王 曉 東

(四川松林河流域開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

南歐江發(fā)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(lián)合運行保證出力43.55萬kW，設計多年平均發(fā)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(diào)節(jié)能力，六級、五級電站為季調(diào)節(jié)能力，其余電站為日調(diào)節(jié)能力。南歐江流域降水主要出現(xiàn)在5月至9月之間，因而使流域年內(nèi)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(nèi)分配不平衡，6～11月占年徑流量的83.5%，一級至六級電站調(diào)節(jié)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(chǎn)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(fā)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(fā)電作用，增加一級至五級電站發(fā)電經(jīng)濟效益可行性。南歐江流域汛期雨季雨量充沛，此時產(chǎn)生棄水，枯期大部分水電站發(fā)電能力不足，但降雨量有限，從增強電站調(diào)度運行可操作性、提高梯級水電站發(fā)電效益出發(fā)優(yōu)化調(diào)度，細化電站調(diào)度規(guī)則，制定水庫放空應急預案，增加六級電站汛前水庫調(diào)節(jié)水量，增大下游梯級水電站的發(fā)電補償作用，實現(xiàn)流域一級至五級梯級水電站發(fā)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(diào)度、精準調(diào)度，安全策略采取精準氣象預報+水情測報實時監(jiān)測相結(jié)合方式[2]。業(yè)主委托云南省氣象服務中心開展流域數(shù)值氣象預報，定期發(fā)布日、周天氣預報和月、季、年度氣候預測。開發(fā)南歐江流域?qū)I(yè)氣象服務網(wǎng)站，實時查看實況降雨、衛(wèi)星云圖、雷達及短臨預報；針對可能出現(xiàn)在流域內(nèi)的暴雨、強降溫、強對流及轉(zhuǎn)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(chǎn)調(diào)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(tǒng)，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(jiān)視降雨量、區(qū)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(fā)送、隨整理、隨分析。8時發(fā)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(fā)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(zhì)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(fā)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(jiān)管，密切關(guān)注機組振動、擺度。低水位運行時，由于轉(zhuǎn)輪出口水流環(huán)量增加造成水流旋轉(zhuǎn)而形成漩渦，易造成水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的空腔汽蝕，縮短轉(zhuǎn)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(jiān)視，巡視過程中著重對轉(zhuǎn)輪室、導水機構(gòu)進行檢查。當發(fā)生機組振動、擺度、噪音等達到設計預警值，調(diào)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(fā)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(jiān)測方式，加強大壩水平、垂直位移變形和滲流的監(jiān)測，尤其加密監(jiān)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(guān)注壩前攔漂索的運行情況，如有異常，及時處理。對庫區(qū)內(nèi)交通橋橋墩、橋頭護岸進行全面細致檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。采用泄洪閘門泄洪時關(guān)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(fā)生大壩位移、滲流等監(jiān)測變化值已經(jīng)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(diào)節(jié)庫容2.46億m3/s。裝機容量18萬kW，全廠額定發(fā)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(fā)電引用流量，可以消落六級電站庫容，且下游電站不會產(chǎn)生棄水。

六級電站水庫消落和蓄水速率控制在2 m/d，根據(jù)水位-庫容關(guān)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(shù)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(wěn)定運行需求進行發(fā)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(fā)電調(diào)度圖見圖1。

圖1 水庫發(fā)電調(diào)度圖

(2)放空方式分析。結(jié)合氣象預報、徑流測算，以及歷年調(diào)度經(jīng)驗，經(jīng)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(zhuǎn)化為五級至一級電站發(fā)電水量，增加五級至一級電站發(fā)電量。另一方面可以提高六級至一級電站防汛調(diào)蓄能力，減少汛期棄水電量。在實施過程中結(jié)合實際降雨徑流情況，動態(tài)調(diào)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(yōu)先采用發(fā)電方式降低水庫水位，減少單站棄水電量。當水輪發(fā)電機組不能發(fā)電時，采用放空洞泄流方式放水。

(3)六級電站發(fā)電水位選擇。六級電站引水發(fā)電系統(tǒng)采用一洞三機聯(lián)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(jīng)計算，總水頭損失為△H=3.37 m。根據(jù)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(fā)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(fā)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(qū)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(shù)供水在蝸殼內(nèi)取水，電站引水發(fā)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(shù)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(qū)綜合用水有影響。電站設計庫區(qū)無生活取水、航運要求。經(jīng)現(xiàn)地調(diào)查，當?shù)卮迩f船只在庫區(qū)內(nèi)?？?，水庫放空前提前與地方政府、村莊聯(lián)系，保障船只、人身安全。電站壩址多年平均懸移質(zhì)沙量為54.7×104t，推移質(zhì)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(fā)電取水沒有制約性影響。

經(jīng)對電站運行設備取水影響、庫區(qū)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(jīng)濟研究

根據(jù)水輪機發(fā)電機組耗水率計算[5]，六級電站產(chǎn)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(fā)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(chuàng)造經(jīng)濟效益。單站與多站經(jīng)濟效益對比分析見表1。

表1 單站與多站經(jīng)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(fā)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(fā)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(fā)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(shù)措施。主要從兩方面采取安全技術(shù)措施：一是設備運行監(jiān)視，二是調(diào)整電站運行方式。計算機監(jiān)控系統(tǒng)對蝸殼壓力、振動擺度、溫度等變化情況監(jiān)視；現(xiàn)場巡視過程中重點對轉(zhuǎn)輪室、導水機構(gòu)進行檢查；根據(jù)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(shù)條件》振動允許值。電站機組和主變冷卻器技術(shù)供水在蝸殼內(nèi)取水，為防止運行水位接近470 m技術(shù)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(jīng)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(fā)電量7 075萬kWh。6月18日至6月26日發(fā)電方式消落庫容1 600萬m3，六級至一級電站增發(fā)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(fā)電量3 301.28萬kWh；6月27日至7月19日七級至六級電站區(qū)間水量5 327萬m3，六級電站損失發(fā)電量791.53萬kW；六級電站水庫放空共增發(fā)電量3 260.93萬kWh。六級電站水庫放空增發(fā)電量分析表見表2。

表2 六級電站水庫放空增發(fā)電量分析表

圖4 水輪發(fā)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(chǎn)電站發(fā)電能力大于電網(wǎng)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(fā)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(qū)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(chuàng)造了條件。六級電站2015年底首臺機組投產(chǎn)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(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)外觀、變形、滲流、淤積檢查以及進水口攔污柵雜物清理。

4 結(jié) 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(lián)合調(diào)度方式，經(jīng)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(yè)類似梯級電站群借鑒。