宋天華，張 權(quán)，喬一帆，虎 珀

（1.寧夏大柳樹水利樞紐工程前期工作中心，寧夏 銀川 750001；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

黑山峽水利樞紐是黃河水沙調(diào)控工程體系、防洪防凌工程體系、水資源配置工程體系的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程，是筑牢黃河生態(tài)安全屏障、促進(jìn)流域高質(zhì)量發(fā)展系統(tǒng)工程的重要組成部分，也是國家水網(wǎng)南水北調(diào)西線的骨干調(diào)蓄工程，具有承上啟下、協(xié)調(diào)全局的戰(zhàn)略地位［1］。進(jìn)入中國特色社會主義新時代，為推動黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略實(shí)施，根據(jù)《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》要求，以及促進(jìn)西部大開發(fā)形成新格局、建立更加有效的區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展新機(jī)制和加快形成國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國外雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局等國家戰(zhàn)略的要求，按照國家骨干水網(wǎng)建設(shè)布局，水利部已將黑山峽水利樞紐列入“十四五”優(yōu)先開發(fā)的重點(diǎn)工程。

新時期黑山峽河段功能被賦予新的更高定位，黑山峽水利樞紐工程不可替代的重大作用愈加凸顯。作為建設(shè)清潔能源基地的重要基礎(chǔ)工程，按照習(xí)近平總書記提出的“力爭2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”要求，在加強(qiáng)節(jié)能減排和國際國內(nèi)雙循環(huán)的背景下，以黑山峽水利樞紐工程為依托，利用河段兩岸廣袤的荒漠資源、豐富的風(fēng)光資源，可建設(shè)集風(fēng)電、光電、水電、抽水儲能為一體，超2 000 萬kW 級別的國家多能互補(bǔ)清潔能源基地，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，支撐黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，減少碳排放，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)［2］。

根據(jù)以往研究成果和甘肅省關(guān)于該河段開發(fā)的意見，黑山峽河段開發(fā)存在著大柳樹高壩一級開發(fā)、小觀音高壩二級開發(fā)和四級開發(fā)等3 種方案［3］。本次研究以大柳樹高壩一級開發(fā)方案為依托。大柳樹高壩一級開發(fā)方案為在黑山峽峽谷出口以上2 km 的大柳樹壩址修建混凝土面板堆石壩，水庫正常蓄水位1 380 m，汛限水位1 365 m，死水位1 330 m，總庫容114.5 億m3，原始調(diào)節(jié)庫容85.3 億m3，長期調(diào)節(jié)庫容67.4 億m3（淤積50 a），可基本滿足南水北調(diào)西線一期工程生效后對水資源調(diào)蓄的需求。該方案水庫最大壩高為163.5 m，電站裝機(jī)容量2 000 MW。

黃河“幾”字彎河段以黑山峽水利樞紐為中心和主電源，通過對現(xiàn)狀及規(guī)劃的水風(fēng)光抽蓄邊界條件分析，提出多能互補(bǔ)清潔能源基地布局方案，構(gòu)建“一點(diǎn)一廊兩區(qū)”的黑山峽河段多能互補(bǔ)清潔能源基地格局，形成“一點(diǎn)”支撐“一廊”帶動“兩區(qū)”、多地聯(lián)動（寧夏、甘肅、華中、華東）、整合區(qū)域、輻射全國的黑山峽河段清潔能源發(fā)展新態(tài)勢［4］。考慮到這一新的功能定位，通過增加其裝機(jī)容量，合理縮減利用小時數(shù)，可充分發(fā)揮水電的容量作用，更好地滿足電力系統(tǒng)調(diào)峰、新能源消納的需求，本文對其裝機(jī)容量優(yōu)化調(diào)整進(jìn)行了深入研究。

1 多能互補(bǔ)運(yùn)用邊界條件分析

黑山峽河段附近區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，水安全需求強(qiáng)烈。寧蒙河段防洪、減淤、防凌以及流域整體水沙調(diào)控、區(qū)域水資源配置等對黑山峽河段開發(fā)與水庫調(diào)度提出一系列要求，對水庫與電站的多能互補(bǔ)運(yùn)用設(shè)定了邊界與約束。

1）黃河水沙調(diào)控體系對黑山峽水庫運(yùn)用的需求?，F(xiàn)狀工程體系中，上游以龍羊峽、劉家峽水庫為主的水量調(diào)控體系在對流域水資源調(diào)配的同時，因汛期大量蓄水、減少大流量過程而使下游沖積性河道尤其是寧蒙河段主槽嚴(yán)重淤積萎縮，威脅寧蒙河段防凌安全。協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系是寧蒙河段沖淤的關(guān)鍵，需要通過建設(shè)黑山峽水庫對龍羊峽、劉家峽水庫的發(fā)電流量進(jìn)行反調(diào)節(jié)，在汛期尤其是主汛期塑造有利于寧蒙河段輸沙和中水河槽維持的流量過程。

2）寧蒙河段防凌對黑山峽水庫運(yùn)用的需求。受中水河槽淤積萎縮影響，目前寧蒙河段的冰下過流能力偏小，同時凌情復(fù)雜，河防工程標(biāo)準(zhǔn)低，水庫防凌調(diào)度壓力大。要求黑山峽水庫防凌調(diào)度遵循“月控制、旬調(diào)整”、保持“前大后小，中間變化平緩，加強(qiáng)封、開河期流量適時控制”的原則，具體為：在封河期，黑山峽水庫調(diào)整下泄流量過程，適當(dāng)加大灌區(qū)冬灌引水期流量，避免小流量封河的現(xiàn)象，適當(dāng)減小冬灌退水期的下泄流量，盡量消除冬灌引、退水造成的流量波動；在穩(wěn)封期，進(jìn)一步控制下泄流量，避免下泄流量過大和流量忽大忽小，以減少槽蓄水增量和防止冰上過流；在開河期，進(jìn)一步控泄運(yùn)用，盡量減小下泄流量，避免形成“武開河”的動力［5］。

3）水資源合理配置與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對黑山峽水庫運(yùn)用的需求。黃河流域?qū)儆谫Y源性缺水流域，隨著黃河流域經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的提高，水資源嚴(yán)重短缺的局面進(jìn)一步加劇。面對水資源供需矛盾日益突出、經(jīng)濟(jì)社會與生態(tài)文明發(fā)展嚴(yán)重受限的局面，以及黑山峽河段周邊地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境惡化、草場退化、土地沙化的形勢，要求黑山峽水庫在保障地區(qū)供水安全、生態(tài)安全、改善民生等方面承擔(dān)重要作用。

黑山峽水庫功能定位是針對上述綜合利用需求的，一方面需要通過科學(xué)論證其工程規(guī)模來滿足，另一方面需要通過工程合理運(yùn)用來實(shí)現(xiàn)，其徑流調(diào)節(jié)過程與出力過程是在考慮上述要求的前提下得到的，已體現(xiàn)了減淤、防凌、供水等要求。在多能互補(bǔ)運(yùn)用中，部分需求對發(fā)電調(diào)度產(chǎn)生約束，主要體現(xiàn)為下泄流量的控制，即需考慮水庫下泄的各類流量，包括黑山峽至河口鎮(zhèn)河段用水流量、河口鎮(zhèn)以下河段社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)用水流量、壩址生態(tài)基流與防凌流量［6］。綜合考慮河段用水需求、防凌控泄流量等，令每月河口鎮(zhèn)生態(tài)流量為250 m3／s、黑山峽水庫壩下生態(tài)基流為300 m3／s，黑山峽水庫泄放流量過程要求見表1。每年11 月—翌年3 月為凌汛期，水庫下泄流量要盡量均勻，在缺反調(diào)節(jié)庫容的情況下，黑山峽電站不能調(diào)峰運(yùn)用，以免下泄的流量忽大忽小影響防凌安全，11 月—翌年3 月泄放流量要求按防凌流量控制，其他時段為黑山峽—河口鎮(zhèn)用水流量與河口鎮(zhèn)生態(tài)流量之和，且不小于黑山峽壩下生態(tài)基流。

表1 黑山峽水庫泄放流量過程要求 m3／s

2 裝機(jī)容量優(yōu)化調(diào)整研究

2.1 調(diào)峰指標(biāo)模型

平均可調(diào)出力的意義是作為電站平均調(diào)峰容量，而裝機(jī)容量與基荷的差值作為短時最大調(diào)峰容量，同時考慮凌汛期水庫下泄需避免流量波動不能調(diào)峰。平均可調(diào)出力與平均日內(nèi)峰荷發(fā)電時長計(jì)算公式為

式中：T為平均日內(nèi)峰荷發(fā)電時長，Nt為時段平均可調(diào)出力，C為裝機(jī)容量，Nb為基荷為徑流調(diào)節(jié)得到的平均出力。

2.2 裝機(jī)容量現(xiàn)狀

黑山峽大柳樹高壩一級開發(fā)方案在考慮水庫供水、防洪防凌等綜合運(yùn)用條件下，年均發(fā)電量66.8 億kW·h，裝機(jī)年利用時長3 340 h，其典型年出力過程見圖1?，F(xiàn)狀裝機(jī)容量方案出力與調(diào)峰指標(biāo)見表2。豐水年發(fā)電與調(diào)峰指標(biāo)最好，平均出力96.8 萬kW，全年平均可調(diào)出力42.2 萬kW，非凌汛期可調(diào)出力72.4萬kW；平水年平均出力69.0 萬kW，全年平均可調(diào)出力15.2 萬kW，非凌汛期可調(diào)出力26.1 萬kW。由于枯水年平均出力小，可調(diào)出力小，因此大柳樹電站調(diào)峰能力受枯水年發(fā)電情況制約，主要分析枯水年調(diào)峰指標(biāo)。大柳樹電站在枯水年的平均出力為56.1 萬kW，全年平均可調(diào)出力僅8.6 萬kW，非凌汛期平均可調(diào)出力為14.8 萬kW，最大調(diào)峰容量144.7 萬kW，峰荷發(fā)電時長2.6 h，電站調(diào)峰能力有提高空間。

圖1 現(xiàn)狀方案典型年出力過程

表2 現(xiàn)狀裝機(jī)容量方案出力與調(diào)峰指標(biāo)

2.3 裝機(jī)容量調(diào)整

多能互補(bǔ)基地的運(yùn)行特性要求除光伏與風(fēng)電外的其他電源有足夠大的調(diào)峰能力，以適應(yīng)光電與風(fēng)電出力的大幅波動，從而彌補(bǔ)其自身峰谷差。水電裝機(jī)容量的增加一方面可提高多能互補(bǔ)能源基地內(nèi)部的調(diào)峰性能與發(fā)電穩(wěn)定性，另一方面可增加水電站的發(fā)電量、保證出力以及調(diào)峰能力［7］。對黑山峽電站裝機(jī)容量調(diào)整進(jìn)行分析，以枯水年電站調(diào)峰能力為主要控制指標(biāo)，同時結(jié)合電站自身發(fā)電指標(biāo)對備選裝機(jī)容量進(jìn)行對比。

選取220 萬、240 萬、260 萬kW 共3 個裝機(jī)容量進(jìn)行比選，計(jì)算枯水年平均可調(diào)出力、最大調(diào)峰容量、峰荷發(fā)電時長等調(diào)峰性能指標(biāo)，同時計(jì)算各方案水電站自身發(fā)電指標(biāo)，包括發(fā)電量、保證出力、裝機(jī)利用時長，將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)狀方案進(jìn)行對比，見表3。

表3 黑山峽水利樞紐工程不同裝機(jī)容量發(fā)電與調(diào)峰指標(biāo)對比

計(jì)算結(jié)果顯示，隨著電站裝機(jī)容量的增加，其調(diào)峰能力相應(yīng)增加，其中枯水年的全年平均可調(diào)出力指標(biāo)，現(xiàn)狀方案與方案1～3 分別為8.6 萬、9.0 萬、9.4 萬、9.7萬kW，方案1～3 依次增加0.4 萬、0.4萬、0.3 萬kW（分別對比現(xiàn)狀方案、方案1、方案2，下同），非凌汛期分別為14.8 萬、15.4 萬、16.1萬、16.7 萬kW，方案1～3依次增加0.6 萬、0.7 萬、0.6 萬kW。主要原因是各方案基荷基本相同，裝機(jī)容量增加后可調(diào)出力隨平均出力增加。最大調(diào)峰容量與裝機(jī)容量直接相關(guān)，該指標(biāo)在不同裝機(jī)容量方案之間的變化也具有上述特征。這表明增加裝機(jī)容量，水電站調(diào)峰能力有直接的提升，裝機(jī)容量越大越有利于多能互補(bǔ)基地與電站自身調(diào)峰。

對比枯水年峰荷發(fā)電時長，240 萬kW 與260 萬kW 裝機(jī)容量方案中，該指標(biāo)在非凌汛期分別為2.2 h和2.0 h。考慮到平水年與豐水年該指標(biāo)還將變大，這兩個方案在調(diào)峰能力和裝機(jī)利用率之間相對平衡，是比較合適的。

黑山峽水電站裝機(jī)容量增加后發(fā)電量逐步增加，但增加量逐步減小，240 萬kW 裝機(jī)容量方案的保證出力指標(biāo)最大，而裝機(jī)容量增加至260 萬kW 后保證出力減小。同時裝機(jī)容量增加至260 萬kW 后裝機(jī)利用時長降為2 738 h，裝機(jī)利用率較低。從水電站自身裝機(jī)利用與調(diào)峰角度看，240 萬kW 裝機(jī)容量方案較優(yōu)。

綜合對比各指標(biāo)后，從提高多能互補(bǔ)基地調(diào)峰能力與電站自身發(fā)電效益角度考慮，將黑山峽電站裝機(jī)容量由200 萬kW 提高至240 萬kW 是比較合適的。裝機(jī)容量調(diào)整后年發(fā)電量增加3.1 億kW·h，保證出力增加0.04萬kW，枯水年平均可調(diào)出力在全年和非凌汛期分別增加0.8 萬kW 和1.3 萬kW，最大調(diào)峰容量在全年和非凌汛期分別增加23.3 kW 和40.0 萬kW。

3 結(jié)論

1）黑山峽水利樞紐在新時期被賦予新的更高定位，作為建設(shè)黑山峽清潔能源基地的重要中心，通過增加黑山峽裝機(jī)容量，合理縮減利用小時數(shù)，可充分發(fā)揮水電的容量作用，更好地滿足電力系統(tǒng)調(diào)峰、新能源消納的需求。

2）黑山峽河段的開發(fā)受寧蒙河段防洪、減淤、防凌，以及流域整體水沙調(diào)控、區(qū)域水資源配置等的制約，電站發(fā)電需考慮寧蒙河段用水需求、防凌控泄流量和河口鎮(zhèn)生態(tài)流量等調(diào)度邊界條件。

3）本文計(jì)算了豐、平、枯年電站出力與調(diào)峰指標(biāo)，其中豐水年發(fā)電與調(diào)峰指標(biāo)最好，枯水年因平均出力小、可調(diào)出力小而制約大柳樹電站調(diào)峰能力。經(jīng)研究分析，大柳樹電站在枯水年的平均出力為56.1 萬kW，全年平均可調(diào)出力僅8.6 萬kW，非凌汛期平均可調(diào)出力為14.8 萬kW，最大調(diào)峰容量144.7 萬kW，峰荷發(fā)電時長2.6 h，電站調(diào)峰能力有提高空間。

4）綜合對比裝機(jī)容量調(diào)整方案，從提高多能互補(bǔ)基地調(diào)峰能力與電站自身發(fā)電效益角度考慮，將黑山峽電站裝機(jī)容量由200 萬kW 提高至240 萬kW 是比較合適的。裝機(jī)容量增加后年發(fā)電量增加3.1 億kW·h，保證出力增加0.04 萬kW，枯水年平均可調(diào)出力在全年和非凌汛期分別增加0.8 萬kW 和1.3 萬kW，最大調(diào)峰容量在全年和非凌汛期分別增加23.3 萬kW 和40.0 萬kW，可帶來較好的發(fā)電效益。