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，受泄水設施啟閉時效、機組啟停時效、電站日調節需要、水文預報誤差及調度誤差等因素影響，實時調度中庫水位一般情況下在防洪限制水位上下一定范圍內變動，本文按盡量符合實際、偏安全，考慮個別極端工況的發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1.00m，為水庫調度運行提供依據。

關鍵詞：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劃的最下游梯級。水庫正常蓄水位380m，死水位370m，調節庫容9.03億m3。電站裝機容量6000MW。

向家壩水電站水庫按防洪限制水位370m控制運行期間，實時調度中庫水位一般情況下在防洪限制水位上下一定范圍內變動。按基本水量平衡理論計算受泄水設施啟閉時效、機組開停時效、日調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行概化處理后，采用非恒定流不連續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，表孔一般分級連續開啟（關閉）6孔，中孔一般分級連續開啟（關閉）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，中孔關閉3孔、中孔關閉5孔、表孔關閉6孔。

2、機組啟停

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

向家壩水電站極端情況下輸電系統直流單機閉鎖則有可能左岸4臺機全部甩負荷切機。因此切機工況考慮了4臺機、3臺機、2臺機切機共3種工況。機組事故甩負荷工況模擬需考慮發生事故后水庫開啟其它泄水設施的反應時間，反應時間考慮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、日調峰運行

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

（二）原則與假定

1、泄洪設施啟閉

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。初始狀態入庫出庫水量平衡，計算時段內入庫流量恒定。根據本階段初擬的正常運行泄洪時閘門運行調度方式，泄洪時以表、中孔為主，表孔一般分級連續開啟到6孔，中孔一般分級連續開啟到3孔或5孔。計算中不考慮分級連續啟閉中的時間差。

2、機組啟停

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

3、日調峰運行

電站至少按航運基流1200m3/s發電。汛期考慮初始計算水位為370.00m。按日內入庫流量恒定考慮。按下游水位小時變幅不大于1m/h控制。日內出力過程盡量適應華東電力系統的日內用電負荷曲線的變化，并考慮遠距離送電調度要求，盡量減少日內出力的頻繁變化。根據上述模擬原則，初步擬定日內24小時出力過程，逐時段計算發電流量，統計日內平均流量，若流量不等于日平均入庫流量，則調整出力過程，直至滿足。按模擬的日內24小時出力過程，根據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波高法

（一）研究方案

水電站泄水設施突然啟閉、機組突然開停可概化為明槽非恒定急變流問題，水庫水位變幅即為非恒定急變流不連續波波高，非恒定急變流不連續波波高與斷面面積、流量變化等有關。

運行工況主要考慮閘門開啟、閘門關閉及4臺機甩負荷;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，由于泄水設施啟閉、機組啟停引起的瞬時不連續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、部分斷面及局部斷面3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，形成不連續波。水電站泄水設施突然啟閉、機組突然開停可概化為明槽非恒定急變流問題，其中泄水設施突然開啟、機組突然開機將在水庫內引起逆行落水波;泄水設施突然關閉、機組甩負荷將在水庫內引起逆行漲水波。

由連續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;表孔關閉6孔、中孔關閉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、機組正常開停機，開停3臺機，開停時間60min，水庫水位變化為-0.0573m、 0.0537m;機組事故工況，7臺機甩4臺機，事故反應時間按2小時考慮，水庫水位變化為0.2769m。3、汛期日調峰運行，按各模擬工況計算的最大值，水庫水位變化為0.58m，考慮10%的入流預報誤差，庫水位變化為0.78m。

（二）一維非恒定急變流不連續波高法

各種模擬計算方案不連續波高計算成果見表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。

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

機組甩負荷工況，模擬左岸4臺機全部故障，計算斷面取全部斷面、部分斷面、局部斷面時，水庫水位涌漲分別為0.10m、0.54m、1.13m。

五、結語

根據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，泄水設施啟閉、機組開停及電站調峰引起的水位變幅應較三峽大。目前三峽水庫實時調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1.00m。

參考文獻：

[1] 李煒，徐孝平. 水力學 [M]. 武漢：武漢水利電力大學出版社，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：水能規劃設計