金沙江下游梯級水電站綜合調(diào)度難點分析及應(yīng)對策略

劉 鄧 ，鄭林祥 ，蘇 健 ，盧舟鑫 ，王子琛

（1. 中國長江三峽集團公司，北京市 100038；2. 三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，云南省昆明市 650000）

0 引言

金沙江流域水資源豐富，是我國最大的水電能源基地[1]，是實現(xiàn)“西電東送”戰(zhàn)略的骨干電源點。金沙江下游以攀枝花市以下至宜賓市為分段區(qū)間，共規(guī)劃設(shè)計4座巨型水電站，總裝機容量達4646萬kW，其中，溪洛渡、向家壩水電站已建設(shè)完成，烏東德、白鶴灘水電站目前正在建設(shè)中。近年來，隨著“長江大保護”戰(zhàn)略規(guī)劃的提出[2]，國內(nèi)水電行業(yè)將逐步由開發(fā)建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩€(wěn)定運行，本文將以溪洛渡—向家壩梯級電站為例，對金沙江下游梯級水電站調(diào)度難點進行分析并提出相應(yīng)的應(yīng)對策略。

1 工程簡介

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣境內(nèi)的金沙江干流上，上接白鶴灘水電站尾水，下與向家壩水庫相連。溪洛渡水電站以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運條件等巨大綜合效益。開發(fā)目標主要是“西電東送”，供電華東和華南；配合三峽工程提高長江中下游的防洪能力。溪洛渡水電站水庫的正常蓄水位600m，防洪限制水位560m，總庫容129.1億m3，防洪庫容46.5億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)能力。溪洛渡水電站總裝機容量1386萬kW，機組臺數(shù)18臺，單機容量77 萬 kW[3]。

向家壩水電站是金沙江下游河段水電規(guī)劃的最末一個梯級，壩址位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界的金沙江干流上。向家壩水電站工程設(shè)計開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，同時改善航運條件，兼顧防洪、灌溉，并具有對溪洛渡水電站進行反調(diào)節(jié)等作用。向家壩水電站是我國“西電東送”工程的骨干電源點，主要供電華東地區(qū)，在枯水期兼顧四川省用電需要。向家壩水庫正常蓄水位380m，防洪限制水位370m，總庫容51.63億m3，防洪庫容9.03億m3，具有季調(diào)節(jié)性能。向家壩水電站裝機容量640萬kW，機組臺數(shù)8臺，單機容量80萬kW[4]。

2 調(diào)度難點分析

2.1 來水預(yù)報不確定性

金沙江流域在每年的6月開始進入汛期，徑流量逐漸增大，一直持續(xù)到10月，尤其7～9月的徑流量達全年最大[5]。當水電站所處流域進入主汛期時，隨著氣候的變化以及暴雨、洪水來襲，增加了水電站來水的突發(fā)性與不確定性，再加上上游水電站的調(diào)洪、調(diào)峰運行，導(dǎo)致下游水電站對來水情況更難以把握、控制，此時來水預(yù)報的準確性對水電站的安全運行至關(guān)重要。因此，在進行來水預(yù)報時，不能一味地套用傳統(tǒng)、固定的預(yù)報方法，需根據(jù)河道流域的實際傳播情況、流域的氣候特征等因素，不斷改進預(yù)報方法、總結(jié)預(yù)報經(jīng)驗，以便能合理地安排水庫泄水計劃，提前消落水庫水位，預(yù)留出足夠的防洪庫容，為發(fā)電、航運、發(fā)電等提供保障。

應(yīng)對策略為：①加強水情遙測系統(tǒng)及信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的維護管理，完善中、上游流域水情氣象報汛站網(wǎng)；②及時、準確地接收流域水雨情信息，全面掌握上游及梯級水庫防洪對象的雨情和水情；③充分利用水文氣象預(yù)報系統(tǒng)，多模型、多途徑開展水文氣象預(yù)報工作；④充分利用可視會商系統(tǒng)，加強與水文局、國家氣象局等專業(yè)機構(gòu)的會商，提高水文氣象預(yù)報精度；⑤采取加密的預(yù)報時段次，滾動更新來水預(yù)報[6]。

通過上述應(yīng)對策略的實施，2020年溪洛渡的24h來水預(yù)報精度達96.6%，為梯級電站的安全調(diào)度提供了保障。

2.2 防洪調(diào)度難點

溪洛渡—向家壩梯級水電站的防洪目標是提高川江河段沿岸宜賓、瀘州、重慶等城市的防洪標準，并配合三峽水庫對長江中下游進行防洪補償調(diào)度，減少中下游分洪損失。在防洪調(diào)度過程中，存在泄水閘門運用、支流頂托等調(diào)度難點。

2.2.1 泄洪對電站壩址區(qū)周邊建筑物的影響

當水電站泄洪時，由于泄洪流量大、泄洪流速快，會不可避免地對大壩水墊塘、消力池等泄洪消能建筑物以及近大壩段河道兩側(cè)岸坡產(chǎn)生一定的沖刷破壞和霧化影響[7]，并可能會引起壩址區(qū)周邊建筑物的振動。向家壩水電站泄洪引起的振動問題尤為典型，因為在距離向家壩水電站壩址僅1.5km處是云南省水富縣城[8]。向家壩水電站泄洪時，引發(fā)大壩和消力池基礎(chǔ)振動，進而導(dǎo)致距離較近的水富縣城局部區(qū)域出現(xiàn)房屋門窗振動現(xiàn)象，并伴隨一定的泄洪噪聲。要完全消除泄洪導(dǎo)致的振動、破壞等問題，目前是很難實現(xiàn)的，只能通過一系列的方法，將這些影響盡可能地降到最低。

應(yīng)對策略為：①泄洪對消能建筑物及岸坡產(chǎn)生沖刷破壞，主要是因為泄洪流量在高水位差的加持下，蘊含較大的能量，這些能量未被完全或極大地減少、消耗，使得其剩余能量作用于消能建筑物及岸坡上，從而造成破壞。因此，在實時調(diào)度過程中，可通過正確運用泄洪設(shè)施及定期巡檢等方法，減少泄洪產(chǎn)生的破壞，保障泄洪安全。②水電站泄洪引起振動的機制主要包含外部誘發(fā)的振動、不確定誘發(fā)的振動、運動誘發(fā)的振動三種。其中，最主要的是外部誘發(fā)的振動，它是由水流或壓強脈動引起的[9]。因此，在實時調(diào)度過程中，可合理利用各類泄洪設(shè)施聯(lián)合泄洪，減少閘門操作頻率，分時錯峰泄洪等方法，減少基礎(chǔ)振動能量。

如圖1所示為泄洪影響應(yīng)對策略。

圖1 泄洪影響應(yīng)對策略Figure 1 Countermeasures for flood discharge impact

經(jīng)過溪洛渡—向家壩梯級水電站多個汛期的實際運行檢驗，以上方式達到了良好的效果，有效減少了泄洪產(chǎn)生的沖刷破壞、振動等。

2.2.2 下游支流對電站水位的頂托影響

當水電站下游存在支流匯入，且支流的匯入點處于水電站的常年變動回水影響區(qū)內(nèi)[10]時，若支流上突發(fā)洪水或暴雨，支流的匯入流量突增，將導(dǎo)致水電站的常年變動回水區(qū)出現(xiàn)大流量“倒灌”現(xiàn)象，從而對水電站的下游水位產(chǎn)生“頂托”效應(yīng)，使其水位在水電站下泄流量不變的情況下突然升高。水電站下游水位的突然升高會使電站產(chǎn)生發(fā)電水頭減小、出力受阻等多方面的影響，因此，需將支流的水位、流量也列為重點監(jiān)視對象，當發(fā)現(xiàn)其水位、流量突增時，應(yīng)及時采取措施。在向家壩水電站下游不遠處就存在一條橫江支流匯入金沙江，橫江的突發(fā)大流量匯入對向家壩下游的水位、電站的水頭、電站的發(fā)電效益、下游的航運安全等都會產(chǎn)生一定的影響。

如圖2所示為向家壩下游橫江頂托效應(yīng)。

圖2 向家壩下游橫江頂托效應(yīng)Figure 2 Jacking effect of Hengjiang River downstream of Xiangjiaba

應(yīng)對策略：①若支流的匯入導(dǎo)致水位上漲影響航運的正常運行，應(yīng)立即采取示警，關(guān)閉泄水閘門，調(diào)減機組發(fā)電出力等措施，減少下泄流量，保障航運安全，同時，需注意電站上游水位的變化，避免出現(xiàn)水庫漫壩等重大風險事件；②若下游水位上漲導(dǎo)致水電站發(fā)電水頭出現(xiàn)較大幅度降低時，將對發(fā)電機組的運行工況及出力產(chǎn)生，應(yīng)立即增開機組或調(diào)減發(fā)電出力，使機組能工作在良好的工況下，保證機組的安全。

如圖3所示為支流頂托影響應(yīng)對策略。

圖3 支流頂托影響應(yīng)對策略Figure 3 Countermeasures for Jacking impact

通過上述應(yīng)對策略的實施，使向家壩水電站在實際調(diào)度運行中，有效地改善了下游橫江的頂托影響，保障了發(fā)電和航運的安全。

2.3 發(fā)電調(diào)度難點

發(fā)電是水電站的主要工程任務(wù)之一，作為世界級水電站的溪洛渡—向家壩梯級，更是承載著國家“西電東送”的重要戰(zhàn)略目標。電站設(shè)備與外送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化等，都是影響水電站發(fā)電調(diào)度安全穩(wěn)定進行的重要因素，通過對這些因素的總結(jié)分析，找到有效的應(yīng)對策略，保障電力“發(fā)的出、送的出”。

2.3.1 不同上級調(diào)度機構(gòu)對梯級電站發(fā)電調(diào)度的影響

同一梯級內(nèi)的電站可能會由不同的上級電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)調(diào)度，不同電力調(diào)度機構(gòu)的調(diào)度管理模式也有所不同，從而導(dǎo)致調(diào)度業(yè)務(wù)處理流程、調(diào)度考核標準、發(fā)電與檢修計劃下達執(zhí)行、水庫運用方式的控制等方面存在差異，致使梯級電站在發(fā)電運行時面臨著更多的困難。溪洛渡—向家壩梯級電站就分別由不同的上級電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)調(diào)度，向家壩水電站由國家電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心直接調(diào)度，溪洛渡水電站則屬于“一廠兩調(diào)”，溪洛渡水電站左岸由國家電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心直接調(diào)度，溪洛渡水電站右岸由南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心直接調(diào)度。

如圖4所示為溪洛渡—向家壩梯級電站電力調(diào)度關(guān)系。

圖4 溪洛渡—向家壩梯級電站電力調(diào)度關(guān)系Figure 4 Power dispatching relationship of Xiluodu-Xiangjiaba cascade hydropower stations

應(yīng)對策略：①在梯級電站的實際發(fā)電調(diào)度過程中，應(yīng)加強與兩大電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)的溝通協(xié)調(diào)。當一方電網(wǎng)的運行方式發(fā)生較大調(diào)整時，迅速、積極地與另一方電網(wǎng)溝通協(xié)調(diào)，在其條件允許的情況下，盡可能地調(diào)整發(fā)電計劃，避免引起棄水、水位越限等風險；②加強對兩大電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)在調(diào)度業(yè)務(wù)處理流程、調(diào)度考核標準等方面的分析總結(jié)，嚴格遵守調(diào)度紀律，保障發(fā)電的順利進行。

2.3.2 電站重大設(shè)備及外送系統(tǒng)故障處理

當電站發(fā)生重大設(shè)備故障或外送系統(tǒng)故障導(dǎo)致外送通道中斷時，將導(dǎo)致電站發(fā)電機組無法正常運行，不能準確執(zhí)行發(fā)電計劃。

應(yīng)對策略：①及時掌握事故情況、事故原因、事故可能恢復(fù)的時間，密切監(jiān)視梯級樞紐的運行狀況；②根據(jù)實際運行情況及時改變電站的運行方式，減少電站發(fā)電出力損失；③考慮損失的出力對水庫運行的影響，若水庫出現(xiàn)即將越過限值時，應(yīng)及時調(diào)整水庫的運行方式，保證電站設(shè)備及水庫上下游的安全；④需要開啟泄水閘門時，提前通知相關(guān)單位和部門；⑤檢查停運機組狀態(tài)，并根據(jù)上級調(diào)度命令進行下一步處置，逐步將梯級電站恢復(fù)至正常運行方式；⑥若對電站廠用電造成影響與破壞，應(yīng)立即采取措施恢復(fù)廠用電系統(tǒng)的正常運行，最大程度地確保廠用電源安全。

圖5所示為發(fā)電調(diào)度難點應(yīng)對策略。

圖5 發(fā)電調(diào)度難點應(yīng)對策略Figure 5 Countermeasures for Difficulties in power generation dispatching

通過溪洛渡—向家壩多年的運行調(diào)度，驗證了上述策略在水電站實際調(diào)度過程中具有顯著的作用，保障了水電站安全、穩(wěn)定地發(fā)電。

2.4 航運調(diào)度難點

航運是一項關(guān)乎民生的工程，航運調(diào)度的難點對于水電站來說主要體現(xiàn)在對水位、流量的約束限制較多，水電站在實時調(diào)度過程中，必須嚴格遵守相關(guān)規(guī)程規(guī)定，精準控制水位、流量不越限值。在距離向家壩水電站下游僅2.5km處有一座通航的水富港碼頭，因此，對向家壩水電站下游的水位、下泄的流量、下游水位的變幅均有較多的約束限制，這對向家壩水電站的調(diào)度增加了難度。其約束如下：向家壩水電站下游最高通航水位277.25m，相應(yīng)流量12000m3/s，最低通航水位265.8m，相應(yīng)流量1200m3/s；下游水位最大日變幅不超過4.5m/d，最大小時變幅不超過1.0m/h[11]。

應(yīng)對策略：①在實際調(diào)度過程中，必須實時監(jiān)視水庫的上下游水位、流量，若發(fā)現(xiàn)水位、流量即將出現(xiàn)越上限的情況，應(yīng)立即關(guān)閉泄水設(shè)施或向電網(wǎng)申請減少出力，以減少電站的出庫流量，控制水位不越上限；②若發(fā)現(xiàn)水位、流量即將出現(xiàn)越下限的情況，應(yīng)立即開啟泄水設(shè)施或向電網(wǎng)申請增加出力，以增加電站的出庫流量，控制水位不越下限；③當要求下泄出庫流量較大，可能會導(dǎo)致水位小時變幅越限時，應(yīng)采取分段控制，分時段泄水，保證小時變幅在限值內(nèi)；④當接到航運等部門告知出現(xiàn)海損事故需要支援時，應(yīng)立即按其需求，測算水位、流量，積極協(xié)調(diào)電網(wǎng)調(diào)度修改電站發(fā)電出力或改變電站泄水設(shè)施的運行方式，以保證電站的水位、出庫流量滿足救援的要求。

如圖6所示為航運調(diào)度難點應(yīng)對策略。

圖6 航運調(diào)度難點應(yīng)對策略Figure 6 Countermeasures for Difficulties in shipping dispatching

通過采取上述應(yīng)對措施，向家壩水電站在近幾年的調(diào)度運行過程中，多次幫助海損事故救援，為下游航運提供了安全保障。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合梯級水電站的實際調(diào)度運行經(jīng)驗成果，從防洪、發(fā)電、航運三方面對梯級水電站典型的調(diào)度難點進行分析總結(jié)，并針對相應(yīng)的調(diào)度難點提供了有效的應(yīng)對策略，對各大水電站的安全調(diào)度有一定的幫助作用，同時，也有利于水電能源的安全、穩(wěn)定發(fā)展。