東坪水電廠水庫騰庫操作分析

王偉

(五凌電力有限責(zé)任公司東坪水電廠，湖南 益陽413500)

東坪水電廠位于湖南省安化縣東坪鎮(zhèn)，上距柘溪水電站10 km，為柘溪水力發(fā)電廠(以下簡稱柘溪水電廠)的反調(diào)節(jié)水電站，下游為株溪口水電廠。壩址控制流域面積22 816 km2，占資水流域總面積的81.4%，多年平均流量為605 m3/s，年徑流量191 億m3。壩址以上流域洪水屬暴雨洪水，洪水特性與降雨特性相應(yīng)，4—10 月為汛期，其中5—7 月為主汛期。水庫總庫容1 950 萬m3，正常蓄水位96.50 m，相應(yīng)庫容1 480 萬m3，死水位92.00 m，相應(yīng)庫容560 萬m3，調(diào)節(jié)庫容920 萬m3。設(shè)計按50 年一遇設(shè)計洪水位為97.28 m，相應(yīng)流量11 900 m3/s。校核按200 年一遇校核洪水位為98.43 m，相應(yīng)流量13 900 m3/s。

1 東坪水電廠最佳騰庫水位

東坪水電廠為燈泡貫流式機(jī)組，屬于低水頭電站，在設(shè)計允許運行的水頭范圍內(nèi)，水頭(H)與功率(N)成正比，在相同功率情況下，水頭越高(不超過9 m，超過為廠家“不推薦運行區(qū)域”)機(jī)組耗水率越低，水能利用效率越高，因此一般情況下宜保持高水位運行，以提高發(fā)電水頭，增加發(fā)電效益。

根據(jù)表1 可知，當(dāng)機(jī)組發(fā)電水頭不低于6.5 m時，機(jī)組的最大出力可達(dá)到19 MW，且經(jīng)多年運行經(jīng)驗證明，此時機(jī)組運行工況良好;當(dāng)機(jī)組發(fā)電水頭小于6.5 m 時，機(jī)組的出力受到較大制約，隨著水頭的下降成幾何遞減，且水力振動加劇，運行工況較差。當(dāng)東坪水電廠以全出力方式進(jìn)行騰庫時，出庫流量在1 300 m3/s 左右，相應(yīng)的下游水位為89.35 m (如圖1)，當(dāng)上游水位降至95.8 m 時，機(jī)組的運行水頭為6.45 m。同時從庫區(qū)安全角度考慮，東坪水電廠安全騰庫效益最佳點為95.8 m。

表1 東坪水電廠流量與耗水率關(guān)系表

2 水庫騰庫時間計算

東坪水電廠壩址常年平均流量為605 m3/s，取電廠當(dāng)前入庫流量分別為100 m3/s 和600 m3/s 時，計算機(jī)組全出力騰庫所需時間。

式中 T 為騰庫時間，min;V 為有效騰庫庫容，萬m3;Q1為機(jī)組全出力流量，m3/s;Q2為當(dāng)前流量，m3/s。

東坪水電廠當(dāng)前入庫流量分別為100 m3/s 和600 m3/s 時，機(jī)組全出力騰庫所需時間關(guān)系見表2。當(dāng)入庫流量為100 m3/s 時，最快騰庫時間為22 min 左右，柘溪水電廠洪峰到達(dá)東坪水電廠壩址的時間約為20 ～30 min，因此當(dāng)入庫流量≤100 m3/s時東坪水電廠無需提前騰庫，騰庫工作可隨柘溪水電廠運行方式變化同時進(jìn)行，但介于東坪水電廠開機(jī)到帶滿負(fù)荷需要一個短暫過程，在騰庫時間上有一定的延誤，因此及時掌握柘溪水電廠開機(jī)情況至關(guān)重要 (多年經(jīng)驗結(jié)論，此種負(fù)荷變化幅度極為少見)。介于以上情形，東坪水電廠一般

表2 騰庫需要時間表

情況下騰庫都要提前進(jìn)行，具體時間計算如下:

式中 T 為騰庫時間，min;V 為有效騰庫庫容，萬m3;Q 為增加出庫流量，m3/s。不同流量下的騰庫時間見表3。

表3 不同流量下的騰庫時間表

3 騰庫可增發(fā)電量計算

3.1 不同水位下騰庫增發(fā)電量

東坪水電廠騰庫水位應(yīng)不低于95.8 m，在相應(yīng)的騰庫水位下，利用騰庫水量，可增發(fā)電量計算如下:

式中 N 為增發(fā)電量，kWh;Q 為騰庫水量，萬m3;b 為設(shè)計耗水率，m3/kWh。不同騰庫水位下可增發(fā)電量見表4。

表4 相應(yīng)的騰庫水位下可增發(fā)電量

計算可得電廠騰庫可增發(fā)電量W1為27 166 kWh。

3.2 騰庫水力損失

在騰庫過程中，庫水位相應(yīng)消落，水頭逐漸減小，在騰庫增發(fā)電量的同時將產(chǎn)生一部分水頭損失電量。騰庫水頭損失電量計算如下:

1)當(dāng)入庫流量600 m3/s 時，騰庫水位與時間的過程線如圖2 所示，水位從96.5 m 降至95.8 m，約需要40 min，水位下降過程線近似于直線。

2)當(dāng)柘溪水電廠以最大發(fā)電流量1 800 m3/s泄水時，東坪水電廠達(dá)到騰庫水位以后，水位從95.8 m 上漲至96.5 m，約需要54 min，如圖3 所示，水位上漲過程線仍近似于直線。

3)為便于計算騰庫和蓄水過程均取水頭平均值。騰庫水頭維系時間為騰庫時間加上蓄水時間。

4)當(dāng)東坪水電廠按當(dāng)前流量600 m3/s 達(dá)到騰庫水位后，如果柘溪水電廠馬上將下泄流量增加到1 800 m3/s，此時的水頭損失計算如下:

式中 N1為騰庫前機(jī)組出力，kW;H1為騰庫前水頭，m;Q1為騰庫前流量，m3/s;η1為 騰庫前機(jī)組效率。

式中 N2為騰庫后機(jī)組出力，kW;H2為騰庫后水頭，m;Q2為騰庫后流量，m3/s;η2為騰庫后機(jī)組效率。

式中 H1為騰庫前水頭，m;A1為騰庫前上游水位，m;C1為騰庫前下游水位，m。

式中 H2為騰庫后平均水頭，m;A2為騰庫過程平均上游水位，m;C2為騰庫后平均下游水位，m。

式中 W2為水頭損失電量，kWh;B 為機(jī)組臺數(shù)，臺;1.55 為騰庫水頭維系時間，h。

式中 W1為理想增發(fā)電量，kWh;W2為水頭損失電量，kWh;W3為實際增發(fā)電量，kWh。

①按正常水位運行:水頭H1= A1-C1(查表1)，H1=8.04 m;查圖1 得出其他參數(shù)代入公式(4)得:

由于東坪水電廠發(fā)電機(jī)額定出力為19 900 kW，因此在計算水頭損失時只能按19 900 kW 計算。

②按騰庫平均水位計算水頭H2=A2-C2(查圖2，3)，H2=6.8 m。查圖1 得出其他參數(shù)代入公式(5)得:

③W2= (19900 - 18976)× 4 × 1.55 =5728(kWh)

3.3 即時騰庫效益

即時騰庫:以最快速度進(jìn)行騰庫時，達(dá)到騰庫水位后，入庫隨即增加，并以最快的速度進(jìn)行蓄水。

依以上計算法得出不同流量下的即時騰庫效益，見表5。

表5 即時騰庫效率表

3.4 騰庫產(chǎn)生效益時段控制

騰庫所等待時間的計算:

式中 T 為可等待時間，h;W 為騰庫可增發(fā)電量，kWh;N 為當(dāng)前出力，kW。

由上式可計算得出預(yù)計騰庫流量下可等待時間，見表6。

表6 騰庫產(chǎn)生效益時段控制表

從表6 可知，當(dāng)騰庫后等待時間超過其相應(yīng)時間時，騰庫操作則可視為失敗，不但不能增加經(jīng)濟(jì)收益，反而會帶來損失。

4 結(jié)論

1)通過騰庫操作，東坪水電廠可增加一定的發(fā)電效益，電廠上距10 km 的柘溪水電廠為湖南電網(wǎng)的主要調(diào)頻電廠，上游洪水預(yù)測時間很短，在騰庫實際應(yīng)用中很難把握騰庫啟動時間，因此達(dá)到騰庫啟動條件時首先必須以最快速度騰庫，方能保證騰庫到位，其次在實際運用中對上游來水情況的經(jīng)驗積累也至關(guān)重要。

2)由于徑流式水電廠屬于低水頭電廠，水位變化對于機(jī)組效率影響較大，在實際騰庫操作中，啟動時間稍有提前便會造成騰庫損失，變成一次失敗的行動。因此，騰庫時間宜遲不宜早，沒有把握，不可輕易啟動騰庫。

3)多年經(jīng)驗證明，如遇庫區(qū)較大暴雨，區(qū)間瞬間產(chǎn)流較大，很難達(dá)到預(yù)期騰庫水位。因當(dāng)?shù)亟?jīng)常出現(xiàn)局部較大暴雨，庫區(qū)形成小洪峰時，不能按照騰庫分析模板生搬硬套，以保持高水位運行更為經(jīng)濟(jì)。

4)鑒于下游株溪口水電廠對東坪水電廠尾水回水頂托，可采取2 個廠聯(lián)合調(diào)度騰庫，但在時間把握上需更加謹(jǐn)慎，如果東坪水電廠騰庫失敗，也會導(dǎo)致株溪口水電廠騰庫失敗。一旦找準(zhǔn)時機(jī)，進(jìn)行兩個廠聯(lián)合調(diào)度騰庫時，株溪口水電廠應(yīng)比東坪水電廠提前40 min，可保證在株溪口水電廠騰庫水頭損失不變的情況下，減小東坪水電廠騰庫時的水頭損失，增加2 個廠聯(lián)合騰庫效益。

〔1〕沙錫林. 貫流式水電站〔M〕. 北京:中國水利水電出版社.1999.

〔2〕李煒. 水力計算手冊(第2 版) 〔M〕. 北京:中國水利水電出版社. 2006.

〔3〕張吉波. 燈泡貫流式機(jī)組廠房的水頭損失計算〔J〕. 企業(yè)科技與發(fā)展. 2008 (14).

〔4〕東坪水電廠. 發(fā)電經(jīng)濟(jì)運行管理規(guī)定〔S〕. 2010.