贵港航运枢纽水电站运行方式
韦锡坚
广西电力工业勘察设计研究院 南宁 530023
1 枢纽概况
贵港航运枢纽位于郁江中段贵港市上游约6 km的蓑衣滩处，下距桂平航运枢纽110 km，上距西津水电站104.3 km，该枢纽是以航运为主，兼有发电等的综合利用工程。主体工程由船闸、拦河坝、厂房、开关站等组成。本枢纽库区处于低丘平原地带，两岸台地高程较低，耕地人口密集，经济发达。为在保证通航的前提下，尽量减少水库淹没和多发电量，枢纽设计除了拦河坝采用低溢流堰顶、多孔高闸门的闸坝形式以增加泄流能力、降低水库壅水外，还采用了按时段(汛期、枯水期)水库取不同蓄水位的运行方式。
贵港航运枢纽正常蓄水位43.1 m，相应库容3.718亿m3，死水位42.6 m，相应库容3.533亿m3，调节库容0.185亿m3，汛期限制水位41.1 m。贵港水电站是一座低水头径流式电站，装置4台单机容量为30 MW的灯泡贯流式机组，总装机容量120 MW。机组额定水头8.5 m，额定转速78.9 r/min，水轮机额定出力30.93 MW，额定流量405 m3／s。本电站枯水期可进行日调节，建成后并入玉林电网运行，承担电网的部分调峰、调频任务。补充初步设计电站多年平均发电量：上游百色枢纽建前为6.11亿kW*h，建后为6.91亿kW*h；保证出力(P=95%)：上游百色枢纽建前为36.0 MW，建后为52.2 MW；装机利用小时：上游百色枢纽建前为5 089 h，建后为5 756 h。
2 运行方式
本电站运行方式制定的基本原则是：依据电站及水库运行制约条件，充分满足通航要求，不增加库区淹没，充分发挥电站的容量效益，争取多发电。
2.1 运行方式制约条件
电站的运行方式受水库运行水位、机组运行水头、水轮机限制出力(允许最大发电流量)以及发电机额定容量等条件制约。
水库运行水位既要满足最低通航要求，又要充分利用水头多发电，尽量减少库区淹没损失。
郁江的洪水成因，是由于流域内的大雨或暴雨所引起，暴雨出现时间一般发生在每年的5月～10月，且多集中在7月～9月。因此，坝址径流量洪、枯水期明显，每年的5月至10月为汛期，11月至翌年4月为枯水期。在枯水期流量小，为使上游西津水电站船闸下引航道及下闸首门槛达到42.6 m水位(达到3.5 m水深)满足三级航道要求，水库最低运行水位取为42.6 m。为使电站水库具有日调节性能，同时又尽量减少枯水期的水库淹没，水库正常蓄水位取为43.1 m。水库水位42.6 m～43.1 m，调节库容0.185亿m3，既达到通航要求，又可满足调峰需要和充分利用水头多发电，发挥电站的容量效益。在汛期流量增大，特别当流量达到3 500 m3／s以上时，水库降低水位，按汛期限制水位41.1 m运行，流量再增大至7 080 m3／s时，则溢流坝所有闸门全部敞开泄流，水库水位基本恢复天然状态，从而既保证通航又可避免库水位壅高，减少了库区淹没。在不同的流量段，既满足通航要求，又不增加库区淹没水库运行水位示意图见图1。
图1 贵港水库运行水位示意图
2.1.2 机组运行条件
本电站机组最大水头14 m，最小水头2.5 m。水轮机限制出力Nx及相应的最大发电过流量Qmax受水轮机强度、汽蚀、导叶开度、桨叶开度等因素制约。根据《贵港水电站水轮机模型实验报告》，水轮机限制出力线见图2。
经换算，水轮机最大发电过流量见图3。由图2、图3可以看出，Nx及Qmax受汽蚀、强度、发电机额定容量等因素制约，随水头的变化而变化。由于本电站机组安装高程由额定水头工况下的汽蚀控制确定，在不同的水库水位时，电站机组水头等于额定水头的下游水位及机组安装高程也不同，水库水位愈低，机组安装高程愈低，而机组安装高程一定时(本电站机组安装高程按汛期水库水位41.1 m、额定水头工况下的汽蚀条件确定)，为了保证机组安全运行，避免水轮机产生汽蚀，水库水位愈低，机组限制出力愈小，因此本电站水轮机限制出力还与水库水位有关。由图2可以看出，当水库因非常情况而降低水位低于41.1 m运行时，额定水头下Nx将达不到水轮机额定出力，当水库水位为39.4 m，Nx仅为28.5 MW。为了保证水轮机安全运行，Nx及Qmax必须同时满足汽蚀、强度要求，显然，当水库水位在汛期限制水位41.1 m和正常蓄水位43.1 m之间运行时，按图1中的ABCDE线运行，既满足汽蚀要求、又满足强度要求。按ABCDE线运行，在额定水头8.5 m工况，Nx=30.93 MW,Qmax=405 m3／s；在额定水头以上，受发电机额定容量(Nx=30.93 MW)的限制，Qmax随水头的提高而减少，至电站最大水头Hmax(Hmax=13.3 m)时，Qmax=247 m3／s；在额定水头以下，Nx随水头的降低而减少，至最小发电水头2.5 m时，Nx=2.7 MW；水头从8.5 m至6 m，由于水轮机效率随水头的降低而降低的速率大于Nx减少的速率，为了达到水轮机限制出力，Qmax随水头的降低而增加，至6 m时，最大发电过机流量达到最大值，Qmax=421 m3／s;在6 m水头以下，Qmax随水头的降低而减少，至2.5 m时，Qmax=275 m3／s。
2.2 运行方式制定
贵港航运枢纽水电站入库流量为上游西津水电站的下泄流量以及贵港至西津区间流量。区间集雨面积(4 400 km2)较小，仅占贵港坝址集雨面积(81 700 km2)的5.4%，因此，入库流量主要来源于西津水电站下泄流量。西津水电站装机容量234.4 MW，水库具有季调节性能，根据电网的需要可承担一定的调峰、调频任务，调峰下泄流量一般在200 m3/s～2 000 m3/s之间。因本枢纽水库有较大水深和一定的库容，对西津水电站调峰下泄流量有明显的调蓄作用，水流流达本枢纽之前，不稳定流波形已基本坦化，因此，西津水电站调峰期间，只要贵港电站发电流量与西津下泄流量相协调，并充分利用贵港水库日调节库容的反调节作用，贵港电站就不会产生弃水。依据运行方式制定原则，贵港水电站运行方式的水库水位应根据入库流量满足图1所示的约束水位，机组最大出力及最大发电过流量应根据水头满足图2及图3所示的限制出力及相应流量。贵港水电站运行方式分别按枯水期和汛期制定。
图2 水轮机限制出力线
图3 水轮机最大发电过流量线
2.2.1 枯水期运行方式制定
贵港水电站枯水期水库可进行日调节，为充分发挥电站的调峰效益，应根据电力系统的需求承担一定调峰、调频任务。电站调峰期间，水库水位在42.6 m～43.3 m之间运行，以保证通航要求和不增加库区淹没。当电站无调峰要求时，水库水位应维持在43.1 m运行，避免库水位消落造成不必要的水头损失，电站按入库流量发电，出力随入库流量而变。
2.2.2 汛期运行方式制定
为减少库区淹没，汛期水库水位降至41.1 m运行，水库无调节库容，成为全径流式电站，电站出力取决于入库流量。根据不同的流量段，水库及电站运行方式如下：
(1)当入库流量小于或等于电站发电最大引用流量1 440 m3/s时，泄水闸闸门全关，入库流量全部通过水轮机发电下泄，出力根据入库流量确定。为保证不增加库区淹没，水库水位应维持在41.1 m运行；
(2)当入库流量大于电站发电最大引用流量且小于等于停机流量5 368 m3/s(相应机组最小发电水头2.5 m)时，水库水位维持在41.1 m运行，电站出力依据水头按机组限制出力发电，相应发电流量为水轮机最大发电过流量。入库流量除通过水轮机发电下泄外，多余的流量通过泄水闸下泄；
(3)当入库流量大于停机流量且小于等于7 080 m3/s时，坝上、下游水位差小于机组最小发电水头2.5 m，机组停运，全部流量通过泄水闸下泄。为了坝下游航运及防洪安全，泄水闸应控制下泄流量，使下泄流量等于入库流量，水库水位维持在41.1 m；
(4)当入库流量大于7 080 m3/s时，坝上、下游水位差小于0.3 m，泄水闸全开敞泄，水库水位基本恢复到天然状态。
应该说明的是，汛期库水位降至41.1 m运行，当流量小于3 500 m3/s时，库区伏波滩、西津船闸下闸首门槛等处将达不到通航水深。为满足通航要求，库水位需适当蓄至图1所示的阴影部分(相应入库流量)，但必须加强水文预报，准确掌握上游水情，以便能随时根据入库流量的变化及时对坝前水位进行调控，避免坝前水位过高，增加库区淹没。
2.3 运行方式优化的初步设想
本枢纽为了减少库区淹没，拦河坝采用低溢流堰顶、18孔高闸门的闸坝形式增加泄洪能力、同时还采用枯水期和汛期不同运行水位运行。枯水期正常蓄水位43.1 m，死水位42.6 m，汛期坝前限制水位41.1 m。汛期来流量大于7 080 m3/s时，18孔泄洪闸全部敞开，水库水位基本恢复天然状态。库区土地征用设计淹没线由枯水期水库正常蓄水位43.1 m遇时段5年一遇设计洪峰流量3 020 m3/s的水库回水线和汛期坝前限制水位41.1 m遇流量7 080 m3/s及其以下各级洪水流量的回水尖灭点连结线的外包线组成。其中，在坝前25.3 km范围内(瓦塘木桥坑以下)的库区淹没线由枯水期回水线控制，相应流量3 020 m3/s，在距坝址25.3 km以上至西津水电站的库区淹没线由汛期回水线尖灭点外包线控制，相应流量4 600 m3/s～7 080 m3/s。可以看出，汛期流量大于4 600 m3/s，水库水位必须降至41.1 m运行，否则汛期回水线将超过设计淹没线，增加库区淹没。根据回水计算成果分析，当流量小于3 500 m3/s时，如果坝前水位维持在41.1 m运行，库区伏波滩等处的水深将达不到通航要求，因此，如果每年整个汛期的库水位均固定限制在41.1 m运行，既不能保证通航水深要求，又造成水能资源不必要的浪费。从充分发挥枢纽的整体效益出发，在汛期流量小于4 600 m3/s时段，在保证不增加库区淹没的条件下，可根据来水流量，适当提高水库运行水位，对增加枢纽的航运效益和发电效益是十分有利的。从上述淹没回水外包线分析可以得出，当汛期流量小于或等于3 020 m3/s(枯水期5年一遇洪峰流量)，水库水位可提高到43.1 m运行而不增加库区淹没。当流量在3 020 m3/s～4 600 m3/s 之间时，可以以设计淹没外包线为约束条件，推回水试算得出各级流量不增加库区淹没允许的最高库水位，如图1中的bc线所示。
从历年坝址径流特性分析，每年汛期有相当多的时间流量小于4 600 m3/s。根据1946年5月到1983年4月37年径流系列日平均流量分析，上游百色枢纽兴建前，平均每年汛期(5月～10月)流量小于4 600 m3/s的时间约占87%，也就是说每年汛期约有87%的时间可以适当提高库水位高于41.1 m运行，其中，流量在3 020 m3/s～4 600 m3/s之间的时间约占21%，此流量段水库水位可根据流量按图1的bc调度线在43.1 m～41.1 m运行，流量小于3 020 m3/s的时间约占66%，此流量段水库水位可抬高至正常蓄水位43.1 m运行。因此，每年汛期大部分时间水库水位可以不限制在41.1 m运行，可按不增加库区淹没允许的最高坝前控制水位运行。水库提高水位运行后，增加了发电水头，减少机组出力受阻，增加发电出力，从而年累计发电量也增加。上游百色枢纽兴建后，对贵港枢纽坝址的径流有一定的调节作用，径流有所变化，经统计分析，平均每年汛期流量小于4 600 m3/s的时间约占89%，说明无论上游百色枢纽兴建前或兴建后，水库水位的优化调度运行均能获得良好的经济效益。本枢纽电站为低水头电站，优化调度运行的主要手段是提高发电水头。从以上分析可知，水库按不增加库区淹没允许的最高库水位运行(图1的abcd线)，可以提高发电水头，增加发电量，因此，图1的abcd线即为水库最优调度线。经初步计算分析，本枢纽汛期水库水位按最优调度线运行，与按固定限制在41.1 m运行相比，汛期电站平均水头增加20%左右，平均发电量增加10%左右，增加的发电效益相当可观。
应该指出，为了实行水库优化调度运行，达到既保证通航和获得最佳发电效益而又不增加库区淹没的目的，本枢纽必须根据入库流量通过电站发电流量和泄水闸门调节下泄流量对坝前水位实施控制。如因入库流量预报误差大，或因启闭操作控制闸门不当使坝前水位过高，则水库回水位可能超过原设计库区淹没回水外包线，增加库区淹没。因此，实施水库优化调度运行既可获得综合效益，又要承担一定的风险，利益与风险共存。只有利益大过风险，实施水库优化调度运行才具有积极意义。要化解风险或减少风险，一是要加强水文预报，充分掌握上游水情，使预报的入库流量准确可靠，二是要求能通过18个泄水闸门启闭操作快速灵活地对坝前水位进行控制。
3 结语
贵港航运枢纽是综合利用工程，水电站运行方式应满足综合利用要求，汛期通航、发电与水库淹没是一对矛盾，从保证不增加水库淹没出发，汛期水库水位应限制在41.1 m运行，但电站水头将减少；当流量小于3 500 m3/s时，库区伏波滩等处通航水深将达不到要求，因此，运行方式必须兼顾通航、发电及水库淹没，充分发挥枢纽的综合效益。
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