水电站水库运行水位变幅研究

摘 要：向家坝水电站水库在按防洪限制水位370m控制运行期间，受泄水设施启闭时效、机组启停时效、电站日调节需要、水文预报误差及调度误差等因素影响，实时调度中库水位一般情况下在防洪限制水位上下一定范围内变动，本文按尽量符合实际、偏安全，考虑个别极端工况的发生为原则模拟各种运行工况，计算水库运行水位变幅为正1.50m、负1.00m，为水库调度运行提供依据。

关键词：向家坝水电站;水库运行;水位变幅

一、概述

向家坝水电站是金沙江下游河段水电规划的最下游梯级。水库正常蓄水位380m，死水位370m，调节库容9.03亿m3。电站装机容量6000MW。

向家坝水电站水库按防洪限制水位370m控制运行期间，实时调度中库水位一般情况下在防洪限制水位上下一定范围内变动。按基本水量平衡理論计算受泄水设施启闭时效、机组开停时效、日调峰运行工况等影响水位变幅，此外在对工况及计算边界条件进行概化处理后，采用非恒定流不连续波高公式计算瞬时水位变幅。

二、水量平衡法

（一）研究方案

1、泄洪设施启闭

枢纽泄洪建筑物由10个中孔和12个表孔间隔布置组成。泄洪时以表、中孔为主，表孔一般分级连续开启（关闭）6孔，中孔一般分级连续开启（关闭）3孔或5孔。因此，拟定工况为中孔增开3孔、中孔增开5孔、表孔增开6孔，中孔关闭3孔、中孔关闭5孔、表孔关闭6孔。

2、机组启停

机组开启分为机组正常运行情况下开机、停机及事故情况下甩负荷停机3种情况。开机和停机分为从最小流量为1200 m3/s至2机全开、1200 m3/s 至3机全开、……、1200 m3/s 至8机全开、2机全开至5机全开、4机全开至6机全开、6机全开至7机全开共10种，开机时间考虑2分钟、5分钟、10分钟、20分钟、40分钟、60分钟共6种情况。机组关停工况与开机工况相反，关停时间考虑与开机时间相同。

向家坝水电站极端情况下输电系统直流单机闭锁则有可能左岸4台机全部甩负荷切机。因此切机工况考虑了4台机、3台机、2台机切机共3种工况。机组事故甩负荷工况模拟需考虑发生事故后水库开启其它泄水设施的反应时间，反应时间考虑10秒、5分钟、10分钟、20分钟、40分钟、60分钟、120分钟共8种情况。

3、日调峰运行

考虑到向家坝汛期入库径流特性和机组过流量较大的特点，水库汛限水位运行的部分时段，也可参与电力系统日内调峰运行。根据长系列径流资料统计，选取不同保证率对应流量拟定了8个计算情况。

（二）原则与假定

1、泄洪设施启闭

计算初始水位均取汛限水位370m，计算步长取为2min，计算时段取为2小时。初始状态入库出库水量平衡，计算时段内入库流量恒定。根据本阶段初拟的正常运行泄洪时闸门运行调度方式，泄洪时以表、中孔为主，表孔一般分级连续开启到6孔，中孔一般分级连续开启到3孔或5孔。计算中不考虑分级连续启闭中的时间差。

2、机组启停

电站至少按航运基流1200m3/s发电。初始水位均为370.00m，按初始状态入库出库水量平衡，计算时段内入库流量恒定考虑，机组开停时间考察2min、5min、10min、20min、40min、60min。机组启停过程中过流量按线性变化考虑。

3、日调峰运行

电站至少按航运基流1200m3/s发电。汛期考虑初始计算水位为370.00m。按日内入库流量恒定考虑。按下游水位小时变幅不大于1m/h控制。日内出力过程尽量适应华东电力系统的日内用电负荷曲线的变化，并考虑远距离送电调度要求，尽量减少日内出力的频繁变化。根据上述模拟原则，初步拟定日内24小时出力过程，逐时段计算发电流量，统计日内平均流量，若流量不等于日平均入库流量，则调整出力过程，直至满足。按模拟的日内24小时出力过程，根据水量平衡计算库容变化，由水位～库容曲线插值求得库水位变幅。

三、一维非恒定急变流不连续波高法

（一）研究方案

水电站泄水设施突然启闭、机组突然开停可概化为明槽非恒定急变流问题，水库水位变幅即为非恒定急变流不连续波波高，非恒定急变流不连续波波高与断面面积、流量变化等有关。

运行工况主要考虑闸门开启、闸门关闭及4台机甩负荷;流量变化分为2000m3/s、4000m3/s和6000m3/s三个流量级。

向家坝坝址断面面积较大，由于泄水设施启闭、机组启停引起的瞬时不连续波影响可能只在局部范围，因此，立面图概化的坝址断面简图，受影响断面分为全部断面、部分断面及局部断面3种。

（二）原理简介

非恒定急变流流动的特征是，在较短的时间内水面具有阶梯式的涌张或消落前缘，瞬时水面坡度很陡，形成不连续波。水电站泄水设施突然启闭、机组突然开停可概化为明槽非恒定急变流问题，其中泄水设施突然开启、机组突然开机将在水库内引起逆行落水波;泄水设施突然关闭、机组甩负荷将在水库内引起逆行涨水波。

由连续性方程和动量方程可推得断波波速，见式（2）。

四、研究成果

（一）水量平衡法

根据水量平衡理论计算水库水位变化成果如下：

1、汛限水位370.00m时，计算时段取为2小时，表孔开启6孔、中孔开启5孔，水位变化分别为-0.4734m、-0.7813m，考虑10%的泄流能力误差，水位变化分别为-0.5182m、-0.8592m;表孔关闭6孔、中孔关闭5孔，水位变化分别为0.4298m、 0.7196m，考虑10%的泄流能力误差，孔水位变化分别为0.4745m、0.7921m。2、机组正常开停机，开停3台机，开停时间60min，水库水位变化为-0.0573m、 0.0537m;机组事故工况，7台机甩4台机，事故反应时间按2小时考虑，水库水位变化为0.2769m。3、汛期日调峰运行，按各模拟工况计算的最大值，水库水位变化为0.58m，考虑10%的入流预报误差，库水位变化为0.78m。

（二）一维非恒定急变流不连续波高法

各种模拟计算方案不连续波高计算成果见表4.2。

由表4.2可见，闸门开启，下泄流量突增6000 m3/s，若计算断面取全部坝体断面，水库水位跌落0.22m;计算断面取为泄水坝段断面时，水库水位跌落0.74m;计算断面仅取中孔开启3孔时的局部影响范围，则水库水位跌落2.02m。

闸门关闭，下泄流量突减6000 m3/s，计算断面取全部断面、部分断面、局部断面时，水库水位涌涨分别为0.22m、0.74m、1.98m。

机组甩负荷工况，模拟左岸4台机全部故障，计算断面取全部断面、部分断面、局部断面时，水库水位涌涨分别为0.10m、0.54m、1.13m。

五、结语

根据三峡水库水位变幅成果，三峡凤凰山水位站位于三峡水库坝址上游约2km，向家坝水库调度上游代表站位于坝址上游约1km处，且向家坝水库容积比三峡小，泄水设施启闭、机组开停及电站调峰引起的水位变幅应较三峡大。目前三峡水库实时调度中水库水位可在防洪限制水位以下0.1m至以上1.0m的范围内变动。

综合上述水量平衡理论计算值、非恒定断波波高计算值及三峡实测水位变幅值，向家坝水库水位变幅值建议为正1.50m、负1.00m。

参考文献：

[1] 李炜，徐孝平. 水力学 [M]. 武汉：武汉水利电力大学出版社，2006.

作者简介：孙莉，1982-）女，甘肃兰州人，高级工程师，硕士研究生，工作方向：水能规划设计