體時(shí)間要根據(jù)華東電網(wǎng)調(diào)度中心每天發(fā)電抽水計(jì)劃而定。

抽水蓄能電站特點(diǎn)是必須具有兩個(gè)水庫，水庫庫容大多屬中小型水庫，因發(fā)電抽水交換迅速，在電站運(yùn)行過程中達(dá)到汛限水位機(jī)率比較小，為了保障電站發(fā)電水頭而當(dāng)兩個(gè)水庫有效庫容之和多于一庫有效庫容的多余水量還要泄放出下水庫，桐柏設(shè)定為當(dāng)上下水庫有效庫容之和比上水庫有效庫容多20萬m3時(shí)下水庫放水；運(yùn)行12年基本采用下水庫導(dǎo)流泄放洞開閘放水，自2005年5月蓄水至2017年3月底累計(jì)放水175多次，共放水25 575萬m3。

圖3.東電網(wǎng)調(diào)度中心分配給桐柏電站運(yùn)行曲線

3.2.庫泄洪方式研究

抽水蓄能電站一般裝機(jī)容量大但水庫庫容小，日調(diào)節(jié)或周調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站上下兩個(gè)水庫只需要一天或一周發(fā)電使用的有效庫容，而且設(shè)計(jì)時(shí)水庫無防洪任務(wù)；雖然電網(wǎng)調(diào)度對電站發(fā)電運(yùn)行要求高，洪水期應(yīng)根據(jù)《中華人民共和國防汛條例》第十四條中明確規(guī)定興利服從防洪來運(yùn)行；抽水蓄能電站水庫專有特性和常規(guī)水電站水庫有較大區(qū)別，其上下兩個(gè)水庫經(jīng)輸水系統(tǒng)連通后可以當(dāng)作一個(gè)水庫，能量轉(zhuǎn)換通過水體交換來實(shí)現(xiàn)，兩庫水位變化隨機(jī)組發(fā)電抽水而時(shí)刻變化；桐柏上水庫水位保持在394 m以上大約有6個(gè)h，時(shí)間基本為每天4:30至10:30，如從上水庫泄洪只有在這個(gè)時(shí)段內(nèi)，因發(fā)電上水庫水位迅速下降低于溢流堰頂高程394 m，上水庫溢洪道就無法泄洪；自2015年5月水庫運(yùn)行以來上水庫溢洪道放水僅兩次，首次是2015年因臺(tái)風(fēng)降雨水庫蓄滿后自由溢流，第二次為2015年11月11日至16日放水，原因是下水庫導(dǎo)流泄放洞消力池檢修無法放水，只有采用上庫溢洪道間歇式放水；下水庫壩身溢洪道堰頂高程為142 m，電站發(fā)電結(jié)束后水庫水位均在正常高水位141.17 m以下，只有當(dāng)入庫洪水大于導(dǎo)流泄放洞泄放洪水時(shí)水庫水位才得以上升；桐柏設(shè)計(jì)當(dāng)超過5年一遇以上洪水且水位超過142 m時(shí)才能從壩身溢洪道過水，這個(gè)時(shí)段維持約有6個(gè)h即從18:00至23:00；基于桐柏實(shí)踐，抽水蓄能電站上下水庫可按流域面積進(jìn)行分配可能入庫的洪量需要的庫容，上下水庫均留有一定空置的有效庫容，特別是上水庫洪水入庫即可發(fā)電增加電站效益；遭遇洪水時(shí)，如上水庫空可采用抽水工況（計(jì)算流量100 m3/s）將下水庫水量抽到上水庫，如1臺(tái)機(jī)抽水10個(gè)點(diǎn)則可抽水90萬m3到上水庫，2臺(tái)機(jī)的流量為200 m3/s；如下水庫空可采用發(fā)電工況（計(jì)算流量143.5 m3/s）將上水庫水量輸?shù)较滤畮欤?臺(tái)機(jī)發(fā)電10個(gè)點(diǎn)則可輸水129.15萬m3到下水庫，2臺(tái)機(jī)的流量為287 m3/s；入庫洪水按其洪水流量大小頻率高低采用下水庫導(dǎo)流泄放洞泄放，只要下游河道允許一定量行洪，則導(dǎo)流泄放洞泄放流量為前一時(shí)段上下水庫入庫洪水流量；桐柏上下水庫24 h千年一遇校核洪水設(shè)計(jì)洪量為2 010萬m3；在遭遇超設(shè)計(jì)洪水時(shí)充分依靠電網(wǎng)調(diào)度的合理安排，充分利用抽水蓄能電站水庫特有的功能，錯(cuò)峰削量，保證水庫大壩安全。

4 結(jié)語

抽水蓄能電站有兩個(gè)水庫即上水庫和下水庫，兩庫僅需儲(chǔ)有一庫的有效庫容水量即可滿足抽水蓄能電站的各項(xiàng)功能；桐柏抽水蓄能電站水庫自2005年5月蓄水以來經(jīng)過了12年運(yùn)行實(shí)踐，泄放有紀(jì)錄的175多次洪水全部通過下水庫導(dǎo)流泄放洞過流，桐柏設(shè)置了可過大流量導(dǎo)流泄放洞，給洪水調(diào)度帶來了極大靈活性；在發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)可以充分利用抽水蓄能電站水庫特有的作用，保證電站水庫大壩安全。

[1]陸佑楣，潘家錚.抽水蓄能電站[M].北京：水利電力出版社，1992.

[2]華東勘測設(shè)計(jì)研究院.竣工安全鑒定設(shè)計(jì)自檢報(bào)告(樞紐工程)[Z]，2008.

[3]郭紅永，韓宏韜.淺談蒲石河抽水蓄能電站的水庫調(diào)度[C] //抽水蓄能電站工程建設(shè)文集，2016.

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[5]江獻(xiàn)玉，王玨.北方某抽水蓄能電站下水庫泄洪建筑物比選研究[C]//抽水蓄能電站工程建設(shè)文集，2016.

TV697.1

B

1672-5387（2017）09-0052-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.09.019

2017-06-19

胡忠啟（1964-），男，高級工程師，研究方向：水電站建設(shè)及運(yùn)行管理。