向家壩水電站非恒定工況下升船機對接風險防控

何海波 狄宗向 胡億兵 余勇

摘 要：向家壩升船機船廂安全對接對引航道內的水面變化有嚴格要求，本文從設計參數、運行原理角度對這種要求進行了闡述及細化。通過監測分析向家壩電站不同運行工況下升船機下游水面變化的規律，與要求進行對比驗證，找出對升船機安全對接存在影響的特定運行工況，優化在該工況下進行對接的調度操作方式，以保證對接的安全進行。

關鍵詞：對接;引航道;工況;水位變化;輔助閘室

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0104-02

向家壩升船機緊鄰左岸電站和泄洪壩段布置，且樞紐的下游河道急劇變窄，電站非恒定運行工況下引起的水面擾動會通過口門區傳遞到升船機下游航道，對接時會直接傳遞到船廂內，變化超過一定范圍時存在船只擱淺或水淹承船廂等安全風險。故向家壩升船機下游側設計有輔助閘室，輔助閘室投入運行后，可消除下游水位變化帶來的安全風險，但會對船舶的過機效率造成影響。為實現安全的前提下提高船舶過機效率，最大程度發揮升船機的通航能力，就須掌握電站各個工況下的下游水位變化規律，在知曉工況變化后提前制定出合理的調度操作方法。

1 水位變化監測指標

1.1 指標定義

把某個時間段內下游水位整體上升或下降的幅度定義為變幅，其大小設定為兩個時刻對應水位的差值。

把泄洪波浪通過口門區傳遞到下游航道引起水體震蕩的幅度定義為波幅，由于該值由水位數據計算而來，且水面變化非嚴格的正弦波形，故其大小設定為某個時間段內水位最高值與最小值的差值。

變幅和波幅過大都可能會對升船機安全運行產生不利影響，需找出能保證升船機安全運行的變幅和波幅限值。

1.2 變幅限值

1.2.1 對接過程中的限值

船廂準確停位時，船廂水位與下游水位一致，再過約5min的機構動作時間后通航門開啟，船廂水域和下游水域才會聯通。如果在此期間下游水位變幅超過0.2m，即使門檻水深仍滿足，但通航門會因閉鎖條件不滿足而停止開啟，導致對接失敗。故在對接過程中的水位變幅要求為5min內變化不超過0.2m。

1.2.2? 對接期間的限值

根據實船試驗的結果，因進出廂需要，對接期間船廂水深受下游水位變化影響的時長約為20min。對接鎖定機構的設計載荷是按船廂水深變化±500mm考慮，船廂水深變化超過0.5m后，超載的不平衡載荷將由安全機構承擔，升船機將不能正常運行。故整個對接期間對水位變幅的要求為20min內變化不超過0.5m。

1.3 波幅限值

對接過程中和對接期間，考慮船廂對接時的停止位置恰在下游水面波動的高位（或低位）的極端條件下，水位變化產生的波幅實際等于水位變幅。故水位波幅限值與變幅限值大小一致。

1.4 小結

通過1.1-1.3中以上對升船機安全運行的水情特征的分析，匯總合并得出升船機安全運行的水情特征范圍見表1。

2 監測平臺部署

2.1 監測平臺選擇

為方便水位數據的實時查看，同時考慮到不能影響升船機監控系統的正常操作使用，選擇工程師站作為數據采集系統的安裝使用平臺較為合理。利用現有升船機監控系統的硬件設備、傳輸網絡，在工程師站安裝合適的數據采集、存儲、分析軟件后，即可實現水情信息實時監測的目的。

2.2? 數據源選擇

升船機在輔助閘首布置了測井，用于測量下游引航道水位，測井內布置了1套吹氣式水位計和1套激光式水位。

激光式水位計相比吹氣式水位計少了空氣介質的傳遞過程，對水面變化反應更迅速，更適合用于監測水位波動情況的需要，故選擇激光式水位計作為采集的數據源。

2.3? 數據讀取、存儲

工程師站可通過FactoryTalkView Studio與現地控制站建立OPC連接，讀取水位計采集到的數據。水位數據使用ODBC數據服務連接按特定標簽格式，直接儲存在工程師站的數據庫中。

2.4? 數據分析

以采集到的水位數據在后臺根據內置算法實時計算，結果發布在本機運行的web服務上，以瀏覽器為人機交互界面查看，示例見圖1。

3 工況與水位對比分析

3.1? 調峰工況下變幅分析

變幅由向家壩出庫流量變化引起，變幅大小與流量變動快慢，即電站出力變化快慢相關。

監測期內出力變化最快的調峰工況（30min增加840MW）期間下游變幅見圖2。

上述調峰工況下，升船機下游水位20min變幅最大值在0.4m左右，滿足《金沙江向家壩水電站水庫運用與電站運行調度規程（試行）》中對航運調度的變幅要求：20min變幅不超過0.5m;但5min變幅最大值達到了升船機安全運行的變幅限值0.2m左右，會導致升船機下游對接不能正常進行，影響通航效率。在出力變化超過400MW（對應下游水位變化接近0.5m）的調峰時段對接，如因不可控因素導致不能及時完成會船后解除對接，可能引起安全機構動作或船舶擱淺事故等嚴重后果，需考慮投入輔助閘室。

3.2 泄洪工況下波幅分析

根據監測結果顯示，波幅與泄洪流量存在正相關性。監測期內最小泄洪流量400m?/s（開啟2個表孔開度各2m）期間下游波幅見圖3。

上述最小泄洪流量工況下，下游水位5min波幅值達到0.24m，20min波幅值已達到0.25m。其中5min波幅值超過了升船機安全對接的波幅限值。故電站泄洪后，需要投入輔助閘室。

4 調度操作應對措施

4.1 輔助閘室投運總體原則

根據工況與水位數據分析結果，得出下游對接需輔助閘室投運的工況如下：

（1）電站泄洪時;

（2）電站出力變化超過400MW的調峰時段。

4.2 泄洪工況下游對接調度操作原則

泄洪工況下運行的廂次都需投入輔助閘室， 具體調度操作方式如下：

（1）對于單向上（下）行的廂次或者船身不長，可在輔助閘室實現錯船的廂次，應在未對接前將船舶調至輔助閘室內，然后投入輔助閘室后再對接，待船舶完成出廂、進廂后解除對接，然后上行;

（2）對于不能在輔助閘室內錯船的船舶，則在下行船舶出廂和上行船舶進廂前分別進行一次對接，兩次對接前保證輔助閘室處于投運狀態即可。

4.3 調峰工況下游對接調度操作原則

調峰工況是一個短時過程，存在開始時間和結束時間。故提前判斷本廂次對接是否需要投入輔助閘室就十分重要。下游對接一個重要的操作節點就是發“船廂下行啟動”令;將這個發令時間與調峰時間段進行比較，就能判斷該廂次是否需要投入輔助閘室運行。

根據1.2.2中的分析結果，對接期間船廂水深受下游水位變化影響的時長約為20min，而發“船廂下行啟動”令后約10min開始進行下游對接，故對于負荷變化大于400MW的調峰工況，調峰前30min內發“船廂下行啟動”令，下游對接期間就會遇到水位變化，需投入輔助閘室。

對于須投入輔助閘室運行的廂次，具體調度操作方式與4.2中泄洪工況下的調度操作方式相同。

5 結論

針對向家壩升船機下游航道水位易受電站非恒定工況影響的不利情形，通過搭建下游水位監測平臺，為研究升船機下游水位變化規律提供了數據來源與分析手段。同時將電站運行工況與水位變化特征指標做對比分析，找出了影響升船機下游安全對接的特定工況。在實際應用中，通過對計劃性的非恒定工況進行分析預判，即可實現對下游水位變化的預警預控，大大降低了升船機在下游對接時的安全風險。

參考文獻：

[1] 齊俊麟，張勇，馮小儉，鄭衛力.設置輔助閘室解決下引航道非恒定流對三峽升船機運行影響初探[J].中國水運，2013（3）：46-47.

[2] 李秋平，閆金波.三峽升船機下游引航道水位波動分析[J].201902，10-13.

[3] 謝佩珍.水工樞紐泄洪及電站負荷調節對垂直升船機運行的影響[J].水力學報，2000（07）：77-85.