梯級電站運行期水庫放空經濟調度研究與實踐

王 曉 東

(四川松林河流域開發有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

南歐江發源于中國云南省江城縣與老撾豐沙里省接壤的邊境山脈，全河流域面積25 634 km2，河長475 km，天然落差約427 m，年徑流量185億m3。南歐江流域梯級水電站按“一庫七級”設計，總裝機容量127.2萬kW，全梯級聯合運行保證出力43.55萬kW，設計多年平均發電量50.29億kWh。從上游往下游分別是七級至一級電站。七級電站水庫具有多年調節能力，六級、五級電站為季調節能力，其余電站為日調節能力。南歐江流域降水主要出現在5月至9月之間，因而使流域年內氣候形成干、濕(雨)兩季，10月～第2年4月為干季，5～9月為雨季，雨季降水量可占年降水的80%以上，流域年降雨量在1 400～2 200 mm之間[1]。南歐江流域多年徑流量分配不均且年內分配不平衡，6～11月占年徑流量的83.5%，一級至六級電站調節庫容分別為2.46億m3、1.42億m3、0.16億m3、0.24億m3、0.25億m3、0.22億m3。七級電站投產以前，六級電站為“龍頭水庫”，為了充分利用流域天然來水徑流，在保障安全前提下研究汛前放空六級電站水庫，充分發揮六級電站死水位以下庫容水量對下游一級至五級電站發電作用，增加一級至五級電站發電經濟效益可行性。南歐江流域汛期雨季雨量充沛，此時產生棄水，枯期大部分水電站發電能力不足，但降雨量有限，從增強電站調度運行可操作性、提高梯級水電站發電效益出發優化調度，細化電站調度規則，制定水庫放空應急預案，增加六級電站汛前水庫調節水量，增大下游梯級水電站的發電補償作用，實現流域一級至五級梯級水電站發電量大幅度增加。

2 水庫放空研究

2.1 安全研究

(1)精準氣象、徑流預報。為確保南歐江流域水電站水庫安全調度、精準調度，安全策略采取精準氣象預報+水情測報實時監測相結合方式[2]。業主委托云南省氣象服務中心開展流域數值氣象預報，定期發布日、周天氣預報和月、季、年度氣候預測。開發南歐江流域專業氣象服務網站，實時查看實況降雨、衛星云圖、雷達及短臨預報；針對可能出現在流域內的暴雨、強降溫、強對流及轉折性天氣等重要天氣過程進行重要天氣預報，并通過視頻會商、微信等遠程服務手段，為流域生產調度和防洪度汛提供科學決策，提前預判南歐江流域汛期降水和徑流情況。

南歐江梯級水電站建設有流域水情自動測報系統，包括水情中心站1座、遙測水文站8座、樞紐水位站21座、防汛水位站6座、遙測雨量站33座。各級電站可以實時監視降雨量、區間徑流量，確保徑流測報準確性。實行水情24 h值班制，水文情報做到不錯報、不遲報、不缺報、不漏報和隨測算、隨校核、隨發送、隨整理、隨分析。8時發布水情日報，包含昨日降雨量、昨日8時至今日8時實測水情信息及24 h預見期的水情預報信息。20時發布水情簡報，包含今日8時至今日20時實測水、雨情信息及12 h預見期的水情預報信息，以保證水情預報、測報的質量和時效。

(2)設備運行分析。將電站最低運行水位停機和水輪發電機組振動擺度超標、軸承、冷卻器溫度報警作為設備停運條件，以確保設備安全運行。六級電站機組在低水頭運行時，隨著電站水庫水位及運行工況變化，運行人員加強監管，密切關注機組振動、擺度。低水位運行時，由于轉輪出口水流環量增加造成水流旋轉而形成漩渦，易造成水輪機轉輪葉片的空腔汽蝕，縮短轉輪的使用壽命。運行人員應加強對蝸殼壓力、振動擺度、溫度等變化的監視，巡視過程中著重對轉輪室、導水機構進行檢查。當發生機組振動、擺度、噪音等達到設計預警值，調整負荷后也無法消除軸承溫度升高等異常情況，為保障設備安全，機組停機、不發電，采用泄洪閘門消落六級電站水庫水位。

(3)設施運行分析。六級電站低水位運行時，采取水工建筑物加密監測方式，加強大壩水平、垂直位移變形和滲流的監測，尤其加密監測廠房后邊坡的變形，如有異常及時報送并停止下泄。加強大壩土工膜的安全巡查，關注壩前攔漂索的運行情況，如有異常，及時處理。對庫區內交通橋橋墩、橋頭護岸進行全面細致檢查，發現問題及時處理。采用泄洪閘門泄洪時關注溢洪道泄槽的應力變化及下游河道護岸的沖刷情況，對電站下游村莊進行預警、撤離工作。

水庫、行洪河道沿岸設置專人巡視檢查。如發生大壩位移、滲流等監測變化值已經接近設計允許值邊界范圍的情況，停止消落水庫水位以保障水工建筑物安全。

(4)消落水位分析。六級電站正常蓄水位510 m、死水位490 m，電站調節庫容2.46億m3/s。裝機容量18萬kW，全廠額定發電引用流量346.27 m3/s。電站供水期末5月份最大入庫流量238.65 m3/s，按電站5月從正常蓄水位消落至死水位以下計算，入庫流量小于電站額定發電引用流量，可以消落六級電站庫容，且下游電站不會產生棄水。

六級電站水庫消落和蓄水速率控制在2 m/d，根據水位-庫容關系、預估入庫流量、下泄流量計算，從正常蓄水位消落至死水位以下，再對水庫進行回蓄，能夠滿足壩前水位2 m/d速率控制的要求。所以，六級電站消落水位是可行的。

2.2 技術研究

(1)設計運行方式。六級電站水庫設計運行方式：5月，電站從正常蓄水位510 m開始逐步消落，至5月末消落至死水位490 m附近；6月，電站維持在死水位附近運行；7月，先以滿足電站單機穩定運行需求進行發電，盡快蓄水至507 m；7月末回蓄至正常蓄水位510 m；其余時段，電站均維持在正常蓄水位附近運行[3]。水庫發電調度圖見圖1。

圖1 水庫發電調度圖

(2)放空方式分析。結合氣象預報、徑流測算，以及歷年調度經驗，經過演算和論證，提前將六級電站水庫放空。一方面可以將六級至一級電站棄水水量轉化為五級至一級電站發電水量，增加五級至一級電站發電量。另一方面可以提高六級至一級電站防汛調蓄能力，減少汛期棄水電量。在實施過程中結合實際降雨徑流情況，動態調整最低放空水位，以滿足六級電站消落庫容回蓄需求。通過分析論證，六級電站水庫放空是可行的。六級電站盡可能優先采用發電方式降低水庫水位，減少單站棄水電量。當水輪發電機組不能發電時，采用放空洞泄流方式放水。

(3)六級電站發電水位選擇。六級電站引水發電系統采用一洞三機聯合供水方式，由一條壓力隧洞后接地下壓力鋼管，鋼岔管及三條支管組成。電站的水頭損失公式為：△H=2.776×10-5Q2，其中，△H為水頭損失；Q為全廠引用流量[4]。經計算，總水頭損失為△H=3.37 m。根據六級電站水輪機設計最小工作水頭45 m，總水頭損失3.37 m，以及尾水水位440.87 m，得出最低發電運行水位為489.24 m。一級至五級電站不消落水庫水位，保持在正常水位附近發電運行。

(4)六級電站最低水位選擇。從三個方面進行分析，確定最低水位。一是電站運行設備取水的影響；二是庫區綜合用水影響研究；三是水庫泥沙淤積影響。電站機組和主變冷卻器技術供水在蝸殼內取水，電站引水發電建筑物布置包括進水口、引水隧洞、壓力鋼管。進水口采用岸塔式布置，進水口底板高程470 m，故壩前水位低于470 m將影響技術供水取水。電站機電消防給水由兩套互為備用的水泵從尾水取水，取水高程436 m，故降低運行水位對電站機電消防用水沒有影響，對庫區綜合用水有影響。電站設計庫區無生活取水、航運要求。經現地調查，當地村莊船只在庫區內停靠，水庫放空前提前與地方政府、村莊聯系，保障船只、人身安全。電站壩址多年平均懸移質沙量為54.7×104t，推移質沙量為2.54×104t，運行30 a的壩前平均淤沙高程約為447 m，故壩前水位不低于447 m，水庫泥沙淤積對發電取水沒有制約性影響。

經對電站運行設備取水影響、庫區綜合用水影響、水庫泥沙淤積影響三方面進行綜合研究分析，最終將六級電站的最低放空水位選擇為高程470 m。

2.3 經濟研究

根據水輪機發電機組耗水率計算[5]，六級電站產生1 m3棄水水量，將損失電量0.15 kWh，1 m3水量相應下游五級至一級電站總發電量0.32 kWh。所以，在徑流預報準確、安全措施可靠的前提下，六級電站水庫放空可以創造經濟效益。單站與多站經濟效益對比分析見表1。

表1 單站與多站經濟效益對比分析

3 實施過程及成效

3.1 實施過程

(1)水庫水位消落。2021年6月18日至6月26日，發電方式將運行水位從死水位490 m消落至488 m；6月27日至7月19日，通過泄洪放空洞將運行水位從488 m消落至470 m，六級電站水庫放空壩前水位過程線見圖2。

圖2 六級電站水庫放空壩前水位過程線

(2)最低發電水位試驗。當運行水位至489 m時，機組振動、擺度、溫度值未達到報警值，但空冷溫度達到報警值；當運行水位至488 m時，機組振動、擺度、溫度值均達到了報警值。水輪機振擺分析圖和水輪發電機組溫度分析圖見圖3、4。

圖3 水輪機振擺分析圖

(3)安全技術措施。主要從兩方面采取安全技術措施：一是設備運行監視，二是調整電站運行方式。計算機監控系統對蝸殼壓力、振動擺度、溫度等變化情況監視；現場巡視過程中重點對轉輪室、導水機構進行檢查；根據實際情況設置人工水頭運行。機組振動值不能大于GB/T 15468《水輪機基本技術條件》振動允許值。電站機組和主變冷卻器技術供水在蝸殼內取水，為防止運行水位接近470 m技術供水中斷，放空洞泄水時，停運主變，將電站廠用電供電倒換為外來電源供電方式。

3.2 成效

(1)經濟效益。2021年6月18日至7月19日，六級電站水庫逐步放空，水庫水位從死水位490 m消落至470 m，六級至一級電站共增加了發電量7 075萬kWh。6月18日至6月26日發電方式消落庫容1 600萬m3，六級至一級電站增發電量751.17萬kWh；6月27日至7月19日放空洞下泄方式消落庫容10 300萬m3，五級至一級電站增發電量3 301.28萬kWh；6月27日至7月19日七級至六級電站區間水量5 327萬m3，六級電站損失發電量791.53萬kW；六級電站水庫放空共增發電量3 260.93萬kWh。六級電站水庫放空增發電量分析表見表2。

表2 六級電站水庫放空增發電量分析表

圖4 水輪發電機組溫度分析圖

減少了汛期有效棄水電量。由于汛期老撾已投產電站發電能力大于電網消納能力，2021年7月22日至7月31日日均負荷40.5萬kW開始發生有效棄水。六級電站470 m至490 m高程水庫庫容11 900萬m3，提前騰庫減少了五級至一級電站有效棄水電量3 814萬kWh。

(2)防洪度汛效益。截至2021年7月31日，六級電站水庫水位從470 m蓄水至508.01 m，蓄水水量37 835萬m3，削減最大洪峰流量872 m3/s，有效保障了五級至一級電站庫區和下游河道防汛安全。

(3)其他效益。為六級電站490 m高程以下水工建筑物檢查創造了條件。六級電站2015年底首臺機組投產至今因不具備條件未開展490 m高程以下水工建筑物檢查，利用該次水庫放空時機，完成了490 m至470 m高程土工膜檢查和引水系統建筑結構外觀、變形、滲流、淤積檢查以及進水口攔污柵雜物清理。

4 結 語

在老撾積極的電源投資政策下，老撾電力裝機增長迅猛，總裝機近5年增長至原來的3倍。由于近年來老撾裝機增長速度遠大于需求增長速度，故將長期面對電力消納困難問題。采用汛前降低龍頭水庫運行水位，梯級電站群聯合調度方式，經過在南歐江流域梯級電站試驗，水庫群綜合利用效益成效顯著，可供行業類似梯級電站群借鑒。