某梯級(jí)小水電防洪優(yōu)化調(diào)度運(yùn)用研究

段云輝

【摘要】針對(duì)河南省境內(nèi)某梯級(jí)小水電工程的實(shí)際情況，對(duì)龍頭水庫(kù)防洪和興利調(diào)度的原則進(jìn)行了簡(jiǎn)單探討，通過(guò)對(duì)比計(jì)算不同調(diào)度方式下梯級(jí)電站的發(fā)電效益，制定了防洪及發(fā)電調(diào)度運(yùn)用規(guī)則。實(shí)際運(yùn)用表明，該研究可以在確保水庫(kù)安全渡汛的情況下，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)梯級(jí)電站發(fā)電效益的最大化，較好地指導(dǎo)電站的實(shí)際運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】梯級(jí)水電站；調(diào)度原則；防洪優(yōu)化調(diào)度；運(yùn)用規(guī)則

引言

我國(guó)近1/2的地域，1/3的縣市，1/4的人口主要靠小水電供電，小水電在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有非常重要的地位。隨著我國(guó)水電事業(yè)的發(fā)展，梯級(jí)開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為小水電開(kāi)發(fā)的重要方式之一。與中小流域梯級(jí)水電火熱開(kāi)發(fā)建設(shè)局面的相比，針對(duì)中小流域梯級(jí)水電優(yōu)化管理調(diào)度的研究尚不十分匹配，造成上下游水資源分配不合理的現(xiàn)象。如何解決日益凸顯的梯級(jí)調(diào)度管理問(wèn)題，建立合理的防洪發(fā)電調(diào)度運(yùn)用規(guī)則，是充分發(fā)揮梯級(jí)小水電綜合效益的關(guān)鍵。

某梯級(jí)水電站系統(tǒng)位于伊河流域欒川縣境內(nèi)，上游建有金牛嶺水利樞紐工程，由大壩和發(fā)電廠兩部分組成，是伊河欒川段伊河梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃的龍頭水庫(kù)，下游建有龍王莊水電站、松樹(shù)嶺水電站、大清溝生態(tài)水電站、馬路灣水電站和拔云嶺水電站等5座電站。工程主要任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧旅游、防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能。對(duì)金牛嶺水利樞紐工程實(shí)施科學(xué)管理、合理調(diào)度，可以實(shí)現(xiàn)“一庫(kù)多用，一水多用”，更好地滿足各用水部門(mén)對(duì)水庫(kù)和水資源的綜合利用要求。

1、龍頭水庫(kù)調(diào)度原則

水庫(kù)興利調(diào)度的任務(wù)是依據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求，合理調(diào)配水量，科學(xué)處理防洪與興利的關(guān)系，充分發(fā)揮水庫(kù)的綜合利用效益。在進(jìn)行水庫(kù)興利調(diào)度時(shí)要遵守以下調(diào)度原則：貫徹“一水多用、梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度”的原則，發(fā)揮龍頭水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用，提高水的重復(fù)利用率；按照流域調(diào)度的要求，堅(jiān)持興利服從防洪，做到統(tǒng)籌兼顧；興利調(diào)度方式，要根據(jù)水庫(kù)調(diào)節(jié)性能和興利各部門(mén)用水特點(diǎn)及效益最大的原則制定；非汛期利用龍頭水庫(kù)的調(diào)蓄功能，最大限度滿足下游各梯級(jí)電站流量互相匹配，聯(lián)合運(yùn)用；汛期棄水時(shí)，結(jié)合棄水進(jìn)行發(fā)電。

防洪調(diào)度的任務(wù)是根據(jù)設(shè)計(jì)確定的樞紐工程設(shè)計(jì)洪水、校核洪水和下游防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)，按照設(shè)計(jì)的調(diào)洪原則在保證樞紐工程安全的前提下運(yùn)行，盡量減輕或避免上、下游洪水災(zāi)害。在進(jìn)行水庫(kù)興利調(diào)度時(shí)要遵守以下防洪調(diào)度原則：大壩安全第一；按設(shè)計(jì)確定的目標(biāo)、任務(wù)或按照上級(jí)有關(guān)文件規(guī)定進(jìn)行防洪調(diào)度。金牛嶺水庫(kù)是欒川縣伊河防洪體系的一部分，運(yùn)行時(shí)應(yīng)該從整個(gè)防洪系統(tǒng)考慮，充分考慮系統(tǒng)內(nèi)外的水情信息，按照上級(jí)防汛部門(mén)的統(tǒng)一部署進(jìn)行調(diào)度運(yùn)用。

2、優(yōu)化調(diào)度

2.1 單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度。金牛嶺水利樞紐工程作為伊河梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃的龍頭水庫(kù)，其調(diào)度方式合理與否，直接影響到整個(gè)樞紐工程的效益。對(duì)該水庫(kù)進(jìn)行合理調(diào)度可采用常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度兩種方式，常規(guī)調(diào)度借助于常規(guī)調(diào)度圖進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度，常規(guī)調(diào)度圖則是根據(jù)實(shí)測(cè)的徑流時(shí)歷特性資料計(jì)算和繪制的一組調(diào)度曲線及水庫(kù)特征水位劃分的若干調(diào)度區(qū)組成的。優(yōu)化調(diào)度是借助于優(yōu)化方法尋求水庫(kù)最優(yōu)運(yùn)行方式的一種調(diào)度方法，優(yōu)化調(diào)度能夠更有效地利用水庫(kù)的調(diào)蓄能力，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

為分析金牛嶺水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度的效果，對(duì)常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度兩種方式進(jìn)行對(duì)比計(jì)算：常規(guī)調(diào)度首先判斷供水期、蓄水期和不蓄不供期，然后供水期、蓄水期按等流量調(diào)節(jié)，不蓄不供期按來(lái)多少放多少方式，同時(shí)考慮電站最大過(guò)水能力、裝機(jī)容量的限制，分別進(jìn)行豐水、平水、枯水三個(gè)典型年的水能計(jì)算；優(yōu)化調(diào)度首先選取豐水、平水、枯水三個(gè)典型年設(shè)計(jì)徑流過(guò)程，以年發(fā)電量最大為目標(biāo)，考慮水位、庫(kù)容、電站最大過(guò)水能力、電站裝機(jī)、水量平衡等約束條件，建立金牛嶺水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)水庫(kù)調(diào)度過(guò)程的多階段決策特點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型求解。

2.2 梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度。金牛嶺水庫(kù)電站下游伊河欒川段已建成水電站5座，作為龍水水庫(kù)，其調(diào)度運(yùn)用效果對(duì)下游5座徑流式水電站發(fā)電效益有著直接影響。對(duì)流域梯級(jí)電站實(shí)行聯(lián)合調(diào)度，統(tǒng)一管理，有利于實(shí)現(xiàn)水能資源的高效利用，充分發(fā)揮梯級(jí)樞紐的綜合利用效益。

為進(jìn)一步說(shuō)明金牛嶺水庫(kù)梯級(jí)電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的效果，以下分別從金牛嶺水庫(kù)梯級(jí)電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度情況下金牛嶺水庫(kù)電站發(fā)電量的減少和整個(gè)梯級(jí)發(fā)電量的增加兩方面進(jìn)行定量分析計(jì)算。

金牛嶺水庫(kù)梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型與金牛嶺水庫(kù)單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型相似，也屬多階段決策模型，因此也采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解。兩模型主要區(qū)別在于：梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度時(shí)，目標(biāo)函數(shù)是梯級(jí)年發(fā)電量最大，而不僅僅是金牛嶺水庫(kù)電站年發(fā)電量最大。

選取豐水、平水、枯水三個(gè)典型年分別進(jìn)行水庫(kù)梯級(jí)電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，梯級(jí)電站計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。為分析聯(lián)合調(diào)度時(shí)，金牛嶺水庫(kù)電站年發(fā)電量的減少情況，表中同時(shí)列出了金牛嶺水庫(kù)單獨(dú)優(yōu)化調(diào)度的結(jié)果。

3、防洪及發(fā)電調(diào)度運(yùn)用規(guī)則

水庫(kù)調(diào)度圖及其相應(yīng)的調(diào)度規(guī)則是指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度的基本依據(jù)。水庫(kù)調(diào)度圖的上下基本調(diào)度線是電站發(fā)保證出力時(shí)水庫(kù)運(yùn)行的邊界條件。

將常規(guī)方法確定的水庫(kù)調(diào)度圖、單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度圖、梯級(jí)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度圖繪在同一張圖上，見(jiàn)圖1，可以發(fā)現(xiàn)：供水期按保證出力運(yùn)行，其上下基本調(diào)度線基本重合。蓄水期（及不蓄不供期）按常規(guī)或優(yōu)化運(yùn)行方式計(jì)算，其上、下調(diào)度線有所不同。為了在確保水庫(kù)安全渡汛情況下，避免不必要的泄洪，充分利用水能資源，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)梯級(jí)電站發(fā)電效益最大化，因此，建議按梯級(jí)調(diào)度線指導(dǎo)水庫(kù)調(diào)度。

首先根據(jù)不同的來(lái)水、水庫(kù)蓄水狀態(tài)及所處的運(yùn)行區(qū)等條件，作出水電站按什么出力發(fā)電的運(yùn)行決策；然后將按水庫(kù)調(diào)度圖作出水電站發(fā)電出力大小的各種決策歸納為便于指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行的如下調(diào)度規(guī)則：

3.1 當(dāng)水庫(kù)實(shí)際蓄水位落于上、下基本調(diào)度線及兩線之間的保證出力區(qū)時(shí)，則水電站在供水期按保證出力工作，即水電站出力N=Np。

3.2 當(dāng)水庫(kù)實(shí)際蓄水位落于上基本調(diào)度線之上時(shí)，則水電站在供水期按加大出力工作，則水電站出力N>Np。

3.3 當(dāng)水庫(kù)實(shí)際蓄水位落于下基本調(diào)度線以下的限制出力區(qū)時(shí)，則水電站在供水期按降低出力工作，即水電站出力N

3.4 蓄水期及不蓄不供期盡量高水頭運(yùn)行。由于水庫(kù)庫(kù)容相對(duì)較小，汛期很容易蓄滿，因此，可結(jié)合天氣預(yù)報(bào)，在保證水庫(kù)防洪安全的條件下，采用早蓄方案，使電站能在大多數(shù)月份處于高水位運(yùn)行狀態(tài)。

3.5 為保證建筑物安全，汛期水庫(kù)水位不得超過(guò)汛限水位，非汛期水位不得超過(guò)正常蓄水位。

3.6 根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果和水庫(kù)下游保護(hù)對(duì)象所在斷面處的水位流量關(guān)系，即可確定水庫(kù)遭遇不同設(shè)計(jì)洪水時(shí)，水庫(kù)下游河道斷面的相應(yīng)水位，為防洪搶險(xiǎn)及下游居民生產(chǎn)、生活安全提供決策依據(jù)。

在實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)以上調(diào)度規(guī)則，考慮下游電站合理匹配，保證梯級(jí)電站總發(fā)電量最大，同時(shí)還應(yīng)兼顧水庫(kù)下游群眾生活用水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和河道生態(tài)需水要求，合理確定水庫(kù)泄流方案。當(dāng)偶爾水庫(kù)下泄流量和下游梯級(jí)電站不能合理匹配，進(jìn)入河道的多余流量有可能給下游群眾生產(chǎn)和生活造成不便、或者有可能會(huì)給下游人民的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅時(shí)，應(yīng)及時(shí)發(fā)出預(yù)警和根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)案采取相應(yīng)的措施。

4、結(jié)論

4.1 在開(kāi)展梯級(jí)小水電防洪優(yōu)化調(diào)度時(shí)，要嚴(yán)格遵守相應(yīng)的調(diào)度原則。

4.2 梯級(jí)水電站開(kāi)展聯(lián)合運(yùn)行效益顯著：梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度與龍頭水庫(kù)優(yōu)化相比，梯級(jí)總發(fā)電量增加161萬(wàn)度，增發(fā)率為2.6%。

4.3 水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行圖起調(diào)度決策的指導(dǎo)作用，在水庫(kù)調(diào)度圖指導(dǎo)下，水庫(kù)調(diào)度可根據(jù)當(dāng)時(shí)水位和預(yù)報(bào)來(lái)水情況，根據(jù)制定的調(diào)度規(guī)則指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)行。

4.4 實(shí)際運(yùn)用表明，該研究可以在確保水庫(kù)安全渡汛的情況下，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)梯級(jí)電站發(fā)電效益的最大化，較好地指導(dǎo)電站的實(shí)際運(yùn)行，同時(shí)也可以為同類電站的運(yùn)行提供參考。

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