長江上游三峽水利樞紐運行調(diào)度研究

長江上游三峽水利樞紐運行調(diào)度研究

三峽工程占地1萬公頃，對國家能源布局和經(jīng)濟發(fā)展具有重要影響。自三峽工程規(guī)劃設(shè)計工作啟動,至1992年4月全國人大審議通過《關(guān)于興建長江三峽工程決議》,歷時40余年,但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,特別是20世紀90年代以來,三峽工程所面臨的運用環(huán)境發(fā)生了很大變化,首先是長江中下游工農(nóng)業(yè)用水、航運、生態(tài)、電網(wǎng)都對三峽工程運用提出了更高要求;其次,長江上游氣候條件發(fā)生了變化,壩址來水總體呈遞減的趨勢,尤其是年內(nèi)來水分配變化明顯;第三,壩址上游已建、在建、待建的大型水利工程眾多,直接影響三峽工程年內(nèi)來水分配及其防洪運用;第四,科學(xué)技術(shù)水平特別是水文氣象自動測報預(yù)報水平較工程設(shè)計階段有了質(zhì)的提高。因此,為更有利于三峽工程綜合效益發(fā)揮,應(yīng)根據(jù)社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r和現(xiàn)實環(huán)境,進一步開展三峽水庫優(yōu)化調(diào)度研究,建立科學(xué)的水庫調(diào)度方式,適應(yīng)現(xiàn)實及未來環(huán)境變化的需要。1長江因水趨勢分析三峽電站位于長江上游和中游分界處,壩址控制流域面積100.5501萬km2,占長江總流域面積的55.9%;多年平均流量14300m3/s,多年平均來水總量4510億m3,約占長江年入?？偹康?6.9%。壩址流量年際間的變差系數(shù)0.11,年均流量最大變幅達到8700m3/s,其中,年平均流量最大值為18200m3/s,出現(xiàn)在1954年;年平均流量最小值為9470m3/s,出現(xiàn)在2006年。壩址年內(nèi)來水分配不均勻,豐枯明顯。壩址年內(nèi)來水主要集中在6月～10月,其來水總量約占全年來水總量的72%,其中,7月份多年平均流量達到30000m3/s,2月份平均流量只有3960m3/s。2水庫調(diào)度運用的一般規(guī)定正常運行期,三峽水庫蓄水位175m,枯季消落水位155m,防洪限制水位145m?？値烊?93億m3,興利庫容165億m3,防洪庫容221.5億m3,庫容系數(shù)3.7%,屬于不完全年調(diào)節(jié)水庫。三峽工程初設(shè)報告明確水庫調(diào)度運用的總體原則是“蓄清排渾”,6月10日～9月30日,水庫在沒有防洪任務(wù)時,庫水位按汛限水位控制;10月份為蓄水期,月底蓄至正常蓄水位175m;1月～4月為供水期,4月底庫水位一般不低于枯季消落低水位;5月開始,庫水位逐步消落,6月10日降至汛限水位。隨著三峽工程主體工程的竣工,工程開始進入175m試驗蓄水調(diào)度期,2009年國務(wù)院批準了由水利部組織編制的《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》,該方案在三峽工程初步設(shè)計的基礎(chǔ)上結(jié)合三峽蓄水發(fā)電以來的運行實際,對水庫調(diào)度運行方式進行了補充和完善,汛后蓄水開始時間可視當(dāng)年的具體情況適當(dāng)提前到9月15日。3機組運行工況三峽電站分左岸電站、右岸電站、地下電站和電源電站。左岸電站裝機14臺、右岸電站裝機12臺、地下電站裝機6臺、電源電站裝機2臺。機組額定出力除電源電站50MW外,其余機組均為700MW,電站總裝機容量22500MW,多年平均發(fā)電量882億kW·h。三峽機組額定水頭:左岸80.6m,右岸85m,最大運行水頭113m,最小運行水頭71m。水輪機為立軸混輪式。4水庫優(yōu)化配置方法的研究4.1水庫水位動態(tài)控制4.1.1設(shè)計階段洪移影響三峽初步設(shè)計規(guī)定水庫汛限水位145.0m,汛期在沒有防洪任務(wù)時,庫水位按145.0m運行,當(dāng)有防洪任務(wù)時,水庫從145.0m開始起調(diào)。設(shè)計階段汛限水位按145.0m控制考慮的因素首先是確保為長江中下游提供合適的防洪庫容,其次是為了排沙需要,同時兼顧發(fā)電。但20世紀90年代以來,長江中下游防洪形勢及上游來沙情況都發(fā)生了很大變化。(1)共建長江下游水庫首先是1998年以來,國家投入巨資對長江中下游堤防進行了加固,提高了堤防自身的防洪能力;其次是長江上游流域先后修建了大量的具有防洪能力的水庫,可為長江中下游提供的防洪庫容較設(shè)計階段大為增加;第三,長江上游流域發(fā)生大洪水的頻度有所降低;第四,隨著自動化及水文氣象預(yù)報技術(shù)的進步,洪水預(yù)報水平有了較大提高,對于長江流域大型洪水具有提前預(yù)知的能力。(2)峽水庫水位確定通過分析,上游泥沙來量與設(shè)計階段相比呈明顯減少趨勢,且隨著上游流域水利設(shè)施的不斷建設(shè)投運,入庫沙量將有繼續(xù)減少的趨勢。鑒于此,為充分利用洪水資源,在現(xiàn)階段,三峽水庫汛期控制水位可以施行動態(tài)控制。實際調(diào)度過程中,可根據(jù)荊江河段的防洪形勢,并結(jié)合上游流域的水情氣象預(yù)報,在洪水到來之前,及時將庫水位預(yù)泄至防洪限制水位,洪水過后,根據(jù)后期來水預(yù)測,適時將庫水位降至允許的變動范圍。分析表明,現(xiàn)階段,汛期庫水位可以在145.0～150.0m范圍內(nèi)動態(tài)控制,后期,根據(jù)內(nèi)外部環(huán)境的變化,動態(tài)控制范圍還可以進一步擴大。4.1.2洪水資源可有效利用的可能性根據(jù)三峽入庫洪水特點,汛限水位按初步設(shè)計的145.0m運行,機組水頭小于額定水頭,出力明顯受阻,且汛期入庫流量一般大于機組發(fā)電流量,因此,洪水資源不能有效利用。若庫水位施行動態(tài)控制,可以有效提高機組水頭,提高電站發(fā)電效益。按平水年進行計算,汛期庫水位上浮5m,每年三峽電站可增加發(fā)電量約30億kW·h。4.2洪水前，水庫水位下降到洪水限制水位的時間4.2.1電網(wǎng)消納影響三峽工程初步設(shè)計規(guī)定,5月底庫水位不低于枯季消落低水位155m,6月上旬末庫水位降至防洪限制水位145m,《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》將消落開始時間提前到了5月26日。若從5月26日開始均勻消落,至6月10日將平均增加泄量4100m3/s。由于庫水位消落過程中三峽下泄流量增幅較大,可能產(chǎn)生以下后果:(1)短時間集中消落,出力將大幅增加,對電網(wǎng)消納可能產(chǎn)生一定不利影響。(2)若5月26日～6月10日平均來水達到20900m3/s以上,集中下泄的流量將大于電站機組滿發(fā)的流量,從而造成棄水。(3)一般情況下,6月上旬上游來水還比較小,平均流量只有15000m3/s,若6月上旬來水偏枯,短時間消落將對大型船舶的上游通航產(chǎn)生不利的影響。特別是一些來水很小的年份(如1969年6月上旬日最小流量只有4120m3/s),庫水位降至汛限水位,將直接影響大型船舶在庫區(qū)的通航。因此,推遲汛前庫水位消落至汛限水位的結(jié)束時間是必要的。通過對歷史資料進行分析,6月1日～6月20日平均流量16100m3/s,日最大流量只有36900m3/s,日最大流量大于30000m3/s的年份只占15%,在此時間段內(nèi)三峽防洪對象荊江河段一般情況下不會有大水,因此,6月20日以前防洪方面對水庫水位基本沒有約束。通過上述分析,6月20日以前將庫水位消落到汛限水位,不會對防洪造成不利影響,而且對發(fā)電、航運均有利。因此,汛前庫水位消落時間目前可由設(shè)計規(guī)定的6月10日推遲到6月20日,后期根據(jù)樞紐實際運行情況及上游來水變化可進一步延遲。4.2.2效率(1)r-lis推遲庫水位消落至汛限水位的時間,可以有效解決6月上、中旬因為上游枯水造成庫區(qū)航運水深不足影響大型船舶通航的問題,提高庫區(qū)通航能力。(2)改變強迫棄水庫水位5月26日～6月20日從枯季消落低水位均勻消落到汛限水位,日均增加泄量只有2520m3/s,按三峽最終規(guī)模的32臺700MW機組計算,三峽基本上不會因庫水位消落造成強迫棄水。同時,由于庫水位的抬升,三峽發(fā)電效益將有所提高,按平均來水計算,庫水位消落時間推遲到20日,三峽每年平均可增發(fā)電量1.7億kW·h。4.3洪水過后的儲水時間提前4.3.1設(shè)計內(nèi)容3:多次期三峽水庫高效運行,2個月內(nèi)的保水原理三峽初步設(shè)計規(guī)定的蓄水方式為:10月1日從汛限水位開始蓄水,月底蓄至正常蓄水位175m,蓄水期間電站出力不低于保證出力4990MW?！度龒{水庫優(yōu)化調(diào)度方案》對汛末蓄水方式進行了補充,蓄水時間不早于9月15日,具體蓄水時間根據(jù)當(dāng)年的具體情況經(jīng)國家防汛抗旱指揮部批準后執(zhí)行;9月底水位按158m控制;10月上中下旬流量分別按8000m3/s、7000m3/s、6500m3/s控制。與初步設(shè)計相比,《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》確定的蓄水方式在水資源利用、樞紐效益發(fā)揮方面有所改善,但在蓄水方式上仍有較大的改進潛力。汛末蓄水開始時間主要考慮兩方面因素,首先是有利于重慶城區(qū)河段自然走沙,防止泥沙淤積影響航運;其次,是長江中下游防洪。資料分析表明,20世紀90年代以來,上游干支流興建了大批的水利設(shè)施,攔沙作用明顯,同時,長江上游各地區(qū)加強了水土保持,泥沙量大幅度減少,為汛末蓄水時間提前到9月初創(chuàng)造了有利條件;防洪方面,長江上游主汛期是7月、8月,9月份洪水的量級、發(fā)生的頻度都較主汛期大為降低,雖然個別年份9月上旬也曾出現(xiàn)過較大洪水,但都屬于單峰型洪水,洪水總量不大,且由于相應(yīng)時段內(nèi)的中下游洪水季節(jié)已基本結(jié)束,一般不存在上游洪水與中下游洪水遭遇的情況,同時,上游眾多水庫一般也從9月份開始逐步蓄水,三峽水庫9月份蓄水基本不存在防洪約束。綜合現(xiàn)階段相關(guān)各方對三峽水庫蓄水要求、上游流域水利設(shè)施運用情況及汛末三峽來水特點,為充分利用長江水利資源、滿足中下游蓄水期間供水要求、提高樞紐綜合運用效益,三峽水庫蓄水開始時間可視當(dāng)年的具體情況提前到9月1日,9月底庫水位按165m控制。4.3.2優(yōu)化調(diào)度方案的影響采用頻率50%的入庫流量,分別對三峽初設(shè)報告、《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》規(guī)定的蓄水方案及蓄水提前至9月1日蓄水方式進行計算分析對比,得到如下結(jié)果。(1)與初設(shè)蓄水方案相比,10月份蓄水期間三峽電站平均少壓減負荷5380MW,與《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》相比平均少壓減負荷1600MW,從而有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。(2)蓄水時間提前,可以增加10月份三峽下泄流量,有利于長江中下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航運、生態(tài)對蓄水期間三峽下泄流量的需求。與初步設(shè)計相比,蓄水時間提前到9月1日,10月份平均增加下泄流量4810m3/s,與《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》相比平均增加1950m3/s。(3)9月壩址來水大于機組發(fā)電用水的部分可以全部用于蓄水,從而減小了蓄水發(fā)電損失。同時,由于庫水位抬高,在相同來水情況下,增加了電站發(fā)電量。與初設(shè)蓄水方案相比,蓄水時間提前到9月1日,三峽增發(fā)電量約29.3億kW·h,與《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》相比三峽增發(fā)電量約13.9億kW·h。4.4實時規(guī)劃和優(yōu)化4.4.1庫水位抬高對發(fā)電效率的影響考慮到泄水設(shè)施啟閉時效、水情預(yù)報誤差和電站日調(diào)節(jié)需要,汛期水庫水位可在防洪限制水位上下一定范圍內(nèi)變動。枯季,水庫可以在滿足航運最小通航流量、適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)電需求及汛前消落不棄水的前提下盡量維持高水位運行。根據(jù)三峽電站運行特性,實際調(diào)度過程中庫水位在允許的波動范圍內(nèi)適度抬高可以提高電站發(fā)電效益:棄水期由于上游來水較大,電站水頭一般小于機組額定水頭,出力受阻。此時,庫水位偏高控制有利于機組發(fā)電。對梯級電站水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線進行分析,棄水期庫水位抬高1m,單機出力可提高約10MW,地下電站投入運行后電站總出力可增加320MW?？菟谏嫌蝸硭∮跈C組發(fā)電用水,庫水位抬高可降低機組發(fā)電耗水率。通過計算,三峽庫水位每抬高1m,枯季(11月至次年4月)按多年平均來水考慮,三峽電站可增發(fā)電量約2.4億kW·h。2009年汛期三峽庫水位控制范圍為:144.9～146.5m。不考慮蓄洪庫水位的抬高實際平均庫水位145.82m,三峽增發(fā)電量6.6億kW·h。4.4.2洪水優(yōu)化調(diào)度三峽水庫汛期興利調(diào)節(jié)能力雖然有限,但通過準確的來水預(yù)測,合理利用允許的庫水位變化范圍,仍可對棄水與非棄水過渡期的小洪水實施優(yōu)化調(diào)度,從而達到提高電站發(fā)電效益的目的。實際調(diào)度過程中,在棄水前,通過加大出力使庫水位降到最低,洪水到來后,利用發(fā)電多余的水量將庫水位蓄至上限水位;洪水退水過程中,在泄水閘全部關(guān)閉時,使水庫盡量保持高水位。通過測算,汛期重復(fù)利用1m的庫容,三峽可增發(fā)電量約1億kW·h。2009年通過重復(fù)利用庫容,三峽電站增發(fā)電量2.85億kW·h。5水庫運用方式的優(yōu)化三大目標(biāo)三峽電站裝機臺數(shù)及機組類型多、裝機容量大、運行方式復(fù)雜,三峽水庫自2003年蓄水發(fā)電以來,樞紐運用環(huán)境發(fā)生了很大變化,長江中下游汛期防洪及枯季工農(nóng)業(yè)用水、航運、生態(tài)等都對三峽水庫提出了新的更高要求