桐柏抽水蓄能电站上下水库泄洪方式运行实践与研究

胡忠启，赵贤学，张士平，徐国华

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江天台317200）

桐柏抽水蓄能电站上下水库泄洪方式运行实践与研究

胡忠启，赵贤学，张士平，徐国华

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江天台317200）

抽水蓄能电站水库与常规水电站水库功能上一致，而前者必须有两个水库即上水库和下水库，两库仅需要储有一库的有效库容水量即可满足抽水蓄能电站的调峰填谷调频调相事故备用，而后者一般只有一个水库，拦蓄洪水，调节径流，满足其调峰调频调相事故备用的功能；桐柏抽水蓄能电站水库自2005年5月蓄水以来经过了12年运行实践，经历了175多次放水泄洪后对水库泄洪方式进行研究探讨，以期合理运行保障电站大坝安全。

上下水库；导流泄放洞；安全泄洪

1 引言

桐柏抽水蓄能电站安装4台单机容量为300 MW的立轴混流可逆式单级水泵水轮机和发电电动机组,总容量为1 200 MW；本工程等别为一等工程，工程规模属大(1)型，枢纽工程由上水库、下水库、输水系统、地下洞室群、地面开关站、中控楼等部分组成。

上水库利用已建的水库经加固处理后改建而成，主副坝为均质土坝，最大坝高37.49 m；坝址流域面积为6.7 km2，死水位376.00 m，死库容98万m3，水库正常蓄水位396.21 m，总库容1 134.6万m3；有闸控制溢洪道位于左岸垭口，设两孔6 m×3 m，堰顶高程394 m；设计洪水标准为200年一遇洪水，设计洪水位396.71 m，总下泄流量100.33 m3/s；校核洪水标准为千年一遇洪水，校核洪水位397.2 m，总下泄流量131.32 m3/s。

下水库主坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝高68.25 m，坝顶长度434 m，坝址流域面积为21.4 km2，死水位110 m，死库容213.9万m3，正常蓄水位141.17 m，总库容1 283.6万m3；溢洪道为坝身开敞式自由溢流，位于坝体河床部位；设计洪水标准为200年一遇洪水，设计洪水位145.6 m，总下泄流量361 m3/s；校核洪水标准为千年一遇洪水，校核洪水位146.60 m，总下泄流量496 m3/s。

导流泄放洞布置在下水库右岸由进口引水渠、进水口、事故检修门井、有压洞及出口消能工组成；隧洞中部靠近右坝头附近设一道事故检修门，闸门井高65.5 m，出口设一道工作弧门，孔口尺寸为2.0 m×3.0 m，出口消能方式为消力池底流消能；最大工作水头63.0 m，设计泄量176.1 m3/s。

2 水库洪水调节计算和泄洪运行情况

2.1.库洪水调节计算

洪水调节计算进行了上、下水库独立调洪计算，其成果作为大坝安全的设计基础；对上、下水库水体交换与洪水过程迭加后的联合调洪计算，作为制定电站洪水期运行调度原则的依据。

上水库。调节计算采用静库容法，起调水位396.21 m，洪水期上水库水位到达396.21 m时电站停止抽水，开启溢洪道闸门，维持库水位396.21 m，控制20年一遇洪水位不超过396.28 m，当入库洪水大于76.88 m3/s（库水位396.28 m时溢洪道泄流量），闸门全开泄洪。

下水库。（1）独立调洪(机组不发电，导流泄放洞底孔不参与泄洪)计算方法与上水库相同，起调水位为142 m，水位超过142 m溢洪道自由溢流；（2）联合调洪方法是考虑机组发电与洪水流量的叠加，机组、导流泄放洞、溢洪道共同参与调洪的计算方法，其洪水过程，通过下式计算：

QkZd=Qktd+Qkj

式中：QkZd——下水库k时刻洪水流量(m3/s)；Qktd——下水库k时刻天然洪水流量(m3/s)；Qkj——机组发电(抽水)流量(m3/s)。

联合调洪原则：①上水库水位达正常蓄水位396.21 m，电站停止抽水；②下水库水位低于142 m时，电站正常发电；入库洪水通过泄放洞排放，排放流量为前一时段入库洪水流量；③下水库水位高于142 m，低于145.6 m(P=0.5%洪水位)，水泵水轮机、泄放洞、溢洪道共同参与调洪；④下水库水位高于145.6 m，电站停止发电，关闭泄放洞，洪水通过溢洪道排放；⑤水库下泄流量不大于同频率天然洪峰流量。计算成果见表1和表2。

表1.立调洪成果表

表2.水库联合调洪成果表

2.2.下水库泄洪设施过流能力

上水库有闸门控制溢洪道堰宽2 m×6 m，堰顶高程394.0 m，每孔设一扇工作闸门；下水库坝身开敞式溢洪道堰宽2×13 m，堰顶高程142 m；上下水库溢洪道泄流能力见表3。导流泄放洞由导流洞改建而成，其主要任务是随时将入库洪水排至下游使之不侵占有效库容，最大限度使下泄洪水形态和天然洪水保持一致，最大泄流能力177.6 m3/s(水库水位146.6 m)。

2.3.库泄洪方式运行实践

桐柏上下水库属三茅溪同一支流百丈溪，流域面积合计有28.1 km2，多年平均降雨量1 635 mm；由于人类活动的影响带来的天气情况俞来俞复杂，热带风暴和极端天气频发，给水库运行带来压力很大，抽水蓄能电站水库又没有防洪功能，为了保证水库大坝安全运行和电站正常运行，运行单位根据当时运行情况进行洪水调度，特别是利用抽水蓄能电站两个水库仅有一库水的优势进行水体交换，采用上水库留出库容贮存洪水下水库泄放洪水方式保证水库大坝的安全运行；现选取2009年第8号台风和2016年第14号台风的洪水调度情况作一描述。

表3.、下水库溢洪道泄流能力单位：m3/s

2009.第8号台风“莫拉克”洪水调度。8月9日桐柏电站流域24 h降雨量为178.5 mm，最大入库流量是127.3 m3/s（9日21：00），经华东电网调度中心同意9日减少抽水点数8个点（1个点为15 min），给上水库腾出库容72万m3，将上水库水位控制在393.44 m，降低了水位1 m；10日减少抽水点数23个点，给上水库腾出库容207万m3，水库水位控制在393.25 m，降低了水位2.84 m；12日减少抽水点数6个点，给上水库腾出库容54万m3，水位为395.14 m，降低了水位0.73 m；下库导流泄放洞8日10:00开启工作闸门泄放洪水，最大开度1.6 m，最大出库流量为86.7 m3/s，至12日21：30关闭，历时107.5 h，共泄水562.1万m3；本次洪水按入库流量计接近5年一遇标准，未影响发电；水库大坝及下游河道运行安全。

2016.第14号强台风“莫兰蒂”洪水调度。9月14日桐柏电站流域上下库24 h平均降雨量为33 mm，15日24 h降雨量为207.5 mm属大暴雨，下水库于15日17:30开启闸门0.1 m泄放洪水，15日22:00增大至1.0 m，16日11:00开启至最大开度1.5 m；根据桐柏水库情况经华东电网调度中心同意16日减少抽水点数17个点，给上水库腾出库容153万m3；否则上水库水位将超过校核洪水位397.2 m，上水库将泄洪；本次洪水最大入库流量为146.5 m3/s，出库流量为85.6 m3/s；至19日9:00关闭，历时87.5 h，共泄水518.7万m3；本次洪水按入库流量计为5年一遇标准，未影响发电；水库大坝及下游河道运行安全。上水库水位和入库流量见图1，下水库水位、入库流量和出库流量见图2。

图1.水库水位和入库流量过程线

图2.水库水位、入库流量和出库流量过程线

3 桐柏水库泄洪方式研究

3.1.库日常运行方式

电站每天上午8:00后开始发电，此时上水库水位最高然后水位下降，至下午16:45以后发电结束，上水库水位最低，下水库水位最高；23:00以后抽水至次日7:00前结束，下水库水位最低；上下水库最高水位时间相差约有10个h；本电站2016年1月份每日发电抽水曲线见图3，具体时间要根据华东电网调度中心每天发电抽水计划而定。

抽水蓄能电站特点是必须具有两个水库，水库库容大多属中小型水库，因发电抽水交换迅速，在电站运行过程中达到汛限水位机率比较小，为了保障电站发电水头而当两个水库有效库容之和多于一库有效库容的多余水量还要泄放出下水库，桐柏设定为当上下水库有效库容之和比上水库有效库容多20万m3时下水库放水；运行12年基本采用下水库导流泄放洞开闸放水，自2005年5月蓄水至2017年3月底累计放水175多次，共放水25 575万m3。

图3.东电网调度中心分配给桐柏电站运行曲线

3.2.库泄洪方式研究

抽水蓄能电站一般装机容量大但水库库容小，日调节或周调节纯抽水蓄能电站上下两个水库只需要一天或一周发电使用的有效库容，而且设计时水库无防洪任务；虽然电网调度对电站发电运行要求高，洪水期应根据《中华人民共和国防汛条例》第十四条中明确规定兴利服从防洪来运行；抽水蓄能电站水库专有特性和常规水电站水库有较大区别，其上下两个水库经输水系统连通后可以当作一个水库，能量转换通过水体交换来实现，两库水位变化随机组发电抽水而时刻变化；桐柏上水库水位保持在394 m以上大约有6个h，时间基本为每天4:30至10:30，如从上水库泄洪只有在这个时段内，因发电上水库水位迅速下降低于溢流堰顶高程394 m，上水库溢洪道就无法泄洪；自2015年5月水库运行以来上水库溢洪道放水仅两次，首次是2015年因台风降雨水库蓄满后自由溢流，第二次为2015年11月11日至16日放水，原因是下水库导流泄放洞消力池检修无法放水，只有采用上库溢洪道间歇式放水；下水库坝身溢洪道堰顶高程为142 m，电站发电结束后水库水位均在正常高水位141.17 m以下，只有当入库洪水大于导流泄放洞泄放洪水时水库水位才得以上升；桐柏设计当超过5年一遇以上洪水且水位超过142 m时才能从坝身溢洪道过水，这个时段维持约有6个h即从18:00至23:00；基于桐柏实践，抽水蓄能电站上下水库可按流域面积进行分配可能入库的洪量需要的库容，上下水库均留有一定空置的有效库容，特别是上水库洪水入库即可发电增加电站效益；遭遇洪水时，如上水库空可采用抽水工况（计算流量100 m3/s）将下水库水量抽到上水库，如1台机抽水10个点则可抽水90万m3到上水库，2台机的流量为200 m3/s；如下水库空可采用发电工况（计算流量143.5 m3/s）将上水库水量输到下水库，如1台机发电10个点则可输水129.15万m3到下水库，2台机的流量为287 m3/s；入库洪水按其洪水流量大小频率高低采用下水库导流泄放洞泄放，只要下游河道允许一定量行洪，则导流泄放洞泄放流量为前一时段上下水库入库洪水流量；桐柏上下水库24 h千年一遇校核洪水设计洪量为2 010万m3；在遭遇超设计洪水时充分依靠电网调度的合理安排，充分利用抽水蓄能电站水库特有的功能，错峰削量，保证水库大坝安全。

4 结语

抽水蓄能电站有两个水库即上水库和下水库，两库仅需储有一库的有效库容水量即可满足抽水蓄能电站的各项功能；桐柏抽水蓄能电站水库自2005年5月蓄水以来经过了12年运行实践，泄放有纪录的175多次洪水全部通过下水库导流泄放洞过流，桐柏设置了可过大流量导流泄放洞，给洪水调度带来了极大灵活性；在发生超标准洪水时可以充分利用抽水蓄能电站水库特有的作用，保证电站水库大坝安全。

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TV697.1

B

1672-5387（2017）09-0052-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.09.019

2017-06-19

胡忠启（1964-），男，高级工程师，研究方向：水电站建设及运行管理。