新豐江水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

何銳鋒

（粵電新豐江發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 河源 517021）

新豐江水電站是由我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自行施工、自行安裝的大型水電站。1958年7月15日正式動(dòng)工，1959年10月20日下閘蓄水，1960年6月15日第一臺(tái)機(jī)組開(kāi)始試運(yùn)行，同年10月25日并網(wǎng)，接著2號(hào)機(jī)組（1961-10-04），3號(hào)機(jī)組（1966-05-03），4號(hào)機(jī)組（1977-12-29，當(dāng)時(shí)限制出力7.25萬(wàn)kW）相繼并網(wǎng)發(fā)電。新豐江水電站對(duì)應(yīng)于1960年技設(shè)97%設(shè)計(jì)保證率的保證出力為11.90萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量11.72億kW·h，1983年復(fù)核，設(shè)計(jì)保證率為95%，相應(yīng)保證出力為9.00萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量為9.00億kW·h，1991年能量指標(biāo)復(fù)核，相應(yīng)于設(shè)計(jì)保證率95%的保證出力為9.20萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量為9.02億kW·h，2000年能量指標(biāo)復(fù)核，相應(yīng)于設(shè)計(jì)保證率90%的保證出力為9.23萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量為8.60億kW·h，實(shí)際多年平均發(fā)電量為8.26億kW·h。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力生產(chǎn)的供需矛盾也日見(jiàn)突出，在國(guó)家加大新的能源、電網(wǎng)投資、建設(shè)的同時(shí)，如何充分發(fā)揮電站的潛能，提高其水能利用率，已引起我們企業(yè)的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，由于新豐江水電廠在省內(nèi)的裝機(jī)容量當(dāng)中所占的比例逐年下降，新豐江水電廠在廣東電網(wǎng)中的作用已經(jīng)由擔(dān)任基荷轉(zhuǎn)到擔(dān)任調(diào)峰來(lái)，因此在水耗方面出現(xiàn)一些新情況，通過(guò)現(xiàn)狀分析，尋求解決廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 新豐江電廠機(jī)組現(xiàn)狀運(yùn)行分析

1.1 機(jī)組啟停成本

影響機(jī)組啟停成本的因素比較復(fù)雜，可概括為三個(gè)主要方面：?jiǎn)⑼＿^(guò)程中水量損失，機(jī)組維護(hù)成本增加值和設(shè)備服務(wù)年限降低引起的損失。機(jī)組啟停過(guò)程中不發(fā)電但存在耗水，并且維護(hù)成本會(huì)隨啟停次數(shù)增加，這兩部分損失可通過(guò)試驗(yàn)或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)獲得。據(jù)有關(guān)研究表明，一般而言每臺(tái)機(jī)組停一次約降低運(yùn)行壽命10～15 h，而每年啟動(dòng)150次以上的機(jī)組運(yùn)行壽命甚至降低20%，可將每啟停一次機(jī)組維護(hù)成本增加值和設(shè)備服務(wù)年限降低的成本采用下列公式可折算為水量Ci

式中QW為啟停耗水量，M為機(jī)組啟停導(dǎo)致的維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備壽命損失成本，η為機(jī)組設(shè)計(jì)效率，H為設(shè)計(jì)水頭，P為電站平均上網(wǎng)電價(jià)。新豐江電廠機(jī)組為保證電網(wǎng)安全和電網(wǎng)的電源質(zhì)量進(jìn)行調(diào)峰調(diào)頻，開(kāi)停頻繁，機(jī)組出力變化幅度大，一天時(shí)間內(nèi)，全廠最高出力達(dá)到了29萬(wàn)kW，最低只有2萬(wàn)kW，每臺(tái)機(jī)組開(kāi)停機(jī)達(dá)到兩次以上。

1.2 機(jī)組可用性

電站實(shí)際生產(chǎn)中存在部分機(jī)組不能投入使用的情況，如機(jī)組承擔(dān)備用及檢修等，因此廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中應(yīng)該考慮機(jī)組的可用性，對(duì)于不可用機(jī)組，直接令其出力為零，也可用懲罰函數(shù)的思想，對(duì)其流量—出力關(guān)系進(jìn)行修正，即

式中β為機(jī)組的可用性系數(shù)：機(jī)組可用時(shí)β為零，不可用時(shí)β為1，B為懲罰量。

1.3 固定開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)合理負(fù)荷分配優(yōu)化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

實(shí)行水電廠內(nèi)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減少機(jī)組在電力系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)備用的運(yùn)行時(shí)間和機(jī)組空載運(yùn)行率，在保證出力的情況下，避開(kāi)機(jī)組振動(dòng)區(qū)，提高單機(jī)負(fù)荷。如新豐江水電廠每臺(tái)機(jī)組的振動(dòng)區(qū)一般為3萬(wàn)～6萬(wàn)kW，可通過(guò)減少發(fā)電機(jī)組發(fā)電，提高單機(jī)負(fù)荷率從而使新豐江水電廠的機(jī)組處于最優(yōu)工況運(yùn)行，開(kāi)展機(jī)組間負(fù)荷的最優(yōu)分配。當(dāng)電網(wǎng)中某個(gè)電廠中機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，具有AGC控制功能中調(diào)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)可使水電廠中的其他機(jī)組自動(dòng)、實(shí)時(shí)地頂上去，減少了機(jī)組帶病作業(yè)的幾率。由于新豐江水電廠是廣東電網(wǎng)主要的調(diào)峰調(diào)頻電廠之一，如果通過(guò)省調(diào)度中心，調(diào)度計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的EMS和AGC控制流程可自動(dòng)優(yōu)化分配機(jī)組出力任務(wù)。這樣無(wú)論是對(duì)延長(zhǎng)機(jī)組的壽命，還是對(duì)降低發(fā)電耗水率和生產(chǎn)運(yùn)行成本，都具有十分重要的作用。

由于新豐江水電廠發(fā)電控制采用AGC系統(tǒng)，開(kāi)機(jī)調(diào)度權(quán)在省中調(diào)，所以只研究固定開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)的優(yōu)化分析，為了便于研究，故選各臺(tái)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間一樣的2007年3月6日的運(yùn)行情況進(jìn)行分析：

實(shí)際運(yùn)行情況：水頭64.32 m，實(shí)際耗水率9.01 m3/s·kW·h，總最大負(fù)荷10.4萬(wàn)kW，平均負(fù)荷8.18萬(wàn)kW，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)際運(yùn)行情況表

由上面可知道，1號(hào)、3號(hào)機(jī)組可調(diào)出力和可以滿足實(shí)際最大負(fù)荷的需要。

根據(jù)最優(yōu)化調(diào)度原理，各臺(tái)機(jī)組耗水率相等時(shí)為最優(yōu)，求得耗水率為9.0 m3/s·kW·h，可見(jiàn)在開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)一定的情況下，多機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的最優(yōu)分配負(fù)荷引起的節(jié)水效應(yīng)不明顯。提高負(fù)荷，固定1號(hào)、3號(hào)機(jī)組擔(dān)任共8.18萬(wàn)kW時(shí)，水頭不變，總可調(diào)最大出力15.06萬(wàn)kW，能滿足實(shí)際最大負(fù)荷10.4萬(wàn)kw的情況下，最優(yōu)負(fù)荷分配比最差負(fù)荷分配的耗水率少7.47-6.88=0.59 m3/s·kW·h，有一定的降低耗水率的作用，見(jiàn)表2。

表2 固定機(jī)組最優(yōu)和最差負(fù)荷分配表

以上數(shù)據(jù)根據(jù)公式：Q=P/(9.81η引η水η電H)計(jì)算所得。其中Q：發(fā)電流量,m3/s；P：出力,kW；η引：引水系統(tǒng)效率系數(shù),%；η水：水輪機(jī)效率系數(shù),%；η電：發(fā)電機(jī)效率系數(shù),%；H：水頭，m。

1.4 機(jī)組負(fù)荷提高優(yōu)化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

上游水位有所提高，下游水位與發(fā)電量也接近的情況下，水耗卻反而增加，見(jiàn)表3：

表3 2004年與1991年第一季度平均水位、發(fā)電量、發(fā)電用水對(duì)比表

主要原因分析：2004年3月相對(duì)1991年3月，平均負(fù)荷下降了一半；平均負(fù)荷不高，最高的3號(hào)機(jī)組才2.449 6萬(wàn)kW，比1991年3月最少負(fù)荷的3號(hào)機(jī)組3.542 4萬(wàn)kW還少1.046 4萬(wàn)kW。而2004年3月實(shí)際負(fù)荷極不均勻，2號(hào)機(jī)組最少負(fù)荷才帶0.17萬(wàn)kW(2號(hào)機(jī)組預(yù)想出力為5.8萬(wàn)kW)。

負(fù)荷敏感性分析：假設(shè)水頭一定，由平均負(fù)荷變化分析其敏感性，詳見(jiàn)表4，表5。

表4 原負(fù)荷的耗水率情況

假設(shè)負(fù)荷提高一倍后，其耗水率將減少8.63－6.95=1.68 m3/s·kW·h

由上面計(jì)算可知道，機(jī)組負(fù)荷提高一倍后，耗水率降低1.68 m3/s·kW·h，對(duì)水電廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響是非常明顯的。

1.5 提高發(fā)電水頭優(yōu)化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

提高發(fā)電水頭可以降低發(fā)電耗水率，所以汛末蓄高水位對(duì)于全年的高水頭運(yùn)行特別重要。由于以下三方面的原因，新豐江水庫(kù)1985年起沒(méi)有蓄至正常蓄水位。

圖1 水庫(kù)上游水位與耗水率關(guān)系圖

(1)由于新豐江電廠防洪限制水位進(jìn)行分期控制的影響，水庫(kù)水位從1985年實(shí)行分期防洪限制水位以來(lái)沒(méi)有達(dá)到過(guò)正常蓄水位。分期防洪限制水位是從最不利的情況下考慮的，而實(shí)際上極少發(fā)生這樣的洪水。新豐江電廠防洪限制水位采用三期控制：4～6月份為113～114 m；7～8月份為114～115 m；9～10月份為115～116 m；10月15日～次年4月15日為116 m。新豐江電廠4～6月份為主汛期，主要是鋒面型洪水，全年最大洪水67%發(fā)生在這個(gè)期間；7～10月份為后汛期，主要是臺(tái)風(fēng)型洪水，全年最大洪水17%發(fā)生在7月份，16%發(fā)生在8～9月份。115到116 m的庫(kù)容差為3.8億m3，要蓄到正常蓄水位就必須在9～10月份增加3.8億m3。而建庫(kù)后9月份的多年出庫(kù)水量為4.8億m3，所以，要蓄水到正常蓄水位必須當(dāng)年是連續(xù)豐水年或平水偏豐年且9月份的來(lái)水量必須達(dá)到8.6億m3左右且前期庫(kù)水位比較高。而建庫(kù)45年只有2年滿足這個(gè)條件，分別是1961年、1984年。由于條件極難滿足，以至水庫(kù)長(zhǎng)期不能蓄到正常蓄水位，水庫(kù)長(zhǎng)期處于低水頭運(yùn)行，造成水電廠耗水率偏高。

(2)調(diào)度中心對(duì)發(fā)電計(jì)劃的執(zhí)行力度對(duì)水位控制起決定性的作用。圖2為2007年1～8月份的發(fā)電計(jì)劃與實(shí)際發(fā)電量對(duì)比圖，從圖中可以看出，1～8月份是沒(méi)有一個(gè)按計(jì)劃發(fā)電的。

由于新豐江電廠擔(dān)任調(diào)鋒調(diào)頻，調(diào)度中心往往不能很好的執(zhí)行新豐江電廠上報(bào)的月發(fā)電計(jì)劃，造成月發(fā)電計(jì)劃和月實(shí)際發(fā)電量相差很大，如關(guān)系到水庫(kù)蓄水的5月份，電廠上報(bào)計(jì)劃為8 000萬(wàn)kW·h，實(shí)際發(fā)電量為13 243萬(wàn)kW·h，超計(jì)劃的65.5%。發(fā)電計(jì)劃和實(shí)際發(fā)電量這樣大的差別使得新豐江水電廠是無(wú)法控制庫(kù)水位的，也無(wú)法蓄水至正常蓄水位。

圖2 2007年1～8月發(fā)電計(jì)劃與實(shí)際電量對(duì)比圖

(3)豐水年的汛末沒(méi)有注意蓄水，造成庫(kù)水位沒(méi)有蓄至正常蓄水位就開(kāi)始下降了；另一方面，在遭遇豐水年時(shí)，供水期發(fā)電量過(guò)大，造成水位過(guò)快下降，影響了水庫(kù)下一年的水庫(kù)調(diào)度。

2 指導(dǎo)性意見(jiàn)

(1)通過(guò)理論計(jì)算結(jié)果表明，新豐江水電廠近年發(fā)電耗水率大大上升的主要原因?yàn)楸ＷC電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，擔(dān)任了電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻作用，機(jī)組啟停頻繁，多機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行，不利于實(shí)行廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。以后2號(hào)機(jī)組或其他機(jī)組增容改造時(shí)，應(yīng)根據(jù)1號(hào)水輪機(jī)增容改造成功的經(jīng)驗(yàn)上（設(shè)備能量指標(biāo)、穩(wěn)定性、抗空蝕性能良好，但在低出力段效率偏低），選擇轉(zhuǎn)輪時(shí)，力求建議廠家組織技術(shù)開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，尋求克服724轉(zhuǎn)輪在低出力段效率偏低缺點(diǎn)的措施。

(2)近年來(lái)，由于新豐江水電廠在省內(nèi)的裝機(jī)容量當(dāng)中所占的比例逐年下降，新豐江水電廠在廣東電網(wǎng)中作用已經(jīng)由擔(dān)任基荷轉(zhuǎn)到擔(dān)任調(diào)峰來(lái)。所以重要的是省電力調(diào)度中心要在滿足安全的前提下，提高電網(wǎng)負(fù)荷的預(yù)測(cè)精度，從而提高機(jī)組負(fù)荷，以降低耗水率；其次，由于AGC的關(guān)系，省電力調(diào)度中心直接對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制。所以必須進(jìn)行研究，使AGC程序應(yīng)用計(jì)算機(jī)快速進(jìn)行給定負(fù)荷優(yōu)化計(jì)算，選擇工作機(jī)組臺(tái)數(shù)和機(jī)組號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行機(jī)組間最優(yōu)負(fù)荷分配，并且避開(kāi)汽蝕、振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(3)新豐江水庫(kù)多年來(lái)不能很好利用調(diào)節(jié)庫(kù)容，水庫(kù)水位大部分時(shí)間偏低運(yùn)行。電廠要開(kāi)展發(fā)電計(jì)劃的優(yōu)化調(diào)度，有必要請(qǐng)有關(guān)科研單位對(duì)水庫(kù)水位動(dòng)態(tài)控制分析，在豐水年時(shí)汛期末要根據(jù)當(dāng)年來(lái)水調(diào)整月發(fā)電計(jì)劃，努力提高水位，汛期末要注意抬高水位，以保證枯水期的高水位運(yùn)行，通過(guò)與省調(diào)度中心密切溝通，建議省電力調(diào)度中心按照本電廠月計(jì)劃進(jìn)行發(fā)電。