向家坝水电站非恒定工况下升船机对接风险防控

何海波 狄宗向 胡亿兵 余勇

摘 要：向家坝升船机船厢安全对接对引航道内的水面变化有严格要求，本文从设计参数、运行原理角度对这种要求进行了阐述及细化。通过监测分析向家坝电站不同运行工况下升船机下游水面变化的规律，与要求进行对比验证，找出对升船机安全对接存在影响的特定运行工况，优化在该工况下进行对接的调度操作方式，以保证对接的安全进行。

关键词：对接;引航道;工况;水位变化;辅助闸室

中图分类号：U642            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）09-0104-02

向家坝升船机紧邻左岸电站和泄洪坝段布置，且枢纽的下游河道急剧变窄，电站非恒定运行工况下引起的水面扰动会通过口门区传递到升船机下游航道，对接时会直接传递到船厢内，变化超过一定范围时存在船只搁浅或水淹承船厢等安全风险。故向家坝升船机下游侧设计有辅助闸室，辅助闸室投入运行后，可消除下游水位变化带来的安全风险，但会对船舶的过机效率造成影响。为实现安全的前提下提高船舶过机效率，最大程度发挥升船机的通航能力，就须掌握电站各个工况下的下游水位变化规律，在知晓工况变化后提前制定出合理的调度操作方法。

1 水位变化监测指标

1.1 指标定义

把某个时间段内下游水位整体上升或下降的幅度定义为变幅，其大小设定为两个时刻对应水位的差值。

把泄洪波浪通过口门区传递到下游航道引起水体震荡的幅度定义为波幅，由于该值由水位数据计算而来，且水面变化非严格的正弦波形，故其大小设定为某个时间段内水位最高值与最小值的差值。

变幅和波幅过大都可能会对升船机安全运行产生不利影响，需找出能保证升船机安全运行的变幅和波幅限值。

1.2 变幅限值

1.2.1 对接过程中的限值

船厢准确停位时，船厢水位与下游水位一致，再过约5min的机构动作时间后通航门开启，船廂水域和下游水域才会联通。如果在此期间下游水位变幅超过0.2m，即使门槛水深仍满足，但通航门会因闭锁条件不满足而停止开启，导致对接失败。故在对接过程中的水位变幅要求为5min内变化不超过0.2m。

1.2.2  对接期间的限值

根据实船试验的结果，因进出厢需要，对接期间船厢水深受下游水位变化影响的时长约为20min。对接锁定机构的设计载荷是按船厢水深变化±500mm考虑，船厢水深变化超过0.5m后，超载的不平衡载荷将由安全机构承担，升船机将不能正常运行。故整个对接期间对水位变幅的要求为20min内变化不超过0.5m。

1.3 波幅限值

对接过程中和对接期间，考虑船厢对接时的停止位置恰在下游水面波动的高位（或低位）的极端条件下，水位变化产生的波幅实际等于水位变幅。故水位波幅限值与变幅限值大小一致。

1.4 小结

通过1.1-1.3中以上对升船机安全运行的水情特征的分析，汇总合并得出升船机安全运行的水情特征范围见表1。

2 监测平台部署

2.1 监测平台选择

为方便水位数据的实时查看，同时考虑到不能影响升船机监控系统的正常操作使用，选择工程师站作为数据采集系统的安装使用平台较为合理。利用现有升船机监控系统的硬件设备、传输网络，在工程师站安装合适的数据采集、存储、分析软件后，即可实现水情信息实时监测的目的。

2.2  数据源选择

升船机在辅助闸首布置了测井，用于测量下游引航道水位，测井内布置了1套吹气式水位计和1套激光式水位。

激光式水位计相比吹气式水位计少了空气介质的传递过程，对水面变化反应更迅速，更适合用于监测水位波动情况的需要，故选择激光式水位计作为采集的数据源。

2.3  数据读取、存储

工程师站可通过FactoryTalkView Studio与现地控制站建立OPC连接，读取水位计采集到的数据。水位数据使用ODBC数据服务连接按特定标签格式，直接储存在工程师站的数据库中。

2.4  数据分析

以采集到的水位数据在后台根据内置算法实时计算，结果发布在本机运行的web服务上，以浏览器为人机交互界面查看，示例见图1。

3 工况与水位对比分析

3.1  调峰工况下变幅分析

变幅由向家坝出库流量变化引起，变幅大小与流量变动快慢，即电站出力变化快慢相关。

监测期内出力变化最快的调峰工况（30min增加840MW）期间下游变幅见图2。

上述调峰工况下，升船机下游水位20min变幅最大值在0.4m左右，满足《金沙江向家坝水电站水库运用与电站运行调度规程（试行）》中对航运调度的变幅要求：20min变幅不超过0.5m;但5min变幅最大值达到了升船机安全运行的变幅限值0.2m左右，会导致升船机下游对接不能正常进行，影响通航效率。在出力变化超过400MW（对应下游水位变化接近0.5m）的调峰时段对接，如因不可控因素导致不能及时完成会船后解除对接，可能引起安全机构动作或船舶搁浅事故等严重后果，需考虑投入辅助闸室。

3.2 泄洪工况下波幅分析

根据监测结果显示，波幅与泄洪流量存在正相关性。监测期内最小泄洪流量400m?/s（开启2个表孔开度各2m）期间下游波幅见图3。

上述最小泄洪流量工况下，下游水位5min波幅值达到0.24m，20min波幅值已达到0.25m。其中5min波幅值超过了升船机安全对接的波幅限值。故电站泄洪后，需要投入辅助闸室。

4 調度操作应对措施

4.1 辅助闸室投运总体原则

根据工况与水位数据分析结果，得出下游对接需辅助闸室投运的工况如下：

（1）电站泄洪时;

（2）电站出力变化超过400MW的调峰时段。

4.2 泄洪工况下游对接调度操作原则

泄洪工况下运行的厢次都需投入辅助闸室， 具体调度操作方式如下：

（1）对于单向上（下）行的厢次或者船身不长，可在辅助闸室实现错船的厢次，应在未对接前将船舶调至辅助闸室内，然后投入辅助闸室后再对接，待船舶完成出厢、进厢后解除对接，然后上行;

（2）对于不能在辅助闸室内错船的船舶，则在下行船舶出厢和上行船舶进厢前分别进行一次对接，两次对接前保证辅助闸室处于投运状态即可。

4.3 调峰工况下游对接调度操作原则

调峰工况是一个短时过程，存在开始时间和结束时间。故提前判断本厢次对接是否需要投入辅助闸室就十分重要。下游对接一个重要的操作节点就是发“船厢下行启动”令;将这个发令时间与调峰时间段进行比较，就能判断该厢次是否需要投入辅助闸室运行。

根据1.2.2中的分析结果，对接期间船厢水深受下游水位变化影响的时长约为20min，而发“船厢下行启动”令后约10min开始进行下游对接，故对于负荷变化大于400MW的调峰工况，调峰前30min内发“船厢下行启动”令，下游对接期间就会遇到水位变化，需投入辅助闸室。

对于须投入辅助闸室运行的厢次，具体调度操作方式与4.2中泄洪工况下的调度操作方式相同。

5 结论

针对向家坝升船机下游航道水位易受电站非恒定工况影响的不利情形，通过搭建下游水位监测平台，为研究升船机下游水位变化规律提供了数据来源与分析手段。同时将电站运行工况与水位变化特征指标做对比分析，找出了影响升船机下游安全对接的特定工况。在实际应用中，通过对计划性的非恒定工况进行分析预判，即可实现对下游水位变化的预警预控，大大降低了升船机在下游对接时的安全风险。

参考文献：

[1] 齐俊麟，张勇，冯小俭，郑卫力.设置辅助闸室解决下引航道非恒定流对三峡升船机运行影响初探[J].中国水运，2013（3）：46-47.

[2] 李秋平，闫金波.三峡升船机下游引航道水位波动分析[J].201902，10-13.

[3] 谢佩珍.水工枢纽泄洪及电站负荷调节对垂直升船机运行的影响[J].水力学报，2000（07）：77-85.