漢江流域梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行方式研究

張 睿，張利升，王學(xué)敏，楊海從

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢430010；2.漢江水利水電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，湖北武漢430048)

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漢江流域梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行方式研究

張 睿1，張利升1，王學(xué)敏1，楊海從2

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢430010；2.漢江水利水電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，湖北武漢430048)

為探索漢江流域梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行方式，在充分分析受電電網(wǎng)負(fù)荷特性的基礎(chǔ)上，擬定了潘口、小漩梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰模式，從堵河流域規(guī)劃和電站運(yùn)行2個方面擬定聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行方案。對梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰方案進(jìn)行求解，提出了基于廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的潘口、小漩梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰能力和調(diào)峰運(yùn)行方式。分析結(jié)果表明，依據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷需求合理控制梯級水電站調(diào)峰幅度，能夠有效提高水資源利用率和電站運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)電調(diào)與水調(diào)的雙贏。

梯級水電站；聯(lián)合調(diào)度；調(diào)峰運(yùn)行；漢江流域

0 引 言

充足的調(diào)峰能力是保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件[1]。堵河是漢江中上游南岸一級支流，在丹江口水利樞紐壩址上游約127.2 km處匯入漢江，是漢江第三大支流。根據(jù)《湖北堵河河流規(guī)劃報告》[2]，堵河流域中下游開發(fā)方案為“潘口(355 m)+小漩(264 m)+黃龍灘(247 m)”方案。目前，3個梯級水電站均已建成投產(chǎn)，并產(chǎn)生了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

潘口水電站位于湖北省竹山縣境內(nèi)，下距黃龍灘水電站約107.7 km，是堵河干流開發(fā)的控制性工程，在系統(tǒng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用。小漩水電站位于潘口水電站下游約10 km，為徑流式電站，以發(fā)電為主，兼顧改善庫區(qū)航運(yùn)，并對潘口水電站進(jìn)行反調(diào)節(jié)，有效提高了潘口水電站的調(diào)峰作用。潘口、小漩梯級水電站總發(fā)電裝機(jī)達(dá)550 MW。2個電站工程特性見表1。

針對梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰調(diào)度問題，已有的研究多集中在長江[3]、黃河[4]、清江[5]等流域梯級水電站中，漢江流域干支流梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰研究鮮有報道。隨著漢江堵河流域潘口、小漩梯級水電站的投入運(yùn)行，統(tǒng)一的開發(fā)運(yùn)營主體使潘口、小漩梯級聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行成為可能。潘口水電站規(guī)模較大，需要承擔(dān)更多的電網(wǎng)調(diào)度調(diào)峰任務(wù)，其運(yùn)行方式對十堰乃至湖北區(qū)域電力系統(tǒng)影響較大。工程轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行后，梯級防洪與興利、調(diào)峰與水資源高效利用之間的矛盾愈發(fā)突出?？茖W(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行水庫調(diào)度，可充分發(fā)揮潘口、小漩梯級水電站的綜合利用效益。因此，開展對潘口、小漩水電站聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行方式的研究工作十分必要。

表1 潘口、小漩水電站工程特性

水電站控制流域面積/km2正常蓄水位/m汛限水位/m死水位/m總庫容/億m3裝機(jī)容量/MW機(jī)組臺數(shù)/臺多年平均發(fā)電量/億kW·h調(diào)節(jié)性能潘口8950355347.633023.4500210.5年調(diào)節(jié)小漩9040264264261.30.45031.5日調(diào)節(jié)

本文以潘口、小漩梯級水電站為研究對象，分析受電電網(wǎng)負(fù)荷特性，提出梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰模式。從堵河流域規(guī)劃和電站實(shí)際運(yùn)行2個方面擬定聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行方案，通過聯(lián)合調(diào)峰方案模擬計(jì)算，分析梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰能力和效益規(guī)律，為潘口、小漩梯級水電站的聯(lián)合運(yùn)行提供借鑒。

1 梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰模式

1.1 湖北電網(wǎng)負(fù)荷特性

湖北電網(wǎng)地理位置特殊，是三峽外送的起點(diǎn)、西電東送的通道、南北互供的樞紐、全國聯(lián)網(wǎng)的中心[6]。截至2014年年底，湖北省全口徑裝機(jī)容量為58 961.1 MW，網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)調(diào)總裝機(jī)容量為54 772.3 MW。其中，水電32 646 MW。2014年，湖北統(tǒng)調(diào)電廠完成發(fā)電量1 168.51億kW·h。其中，統(tǒng)調(diào)水電廠完成發(fā)電量307.21億kW·h[7]。

湖北電網(wǎng)日負(fù)荷特性參數(shù)在季節(jié)分布上的特點(diǎn)是夏季大、冬季??；日負(fù)荷曲線形狀的特點(diǎn)是早晚雙高峰，一般情況下晚高峰為日最大負(fù)荷，夏季日最大負(fù)荷從晚高峰向午高峰轉(zhuǎn)移的趨勢明顯。預(yù)計(jì)未來日負(fù)荷曲線的這些特點(diǎn)將繼續(xù)保持。根據(jù)湖北電網(wǎng)2014年實(shí)測負(fù)荷及《湖北電網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》[8]，湖北電網(wǎng)最大負(fù)荷日典型負(fù)荷見圖1。其日負(fù)荷呈現(xiàn)以下特性：

(1)不同時期負(fù)荷曲線形狀基本呈現(xiàn)雙峰形狀。

(2)電網(wǎng)的晚高峰比早高峰略高，早高峰持續(xù)時間稍長，圖形上略顯圓潤。

(3)早高峰出現(xiàn)時間大約在11∶30左右，晚高峰出現(xiàn)時間大約在21∶00～22∶00之間，且持續(xù)時間較短。

圖1 湖北電網(wǎng)最大負(fù)荷日典型負(fù)荷

1.2 調(diào)峰模式

潘口水電站為湖北電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)水電廠，通過1回500 kV線路接入500 kV十堰變電站，電力通過十堰與襄陽的輸電通道將電力輸送至湖北電網(wǎng)。根據(jù)潘口水電站電網(wǎng)接入方式，潘口水電站電能主要在湖北電網(wǎng)進(jìn)行電能消納。根據(jù)湖北電網(wǎng)日典型負(fù)荷特性，對不同出力段運(yùn)行時間稍作調(diào)整，即8∶00～12∶00為早峰時段；18∶00～22∶00為晚峰時段；負(fù)荷低谷出現(xiàn)在23∶00～次日7∶00；其他時段為腰荷時段(平段)，峰谷腰負(fù)荷時間各占1/3。以下稱這種調(diào)峰模式為“湖北調(diào)峰模式”。

2 梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰方案

綜合分析潘口、小漩梯級水電站實(shí)際運(yùn)行需求，擬定其聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行原則，提出基于廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的潘口、小漩梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行方案。

2.1 調(diào)峰原則

2.1.1 滿足下游用水要求

根據(jù)堵河流域規(guī)劃，潘口水電站下游用水要求分為生產(chǎn)、生活用水和生態(tài)用水。生產(chǎn)、生活用水部門主要是下游竹山縣城，折算成取水流量分別為0.19 m3/s和0.3 m3/s。潘口水電站壩址下游只需考慮該河段內(nèi)生態(tài)最小需水量要求，計(jì)算求得壩址下游應(yīng)維持的生態(tài)用水流量為16.4 m3/s。綜合上述因素，潘口水電站下游生產(chǎn)、生活及河道環(huán)境生態(tài)用水流量為16.7 m3/s。因此，潘口、小漩梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行時小漩下泄流量不應(yīng)低于16.7 m3/s。

2.1.2 電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

需要考慮機(jī)組特性對調(diào)峰的影響。水輪發(fā)電機(jī)組存在不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，在運(yùn)行中應(yīng)盡量避開，增減負(fù)荷過程中應(yīng)盡快越過不穩(wěn)定區(qū)，以保證安全運(yùn)行。同時，為提高梯級水電站的調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷任務(wù)下達(dá)后快速制定電廠調(diào)峰運(yùn)行方案，本文以發(fā)電耗水量最小為目標(biāo)，建立廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，通過動態(tài)規(guī)劃法對模型進(jìn)行求解，預(yù)先計(jì)算出所有機(jī)組開機(jī)情形下最優(yōu)負(fù)荷分配表，即最優(yōu)動力特性表，以此計(jì)算任意機(jī)組組合情形下的最優(yōu)負(fù)荷分配。

2.1.3 避免棄水調(diào)峰

一般情況下，電站不進(jìn)行棄水調(diào)峰。本文研究的目的就是在滿足生態(tài)用水要求的前提下，確定潘口水電站合理的調(diào)峰幅度以及小漩水電站反調(diào)節(jié)運(yùn)行方式，充分發(fā)揮潘口水電站巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時，當(dāng)潘口水電站調(diào)峰運(yùn)行時，原則上不應(yīng)導(dǎo)致反調(diào)節(jié)方式運(yùn)行的小漩水電站棄水。

表2 湖北調(diào)峰模式下潘口水電站調(diào)峰幅度

水庫水位/m不同發(fā)電流量(m3/s)下的建議調(diào)峰幅度/萬kW不同發(fā)電流量(m3/s)下的最大調(diào)峰幅度/萬kW1002003004005006001002003004005006003307.6022.8036.0035.850.000.007.6022.8036.0035.8527.0514.633358.6024.6039.4239.340.000.008.6024.6039.4239.3425.1212.103409.6026.6042.8032.200.000.009.6026.6042.8041.6124.659.8734510.4028.6045.8034.000.000.0010.4028.6045.8042.9025.148.6335011.4030.2048.6036.600.000.0011.4030.2048.6041.3322.735.6035512.2032.0050.9137.770.000.0012.2032.0050.9137.7718.130.00

2.2 聯(lián)合調(diào)峰方案擬定

鑒于以上認(rèn)識，本次梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行研究將調(diào)峰方案擬定如下：在保障梯級下游用水安全的前提下，當(dāng)發(fā)電流量較小時，潘口水電站盡其可能承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)；發(fā)電流量較大時，應(yīng)避免調(diào)峰造成棄水，適當(dāng)承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)；當(dāng)發(fā)電流量適中時，應(yīng)慎重選擇調(diào)峰方案，避免采用激進(jìn)調(diào)峰方案，并兼顧方案間的過渡和銜接。同時，小漩水電站反調(diào)節(jié)運(yùn)行方式以簡單可靠、易于操作、對供水影響相對確定為主要原則，維持與潘口水電站同步運(yùn)行?；趶S內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的潘口、小漩梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行方案計(jì)算流程見圖2。

圖2 梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行方案計(jì)算流程

3 調(diào)峰方案結(jié)果及分析

要使小漩水電站反調(diào)節(jié)運(yùn)行均勻下泄且盡量避免棄水，就必須對潘口水電站的調(diào)峰幅度進(jìn)行限制，由此可以擬定潘口水電站日調(diào)節(jié)發(fā)電流量過程。由于本次研究為不棄水調(diào)峰，潘口水電站發(fā)電流量上限取機(jī)組滿發(fā)流量680 m3/s。一般情況下，小漩水電站最小下泄流量按不小于16.7 m3/s控制。考慮到未來趨勢和一定安全裕度，以20 m3/s作為潘口水電站最小發(fā)電流量。調(diào)峰計(jì)算中，入庫徑流采用潘口水電站多年平均入庫流量；為盡可能提高潘口水電站調(diào)峰幅度，小漩水電站從死水位開始起調(diào)。

根據(jù)上述調(diào)峰方案和計(jì)算條件，分別計(jì)算潘口、小漩梯級水電站在湖北調(diào)峰模式下的建議調(diào)峰幅度和最大調(diào)峰幅度。潘口水電站不同水位及發(fā)電引用流量對應(yīng)的不棄水調(diào)峰幅度見表2。

3.1 潘口水電站

各調(diào)峰方案計(jì)算成果表明，潘口水電站調(diào)峰幅度主要受到小漩水電站棄水和潘口水電站機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行2個方面制約：

(1)日均發(fā)電流量大于500 m3/s調(diào)峰運(yùn)行時，下泄水量超過小漩水電站調(diào)節(jié)能力，將造成小漩水電站棄水。因此，當(dāng)發(fā)電引用流量大于500 m3/s時，建議潘口水電站不參與調(diào)峰運(yùn)行。

(2)日均發(fā)電流量在300～500 m3/s調(diào)峰運(yùn)行時，應(yīng)控制潘口水電站調(diào)峰幅度在建議調(diào)峰范圍內(nèi)；當(dāng)潘口水電站調(diào)峰幅度大于建議調(diào)峰幅度時，將超出小漩水電站庫容調(diào)節(jié)能力，造成棄水。

(3)日均發(fā)電流量在70～300 m3/s調(diào)峰運(yùn)行時，小漩水電站可完全實(shí)現(xiàn)對潘口水電站的反調(diào)節(jié)運(yùn)行。此時，潘口水電站可在滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求的條件下，充分參與電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行。

(5)日均發(fā)電流量小于70 m3/s調(diào)峰運(yùn)行時，機(jī)組將會長期處于禁止運(yùn)行區(qū)，可能出現(xiàn)機(jī)組振動加劇的情況。因此，當(dāng)發(fā)電引用流量小于70 m3/s時，不應(yīng)參與調(diào)峰運(yùn)行。在增減負(fù)荷過程中，應(yīng)盡快越過不穩(wěn)定區(qū)，以保證機(jī)組安全運(yùn)行。

3.2 小漩水電站

在潘口水電站調(diào)峰運(yùn)行過程中，小漩水電站可采取的運(yùn)行方式有同步調(diào)峰、不調(diào)峰和適度調(diào)峰3種。同步調(diào)峰為前述潘口水電站調(diào)峰方案中小漩水電站相應(yīng)采用的運(yùn)行方式，即小漩水電站日均發(fā)電流量與潘口水電站同步，即發(fā)電流量同時增減。由于小漩水電站僅有日調(diào)節(jié)能力，對潘口水電站進(jìn)行反調(diào)節(jié)，因此在潘口水電站進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)行時，維持小漩水電站下泄流量始終與潘口水電站下泄流量基本相等的反調(diào)節(jié)運(yùn)行方式簡單可靠、易于操作，同時也能充分發(fā)揮潘口水電站的調(diào)峰能力。因此，本次研究推薦小漩水電站同步調(diào)峰的運(yùn)行方式。

4 結(jié) 語

本文通過對漢江堵河流域潘口、小漩梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行的受電端和發(fā)電端進(jìn)行分析，提出了梯級水電站聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行模式和控制方式。結(jié)果表明，潘口水電站調(diào)峰幅度主要受到小漩水電站棄水和潘口水電站機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行2個方面制約；當(dāng)潘口水電站日均發(fā)電流量較大時，建議梯級水電站不參與調(diào)峰運(yùn)行；當(dāng)潘口水電站日均發(fā)電流量小于小漩水電站滿發(fā)流量時，應(yīng)控制潘口水電站調(diào)峰幅度在建議調(diào)峰范圍內(nèi)，避免小漩水電站棄水；當(dāng)潘口水電站日均發(fā)電流量較小時，此時潘口水電站可在滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求的條件下，充分參與電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行，并避免機(jī)組處于禁止運(yùn)行區(qū)，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

[1]唐新華， 周建軍. 梯級水電群聯(lián)合調(diào)峰調(diào)能研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報， 2013， 32(4)： 260- 266．

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[3]李學(xué)貴， 張繼順， 劉志武. 三峽電站初期運(yùn)行期調(diào)峰能力分析[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測， 2007， 31(1)： 9- 12．

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[7]國網(wǎng)湖北省電力公司. 湖北電網(wǎng)2015年度運(yùn)行方式[R]. 武漢： 國網(wǎng)湖北省電力公司， 2015．

[8]國網(wǎng)湖北省電力公司. 湖北電網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃[R]. 武漢： 國網(wǎng)湖北省電力公司， 2010．

(責(zé)任編輯 楊 健)

Peak-load Regulations of Cascaded Hydropower Stations Based on Economic Operation in Hanjiang River Basin

ZHANG Rui1, ZHANG Lisheng1, WANG Xuemin1, YANG Haicong2

(1. Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010, Hubei, China;2. Hanjiang Water Conservancy and Hydropower (Group) Co., Ltd., Wuhan 430048, Hubei, China)

In order to explore peak-load regulation of cascaded hydropower stations in Hanjiang River Basin, the peak-load regulation mode of Pankou and Xiaoxuan cascade hydropower stations is developed based on the full analyses of load characteristics of electric power grid, and the peak-load operation scheme is also proposed. The peak-load operation scheme of two cascade hydropower stations is solved and the peaking capacity and peak-load operation modes of Pankou and Xiaoxuan hydropower stations are presented respectively based on the principles of plant economic operation. The analysis results show that, if the peak regulation margin is limited in a reasonable arrange according to power system load demand, the water resources utilization rate and the operation level of power stations can be effectively improved and achieve a win-win between power dispatching and water resources dispatching．

cascade hydropower station; combined dispatching; peak-load regulation; Hanjiang River Basin

2016- 01- 03

湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2015CFB515)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51409008)

張睿(1987—)，男，湖北武漢人，工程師，博士，主要從事水庫群優(yōu)化運(yùn)行研究．

TV697.12(263)

A

0559- 9342(2016)06- 0066- 04