烏溪江梯級水電站日運行方式中幾個問題的處理

李允軍,劉臣亮

(南京南瑞集團公司,江蘇 南京 210003)

本文研究對象為浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠。該廠為浙江省電網(wǎng)的主力調(diào)峰電廠之一,隸屬中國華電集團公司,是烏溪江流域的梯級開發(fā)水電廠,下轄湖南鎮(zhèn)水電站和黃壇口水電站。

通過對尾水位的控制、水頭損失和日典型負(fù)荷的研究,盡可能全面考慮不同因素對烏溪江梯級電站不同時期、不同時段類型的優(yōu)化調(diào)度方式的影響,提高梯級水能利用率,增加年平均發(fā)電量,使該梯級水庫在不同時期能更好地發(fā)揮經(jīng)濟、社會效益。

1 尾水位控制

1.1 問題描述

烏溪江梯級水電站分湖南鎮(zhèn)和黃壇口2級,湖南鎮(zhèn)有壩后式 (新廠房5號機組)和岸坡式(老廠房1～4號機組)2個廠房(梯級關(guān)系示意圖見圖1)。因此電站有3個尾水?dāng)嗝?湖南鎮(zhèn)新廠房尾水?dāng)嗝嬖谧钌嫌?湖南鎮(zhèn)5號機組滿負(fù)荷發(fā)電后老廠房尾水將提升0.3 m左右;對黃壇口而言,湖南鎮(zhèn)降低尾水位勢必會影響其上游水位,也降低了水頭和機組運行效率。

圖1 烏溪江流域電站梯級關(guān)系示意圖

1.2 湖南鎮(zhèn)尾水位控制

湖南鎮(zhèn)老機組,滿負(fù)荷發(fā)電流量45 m3/s,5號機組滿負(fù)荷發(fā)電時流量為130 m3/s,老廠房尾水位將提升0.3 m。

水能與電能關(guān)系式:

式中:N為電功率;K為效率系數(shù);H為水頭;Q為發(fā)電流量。

由式(1)可知,N與H成正比,所以增大水頭即可增加發(fā)電量。因此,增高水位0.3 m,則減小發(fā)電水頭,降低了發(fā)電效益。

目前研究的重點是5號機組發(fā)電流量對老廠房尾水位的影響及程度。以5號機組的發(fā)電流量作為第3個因子,在計算老廠房尾水時加以考慮,率定出老廠房尾水流量曲線[1-2](見圖2)。

圖2 老廠房尾水位流量曲線圖

計算過程中根據(jù)5號機組的發(fā)電流量在0～130 m3/s采用直線插值的方式,再根據(jù)老廠的發(fā)電流量計算老廠的尾水位,進而計算出水頭。老廠尾水流量對5號機組尾水位的影響可忽略不計。

2 引水系統(tǒng)的水頭損失

2.1 問題描述

輸水系統(tǒng)是水電站工程的重要組成部分,尤其是對于高水頭引水式電站,輸水系統(tǒng)的水頭損失計算顯得更加重要。水頭損失分為沿程水頭損失和局部水頭損失,對每個部分進行精確的水頭損失計算,為整個輸水系統(tǒng)設(shè)計和機電設(shè)計提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

在機組滿負(fù)荷發(fā)電時湖南鎮(zhèn)新、老機組的流量分別為130,45m3/s左右,黃壇口新、老機組的流量分別為100,35 m3/s左右,上游水位變化時稍有波動。

不同開機臺數(shù)情況下,發(fā)電流量和水頭損失的關(guān)系見表1。

表1 發(fā)電流量和水頭損失關(guān)系表

在不同臺數(shù)的機組組合下水頭損失的差別較大,在優(yōu)化調(diào)度時需加以考慮。

2.2 解決方法

對于日發(fā)電計劃運行方式的計算有出力計算和出庫流量計算2種,在計算過程中計算機組臺數(shù)和發(fā)電流量后,根據(jù)文獻(xiàn)[3]計算水頭損失,具體做法如下:

2.2.1 出力計算方式

該方式為已知水庫入庫流量、期初水位和出力過程等,計算出庫流量及水位過程,針對某計算時段,其計算步驟如下:

Step1:計算時段初庫容,并假設(shè)時段平均出庫流量;

Step2:根據(jù)水量平衡方程求出對應(yīng)的上游時段末水位;

Step3:計算上游時段平均水位 (時段初、末水位均值)、尾水位和水頭損失,進而求得時段凈水頭;

Step4:根據(jù)時段可用機組總臺數(shù)計算電站總預(yù)想出力,若給定出力大于總預(yù)想出力,則修改為總預(yù)想出力;

Step5:根據(jù)時段平均出力按當(dāng)前運行機組容量等比分配方式進行機組出力分配,當(dāng)機組出力大于預(yù)想出力或額定容量時,就按機組加載優(yōu)先順序加載機組重新計算;當(dāng)機組出力小于預(yù)想出力的70%時,則按機組停機優(yōu)先順序停機重新計算;

Step6:按Step5確定的開機臺數(shù)、類型、各機組出力和水頭,查對應(yīng)機組的NHQ曲線累加得時段平均發(fā)電流量;

Step7:根據(jù)累加的時段平均發(fā)電流量和開機臺數(shù),按照給定的公式計算水頭損失,返回Step3,直至滿足計算機組臺數(shù)和上次計算的機組臺數(shù)相同;

Step8:以發(fā)電流量作為出庫流量,若計算出庫流量與假設(shè)出庫流量的誤差絕對值不滿足精度要求,則重新假設(shè)出庫流量,返回Step2,直至滿足精度要求;

Step9:根據(jù)水量平衡方程求得時段末庫容、時段末水位。

2.2.2 出庫流量計算方式

該方式為已知水庫入庫流量、期初水位和出庫流量過程等,計算出力過程及水位過程,針對某計算時段,其計算步驟如下:

Step1:計算時段初庫容;

Step2:根據(jù)水量平衡方程計算時段末庫容,進而求得上游時段末水位;

Step3:計算上游時段平均水位 (時段初、末水位均值)、尾水位和水頭損失,進而求得時段凈水頭;

Step4:計算電站各可用機組預(yù)想出力,并求出相應(yīng)的滿發(fā)流量,累計得電站最大發(fā)電流量,若出庫流量超過電站最大發(fā)電流量,則按最大發(fā)電流量控制,多余部分調(diào)整為棄水流量;

Step5:根據(jù)時段平均發(fā)電流量,按當(dāng)前運行機組滿發(fā)流量 (當(dāng)前水頭下的額定流量)等比分配方式進行機組發(fā)電流量分配,當(dāng)機組發(fā)電流量大于滿發(fā)流量時,就按機組加載優(yōu)先順序加載機組重新分配;

Step6:根據(jù)水頭和以上分配的各機組發(fā)電流量,查各機組的NHQ曲線得各機組出力;

Step7:當(dāng)機組出力小于預(yù)想出力的70%時,則按機組停機優(yōu)先順序減少機組臺數(shù),返回Step5重新計算,否則轉(zhuǎn)入Step8;

Step8:根據(jù)機組臺數(shù)和總發(fā)電流量,計算水頭損失,返回Step3,直至前后2次計算的機組臺數(shù)相同;

Step9:累加各機組出力得該時段電站平均出力。

在優(yōu)化調(diào)度計算過程中,無論采用哪種計算模式,涉及到出力計算和出庫流量計算的,均可采用這2種方式計算引水系統(tǒng)的水頭損失。

3 日典型負(fù)荷的過程約束

3.1 問題描述

水電站在電力系統(tǒng)中除發(fā)揮電源端的供電作用外,由于其機組啟閉靈活、并網(wǎng)時間短等特點,作為浙江電網(wǎng)的主力調(diào)峰電廠,在汛期來水偏多時,湖南鎮(zhèn)和黃壇口機組承擔(dān)基荷或腰荷以防棄水,其余時間在電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、負(fù)荷備用中發(fā)揮了重要作用。因此,在考慮制定電網(wǎng)水電站群的日計劃運行方式時,不能簡單考慮使發(fā)電量最大,必須在保證電力系統(tǒng)安全的前提下使發(fā)電效益最大化。湖南鎮(zhèn)、黃壇口電站日計劃運行方式涉及面廣,從廠內(nèi)經(jīng)濟運行、中長期運行指導(dǎo)、電力電量平衡算法、優(yōu)化模型及算法等,到水力聯(lián)系、電網(wǎng)過網(wǎng)能力等約束,是一個多目標(biāo)、多維的求解過程,因此,概化系統(tǒng),建立適當(dāng)?shù)挠嬎隳Ｐ?尋求快捷、合理的計算方法,成為解決水電站群短期優(yōu)化調(diào)度的關(guān)鍵。

湖南鎮(zhèn)、黃壇口之間復(fù)雜水力聯(lián)系和電力聯(lián)系,日計劃運行方式的解算是多約束、多維的非線性問題,應(yīng)從水電站運行的特點和實用的角度出發(fā),探討水電站群基于電網(wǎng)日典型負(fù)荷的日計劃方式的制定方法。

3.2 日典型負(fù)荷

電網(wǎng)日典型負(fù)荷反映了電網(wǎng)中用戶的用電需求規(guī)律,在不同的時期具有不同的特性,同時指出了發(fā)電廠必須滿足的供電要求,日典型負(fù)荷反映了電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷情況和電力價值,即在高峰時段比低谷時段具有更高的電價。圖3為浙江電網(wǎng)夏季典型負(fù)荷示意圖。

圖3 浙江電網(wǎng)夏季日典型負(fù)荷示意圖

因此,水電應(yīng)在滿足電力系統(tǒng)安全運行約束的前提下,積極發(fā)揮機組的靈活性,參與調(diào)峰,使余留給火電的負(fù)荷更加平坦,在有利于火電機組平穩(wěn)運行的同時獲得更好的效益。

在水電站群日優(yōu)化運行方式中,期望在滿足系統(tǒng)安全運行約束和給定可用水量的前提下,尋求水電站群調(diào)峰電量最大、發(fā)電量盡可能多的目標(biāo),分為汛期和非汛期,分別對發(fā)電量最大和調(diào)峰電量最大進行求解[4-5]。

4 結(jié) 語

當(dāng)入庫來水較多時,模型將發(fā)揮水量利用優(yōu)先原則多發(fā)電,明顯減少總棄水量;當(dāng)入庫來水較少時,較好地利用水庫的調(diào)節(jié)庫容和可用水量,在滿足給定的約束條件下,盡可能安排電站在峰負(fù)荷時段運行;梯級電站間發(fā)揮庫容補償調(diào)節(jié)作用,可顯著提高整個梯級電站的發(fā)電量和調(diào)峰電量。由于現(xiàn)實系統(tǒng)的復(fù)雜性,需盡可能多地了解潛在影響運行方式的情況,如尾水位和水頭損失等,可能引起計算結(jié)果比實際結(jié)果偏大,在制定計劃時需盡可能地考慮。

日計劃方式與系統(tǒng)的特性密切相關(guān),由于受水庫特性、電力輸送能力、電網(wǎng)負(fù)荷需求、用戶操作習(xí)慣等約束,其制定的方法和流程可能不盡相同。基于日典型負(fù)荷,從以水定電的角度考慮電站調(diào)峰問題,來制定庫群日運行方式,結(jié)果能夠滿足汛期發(fā)電量最大和非汛期調(diào)峰電量最大等要求。由于日計劃運行方式涉及的因素較多,其基于靜態(tài)信息和約束條件制定出來的結(jié)果與實際存在一定的差距,需要在實際運用中不斷調(diào)整和完善。

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[5]成濤.湖南電網(wǎng)幾種典型負(fù)荷曲線的初步分析 [J].湖南電力,2000(4):20-24.