富春江船闸对水电站发电的影响分析

朱彦泽，高玉杉，马文升

（1.国网新源水电富春江电厂，浙江 杭州 311504；2.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 富春江船闸概况

富春江水电站是一座低水头河床式电站，工程任务以发电为主，兼有航运、灌溉、养殖等功能。电站于1968年建成发电，装机29.72万kW。2006年经过增容改造后装机容量提升至36.00万kW，机组总过水流量3 000 m3/s，设计多年平均发电量9.23亿kW · h。电站长期担负着华东电网一部分调峰、调频及事故备用任务，为浙江省国民经济和社会发展做出重要贡献。

富春江船闸位于富春江水电站溢流坝右侧，与右岸相接。2011年前，原富春江船闸为100 t级单级双向运行船闸，设计最低通航流量为130 m3/s，船闸最大过闸能力为80万t/a。由于航道下切、船闸下游人字门内外侧水位平衡困难等原因，船闸开闸运行时间长，日平均仅运行2次，年货运量受到限制，对钱塘江中上游地区的经济发展形成制约。

为开发内河航运，打通黄金水道，富春江船闸扩建改造工程于2011年开工建设，2016年新船闸建成投入试运行。改造后船闸位置位于老船闸下游，通航标准提升为500 t级，设计单向过闸货运量通过能力约1 250万t/a。

2 船闸运行对发电影响分析

2.1 影响因素分析

富春江水电站为低水头大流量的日调节水电站，除洪水期外电站实行“以水定电”的调度原则，尽量保持较高库水位运行，提高水头降低发电单耗，增加发电量。根据水力发电的原理和发电量计算公式，初步分析船闸运行对水电站发电量影响的因素：一是船闸下游通航水位对电站发电尾水位的影响；二是船闸运行放水直排下游，减少电站可调节的入库径流量。

富春江船闸改造后，下游880.00 m引航道设导墙与河道主流相隔，并利用天然江心洲设置分水闸。在日常运行中，船闸与电站下游河道分为2支，水位相对独立，船闸运行对电站发电尾水位基本无影响。

富春江船闸改造前，原船闸有效长度102.00 m，宽14.40 m，采用长廊道分散式输水，输水1次需水量约2万m3，正常运行情况下，船闸每天只开2闸次；改造后船闸有效长度300.00 m，宽23.00 m，门槛水深4.50 m，输水1次约需水量11万m3，且2016年底试运行以来，日均通航闸次提升至3.33次。根据船闸改造工程设计资料，船闸设计工况日通航频次11次，年通航运行316 d，船闸运行用水量将随着富春江通航需求增长而逐渐加大，船闸用水量激增对富春江水电站发电影响较大。

2.2 实际运行年份发电水量影响

富春江船闸用水经下闸首排入下游河道，电站机组无法利用。根据电站运行统计数据，量化分析富春江船闸改建前后对水电站发电径流的影响。船闸改造前后发电影响统计见表1[1]。

表1 船闸改造前后发电影响统计表

富春江船闸改造前后，船闸年通航闸次由2011年的586次提高至2018年的1 349次，除检修停航等因素外，日均通航闸次由2011年的2.1次提高至2018年的3.7次。根据统计分析，船闸用水量占比由2011年的0.51‰提高至2018年的6.83‰，相应减少富春江电站发电量占比也由0.48‰提高至6.50‰，改扩建后的船闸运行用水量大幅提升，已超越灌溉取水成为影响可用发电水量的最重要因素。船闸改造前后发电影响统计见图1。

图1 船闸改造前后发电影响统计图

2017年船闸逐月运行统计见图2，2018年船闸逐月运行统计见图3。由图2～3可见，2018年通航闸次较2017年增长近85%，相应减少富春江电站发电量占比也由3.00‰提高至6.50‰，船闸影响日益凸显，船闸通航时间也由集中在4——7月向全年发展。

图2 2017年船闸逐月运行统计图

图3 2018年船闸逐月运行统计图

2.3 多年平均发电量影响分析

2.3.1 径流调节计算

为充分说明船闸对电站发电影响的多年平均情况，通过径流调节计算分析长系列来水数据，模拟发电和船闸运行工况，说明水电站发电量的前后变化。

富春江水利枢纽具有一定的日调节功能，应用水量平衡方程对径流系列进行逐时段的水库水量蓄泄计算，求出水库蓄水量和用水量的全过程，每一计算时段的水量平衡方程为：

式中：V1、V2分别为计算时段初及时段末的水库蓄水量，m3；Wi、W0分别为计算时段的水库来水量和用水量，m3。

日调节水库计算时段以小时为单位，假定已知时段初水库蓄水量V1及时段来水量Wi，按照富春江水电站兴利调度要求，由水量平衡方程求出时段水库用水量W0及时段末蓄水量V2。以上一时段末的水库蓄水量作为本时段初的水库蓄水量，即可顺序进行全系列调节计算。

水库用水过程分为船闸用水和水电站用水，船闸用水根据前述各工况日均通航闸次和单闸用水量计算，水电站发电量过程利用水轮机出力和发电公式计算[2]：

式（2）～（3）中：E为电站发电量，kW · h；K为出力系数；Q为电站发电引水流量，m3；H为发电水头，m；T为发电影响历时，h；W为发电用水，m3。

2.3.2 各工况计算成果

富春江船闸改造前后船闸运行规模和耗水量变化较大，同时2017年以来的试运行期与船闸设计通航量仍存在较大差距，分别计算船闸改造前、新船闸试运行期（即2017——2018年）以及船闸设计规模3种工况下多年平均电站发电量受船闸运行的影响。经调节计算：①富春江船闸改造前，因船闸通航用水影响而损失的发电用水0.11亿m3，受船闸影响而减少的年发电量37万kW · h，发电损失约占年发电量的0.44‰；②试运行期间，因船闸通航用水影响而损失的发电用水1.60亿m3，受船闸影响而减少的年发电量541万kW · h，发电损失约占年发电量的6.43‰；③船闸设计工况，因船闸通航用水影响而损失的发电用水3.75亿m3，受船闸影响而减少的年发电量1 370万kW · h，发电损失约占年发电量的15.19‰[3]。各运行工况下船闸对电站发电量的影响见表2。

表2 各运行工况下船闸对电站发电量的影响表

3 结 论

（1）富春江船闸经扩建改造后，船闸单次放水量以及运行频次均有大幅提升，船闸用水量有明显增加，减少富春江水电站可利用发电用水量，影响水电站发电量。随着内河通航需求增长，船闸用水需求将逐步增加，其对电站发电影响也将逐步增大。

（2）富春江水电站位于钱塘江中游河道上，属低水头大流量的日调节水电站，上下游水位相对稳定，电站发电流量主要受来水流量影响。富春江水电站多年平均入库水量290.20亿m3，其中可利用发电水量250.50亿m3。富春江船闸改造前其运行规模小，年用水量在1 000万m3左右，减少电站发电量37万kW · h，影响甚微；2016年船闸扩建改造后，目前船闸年用水量已增长至1.60亿m3左右，减少电站发电量541万kW · h，预计今后最大通航规模下，船闸年用水量将达3.75亿m3左右，减少电站发电量1 370万kW · h，达电站年发电量的15.19‰。

（3）钱塘江黄金水道的开发对沿线水利枢纽提出高标准的通航要求。随着船闸规模的增大以及通航频次的增加，船闸用水量在水电站入库径流中的比重将逐步增大，其影响也将逐步成为电站运行计划中需重点考虑的影响因素。水电与通航是水利枢纽的综合任务，在协调各功能以及各部门单位用水关系时，需统筹考虑，以促进水资源的高效利用。