亭子口機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行發(fā)電調(diào)度方式淺析

張建明

(嘉陵江亭子口水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

1 工程概況

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，下距蒼溪縣城約15km，是嘉陵江干流開(kāi)發(fā)中唯一的控制性工程，以防洪、灌溉及城鄉(xiāng)供水、發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)，并具有攔沙減淤等功能。水庫(kù)正常蓄水位458.00m，總庫(kù)容40.67億m3，預(yù)留防洪庫(kù)容10.6億m3(非常運(yùn)用時(shí)為14.4億m3)，可灌溉農(nóng)田19.48萬(wàn)hm2。電站裝機(jī)1100MW(4×275MW)，保證出力187MW～163MW，設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量(31.75～29.51)億kW·h(不灌溉～全灌溉)，是川東北地區(qū)規(guī)模最大的具有年調(diào)節(jié)能力的大型水電電源。

2009年11月25日亭子口水利樞紐工程正式開(kāi)工，2010年1月23日大江截流，2013年6月18日下閘蓄水，8月9日首臺(tái)機(jī)組72h試運(yùn)行成功、正式并網(wǎng)發(fā)電，2014年5月1日，實(shí)現(xiàn)全部機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

2 亭子口水利樞紐發(fā)電調(diào)度

2.1 發(fā)電調(diào)度任務(wù)

亭子口水利樞紐發(fā)電調(diào)度的任務(wù)是在保證亭子口水電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行前提下，服從防洪調(diào)度，并協(xié)調(diào)與灌溉和供水、航運(yùn)等方面的關(guān)系，利用興利庫(kù)容，承擔(dān)四川電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。

2.2 發(fā)電調(diào)度原則

2.2.1 發(fā)電調(diào)度方案制定應(yīng)以電網(wǎng)和電站安全運(yùn)行為前提，并努力做到經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

2.2.2 亭子口水利樞紐電站下游河段為通航河段，電站按電網(wǎng)要求日調(diào)節(jié)下泄流量的水力流態(tài)應(yīng)符合河道通航要求，避免和減少電站調(diào)峰運(yùn)行對(duì)航運(yùn)的影響。

2.2.3 發(fā)電調(diào)度應(yīng)服從防洪調(diào)度，在汛期要嚴(yán)格控制水庫(kù)運(yùn)行水位。

2.3 調(diào)度方式

2.3.1 亭子口水利樞紐電站發(fā)電調(diào)度方式根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，一般應(yīng)盡可能維持高水位運(yùn)行，使水電站發(fā)電水頭較高?？赡馨l(fā)生棄水時(shí)，要及時(shí)加大出力充分利用水能資源;當(dāng)遭遇特枯水年時(shí)，應(yīng)降低出力運(yùn)行，減少對(duì)四川省電網(wǎng)的影響。

2.3.2 根據(jù)上游來(lái)水，結(jié)合亭子口水利樞紐水庫(kù)特點(diǎn)，將水庫(kù)調(diào)度圖劃分成加大出力區(qū)、保證出力區(qū)和降低出力區(qū)。各運(yùn)行區(qū)調(diào)度方式如下:

2.3.2.1 加大出力區(qū)。在豐水期或遇豐水年份，水電站按加大出力至預(yù)想出力工作，以減少棄水，獲得更多的電量。

2.3.2.2 保證出力區(qū)。水電站可按保證出力工作，向系統(tǒng)提供保證的容量和電量。

2.3.2.3 降低出力區(qū)。在遭遇特枯水年份時(shí)，水電站適當(dāng)降低出力工作，以減輕對(duì)電力系統(tǒng)供電的影響。

3 亭子口水利樞紐發(fā)電運(yùn)行實(shí)際和問(wèn)題

3.1 下游最小需水量制約

根據(jù)亭子口水利樞紐的設(shè)計(jì)任務(wù)及所在河段下游取水設(shè)施、通航所需最小流量和下游河道所需最小生態(tài)用水的要求，2009年1月國(guó)家環(huán)境保護(hù)部“關(guān)于嘉陵江亭子口水利樞紐環(huán)境影響報(bào)告書(shū)的批復(fù)”，要求:“制定水庫(kù)蓄水和運(yùn)行調(diào)度環(huán)保方案，建立壩下生態(tài)流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)電站承擔(dān)發(fā)電任務(wù)或生態(tài)放水等方式，下泄不小于120m3/s生態(tài)流量”。

亭子口水利樞紐壩址處多年平均流量598m3/s，最小下泄流量(120m3/s)約占全年來(lái)水的20%，因此若出現(xiàn)全廠停機(jī)，則必須開(kāi)啟閘門(mén)泄水，這將嚴(yán)重影響水電廠的發(fā)電效益。亭子口水電廠全廠四臺(tái)發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量275MW，單機(jī)額定流量472m3/s，遠(yuǎn)大于最小下泄流量的要求，為解決來(lái)水偏枯卻又不得不為確保生態(tài)流量而開(kāi)啟閘門(mén)泄水的問(wèn)題，機(jī)組不可避免會(huì)出現(xiàn)低負(fù)荷運(yùn)行的情況。

3.2 川北電網(wǎng)特性的制約

四川省水力資源蘊(yùn)藏量豐富，四川電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)以水電為主，但缺乏有較好調(diào)節(jié)性能的大型水電站，同時(shí)川東北地區(qū)電網(wǎng)相對(duì)薄弱，缺乏支撐的電源點(diǎn)。亭子口水利樞紐擁有一座裝機(jī)容量達(dá)1100MW的年調(diào)節(jié)電站，是四川電網(wǎng)的骨干電源之一，是川東北地區(qū)規(guī)模最大的具有年調(diào)節(jié)能力的大型水電電源，可有效地緩解川東北地區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰容量不足的緊張局面，承擔(dān)四川電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)?！端拇娋W(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電廠無(wú)功電壓管理規(guī)定》規(guī)定，具有水庫(kù)調(diào)節(jié)能力的水電廠，在蓄水發(fā)有功和不發(fā)有功時(shí)段，應(yīng)根據(jù)本廠高壓母線的電壓情況，開(kāi)機(jī)調(diào)相(滯相或進(jìn)相)運(yùn)行，保證本廠高壓母線電壓運(yùn)行在電壓曲線規(guī)定的范圍之內(nèi)。

投產(chǎn)發(fā)電以來(lái)，按照四川電網(wǎng)要求，亭子口水電廠機(jī)組夜間不能全停，須空載或低負(fù)荷運(yùn)行，一定程度限制了年調(diào)節(jié)水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能，不能將有限的電能充分利用到最需要的高峰時(shí)段。

3.3 電價(jià)結(jié)構(gòu)及電力市場(chǎng)分析

為進(jìn)一步發(fā)揮價(jià)格的杠桿作用，引導(dǎo)用戶避峰填谷使用電力資源，更好地調(diào)整用電負(fù)荷，調(diào)動(dòng)發(fā)電企業(yè)枯水季節(jié)和用電高峰時(shí)段的發(fā)電積極性，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，四川電網(wǎng)實(shí)行豐枯、峰谷分時(shí)電價(jià)。將一年分為豐水期、枯水期、平水期三個(gè)季節(jié);將一日分為峰、平、谷三個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段時(shí)間長(zhǎng)度相等，均為8小時(shí);豐枯電價(jià)、峰谷電價(jià)在基準(zhǔn)電價(jià)基礎(chǔ)上按一定比例上下浮動(dòng)。

近年來(lái)，四川水電全面提速，呈現(xiàn)出全流域開(kāi)發(fā)局面，造成我省發(fā)電能力過(guò)剩，而這一局面短期難以改變。為了適應(yīng)四川電力發(fā)展的新格局，積極開(kāi)展不同邊界條件下的電量結(jié)構(gòu)分配研究、制定科學(xué)合理的發(fā)電調(diào)度運(yùn)行方式十分必要。

4 發(fā)電效益對(duì)比計(jì)算方法

4.1 引用資料與計(jì)算條件

4.1.1 機(jī)組出力～水頭～流量關(guān)系曲線

機(jī)組出力～水頭～流量曲線，是在廠家提供的預(yù)期真機(jī)效率曲線基礎(chǔ)上，采用與機(jī)組超聲波流量計(jì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比修正后得到的曲線。

4.1.2 計(jì)算時(shí)段電價(jià)資料

計(jì)算時(shí)段電價(jià)，采用省電力公司財(cái)務(wù)部提供的亭子口水電廠電價(jià)資料。

4.1.3 計(jì)算條件

亭子口水利樞紐電站機(jī)組額定水頭73m，機(jī)組正常運(yùn)行水頭范圍為62.65m(凈水頭)～85.40m(毛水頭)，有效發(fā)電水頭較高。發(fā)電機(jī)組帶3萬(wàn)kW、187MW(保證出力)、275MW(單機(jī)容量)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，尾水位上下相差均約0.5m，對(duì)水頭影響較小，在出入庫(kù)穩(wěn)定條件下以日為時(shí)段計(jì)算時(shí)可以忽略。

4.2 發(fā)電量及發(fā)電效益計(jì)算公式

式中，Ep、Ef、Eg分別為平段、峰段、谷段時(shí)間的發(fā)電量(萬(wàn)kW.h);k為峰谷電量比，即峰段發(fā)電量與谷段發(fā)電量的比值;N0為保證出力(萬(wàn)kW);Nl為谷段時(shí)間較差工況運(yùn)行時(shí)的較低出力(萬(wàn)kW);Tg為谷段時(shí)間較差工況運(yùn)行時(shí)間(h)。按國(guó)家計(jì)委頒布的《四川省電網(wǎng)豐枯、峰谷電價(jià)暫行規(guī)定》中的劃分，四川電網(wǎng)谷段時(shí)間為8h;Ji為峰段、平段、谷段上網(wǎng)電價(jià)(元/kW.h);Y為不同運(yùn)行方式的發(fā)電效益(萬(wàn)元);

4.3 低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)發(fā)電水量計(jì)算

水電站水輪發(fā)電機(jī)組效率隨發(fā)電水頭高低和負(fù)荷大小而變化，在同一水頭下，帶較低負(fù)荷時(shí)，機(jī)組在小開(kāi)度區(qū)運(yùn)行，相對(duì)運(yùn)行工況較差，發(fā)電耗水率增大，與按保證出力運(yùn)行相比，同樣的發(fā)電量需要消耗更多的水量。

計(jì)算公式如下:

式中，ΔW為全天按固定保證出力運(yùn)行與不同峰谷電量比情況下發(fā)電水量差(萬(wàn)m3);W0為按保證出力運(yùn)行的日發(fā)電水量(萬(wàn)m3);Ql、Q0分別為低負(fù)荷、保證出力運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)電流量，可通過(guò)機(jī)組NHQ曲線查取(m3/s);Tfl、Tf分別為機(jī)組在峰段低負(fù)荷和保證出力運(yùn)行時(shí)的時(shí)間。

4.4 等水量情況下發(fā)電效益計(jì)算

不同運(yùn)行方式所消耗的水量不同，為比較不同運(yùn)行方式發(fā)電效益的高低，以全天保證出力時(shí)消耗的水量為基準(zhǔn)。通過(guò)調(diào)整平段時(shí)間發(fā)電量的大小，以獲得不同運(yùn)行方式在等水量情況下發(fā)電效益的大小。

式中，Yd為與全天按固定保證出力運(yùn)行所耗水量相同時(shí)，按不同峰谷電量比運(yùn)行方式所獲得的發(fā)電效益(萬(wàn)元);ΔY為不同運(yùn)行方式發(fā)電效益與全天按固定保證出力運(yùn)行發(fā)電效益的差值。

5 計(jì)算成果及分析

按照前面的計(jì)算方法，設(shè)定以下幾種運(yùn)行方式進(jìn)行發(fā)電效益測(cè)算。

基準(zhǔn)運(yùn)行方式:機(jī)組全天按固定負(fù)荷187MW運(yùn)行。

運(yùn)行方式1:假定谷段出力30MW，平段1～2臺(tái)機(jī)組保證出力，峰段根據(jù)k值按30MW、187MW兩種出力進(jìn)行分配，分別對(duì)k=4、3、2、1進(jìn)行計(jì)算;

運(yùn)行方式2:假定谷段出力40MW，平段1～2臺(tái)機(jī)組保證出力，峰段根據(jù)k值按30MW、187MW兩種出力進(jìn)行分配，分別對(duì)k=4、3、2、1進(jìn)行計(jì)算;

運(yùn)行方式3:假定谷段出力50MW，平段1～2臺(tái)機(jī)組保證出力，峰段根據(jù)k值按30MW、187MW兩種出力進(jìn)行分配，分別對(duì)k=4、3、2、1進(jìn)行計(jì)算;

運(yùn)行方式4:假定谷段出力60MW，平段1～2臺(tái)機(jī)組保證出力，峰段根據(jù)k值按30MW、187MW兩種出力進(jìn)行分配，分別對(duì)k=4、3、2、1進(jìn)行計(jì)算。

各種運(yùn)行方式與基準(zhǔn)運(yùn)行方式相比發(fā)電效益差值見(jiàn)表1。

表1 不同運(yùn)行方式與基準(zhǔn)運(yùn)行方式發(fā)電效益差值單位:萬(wàn)元

根據(jù)同樣的計(jì)算方法，對(duì)枯水期機(jī)組在不同水頭下的不同運(yùn)行方式進(jìn)行試算，得到峰、谷段低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)與全天保證出力運(yùn)行產(chǎn)生的發(fā)電效益持平時(shí)所需達(dá)到的最低峰谷電量比值繪制曲線見(jiàn)1。

圖1 不同水頭下最低峰谷電量比曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出，谷段機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷越小，發(fā)電效益越差，應(yīng)盡可能在高峰安排發(fā)電;機(jī)組在谷段運(yùn)行負(fù)荷一定時(shí)，隨著峰谷電量比值的增大，高峰時(shí)段的電價(jià)差所獲得的效益可以一定程度彌補(bǔ)因機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行損失的效益;峰谷電量比值至少高于2時(shí)，高峰時(shí)段的電價(jià)差所獲得的效益，才隨著負(fù)荷的變化逐步與基準(zhǔn)運(yùn)行方式產(chǎn)生的發(fā)電效益持平。

針對(duì)機(jī)組夜間(峰、谷段)低負(fù)荷運(yùn)行及峰谷分時(shí)計(jì)價(jià)的實(shí)際情況，本次以日為時(shí)段，選擇枯水期時(shí)全天按保證出力(187MW)固定負(fù)荷運(yùn)行為基本方案，以不同峰谷電量比為依據(jù)對(duì)日發(fā)電量進(jìn)行分配，對(duì)比測(cè)算不同運(yùn)行方式下的發(fā)電效益，得出因全廠全天不能全停而夜間低負(fù)荷運(yùn)行對(duì)發(fā)電效益較為不利的現(xiàn)狀下，峰段電價(jià)差獲得的效益與機(jī)組在低效率工況運(yùn)行損失的效益之間的平衡關(guān)系。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，電力市場(chǎng)新局面對(duì)發(fā)電企業(yè)提出了更高的要求，要做到關(guān)鍵時(shí)刻(如調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等)能發(fā)電，而且要發(fā)優(yōu)質(zhì)電。因此，開(kāi)展不同邊界條件下的電量結(jié)構(gòu)分配研究，制定科學(xué)合理的發(fā)電調(diào)度運(yùn)行方式十分必要。理論和實(shí)踐表明，科學(xué)合理地利用機(jī)組特性和電價(jià)特點(diǎn)進(jìn)行發(fā)電優(yōu)化調(diào)度所能增加的收益十分可觀。隨著亭子口水利樞紐工程的投產(chǎn)運(yùn)行，還需在以后的實(shí)際調(diào)度工作不斷總結(jié)，持之有效地進(jìn)行探索，開(kāi)展優(yōu)化調(diào)度工作，充分發(fā)揮工程的綜合效益。