動態(tài)模擬法在山口電站增效擴容改造機組選型中的應用

杜 君，黃定波

(1.五大連池市山口湖開發(fā)建設中心，黑龍江 五大連池 164500；2.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510655)

1 概述

隨著計算機運算速度的提高，智能算法的進步和大數(shù)據(jù)處理能力的增強以及人工智能的發(fā)展，筆者在“點算法”的基礎上，開發(fā)了《水電站水能動態(tài)模擬設計軟件V1.0》(登記號：2014SR095764)并取得發(fā)明專利《水電站水能動態(tài)模擬算法》(專利號：2016106934930)。動態(tài)模擬法的意義以及數(shù)學模型文獻[2-3]已闡明，不再贅述。動態(tài)模擬法的過程是：① 掃描錄入水輪機轉輪綜合特性曲線(無需點繪)；② 神經網(wǎng)絡算法將綜合特性曲線映射到數(shù)據(jù)庫；③ 選擇決策變量X和目標參量Y；④ 導入水文過程數(shù)據(jù)庫值；⑤ 優(yōu)化算法尋優(yōu)；⑥ 比較選擇。

動態(tài)模擬法在國內得到較多的應用，就廣東而言，較典型的有東江水利樞紐和清遠水利樞紐(新建，徑流式)、孟洲壩水電站和紅橋水電站(增效擴容，徑流式)、云南金水河三級四級電站(廣東水電云南投資金平電力有限公司，新建，水庫電站)、花山水電站(增效擴容，水庫電站)。

動態(tài)模擬法除了在水能設計、水庫優(yōu)化調度等方面有較好應用效果，也可以用來解決工程中相關的一些疑難問題，如廣東五華益塘水電站雙速凸極同步水輪發(fā)電機的轉速選擇[3]。

黑龍江省五大連池山口水電站增效擴容中，有兩種性能特別相近的轉輪型號難以比較優(yōu)劣，最后用動態(tài)模擬法的計算成果，確定了轉輪型號。

2 山口水電站工程概況

山口水電站位于黑龍江省五大連池市東南部、嫩江一級支流訥謨爾河上游，壩址位于小興安嶺與松嫩平原接壤的五大連池市二龍山農場東20 km處，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧供水、發(fā)電、養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的大Ⅱ型水利樞紐。壩址以上集水面積為3 745 km2，多年平均流量為24.35 m3/s，正常蓄水位為313.0 m。電站于1999年末并網(wǎng)發(fā)電，2臺裝機為13 MW的ZZ500-LH-310機組，額定水頭為20.5 m，額定流量為76.43 m3/s，額定轉速為214.3 rpm。2018年電站進行增效擴容改造。

3 增效擴容改造機組選型

經設計單位及水輪機制造廠等多方研究，山口電站擬擴容至2×15 MW，在滿足擴機出力及空化條件下，最終機組選型ZZA1101和ZZD471兩種轉輪(機組參數(shù)見表1所示)。

表1 機組參數(shù)

圖1 出庫流量過程曲線示意

圖2 水庫水位過程曲線示意

圖3 電站下游水位流量關系曲線示意

表2 各方案決策指標

由表1、2可看出，在直徑、轉速、安裝高程、比轉速一樣，制造成本相近的情況下，方案1與方案2相比：年平均發(fā)電量增加87.1萬kWh；電能加權效率高0.7%；但空化性能相對較差。由于電站已建成，此次改造的主要目標是增效擴容，水輪機實際吸出高度為-12.55 m，小于-11.06 m，滿足空化要求，因此，Y(1)=(2475.5，92.57，-11.06)是綜合最優(yōu)解，即是滿意解。從圖4～5的運行工況分布看，方案1更多的工況落在效率91%以上區(qū)域內運行，而從表1所示額定工況效率看方案1卻不如方案2。顯然，按傳統(tǒng)的選型方法是無法分辨出方案1和方案2的上述差異的。該電站最終選擇方案1，于2018年7月改造完畢并網(wǎng)運行，運行的各項指標如穩(wěn)定性、空化性能、發(fā)電量等都達到了預期效果。

圖4 方案1模擬運行工況分布示意

圖5 方案2模擬運行工況分布示意

4 結語

動態(tài)模擬法結合電站水頭流量的時間分布，從多個維度整體分析方案間的優(yōu)劣，避免從單一額定工況點或者數(shù)量不充分的工況點分析選擇機型時導致的選型失誤。動態(tài)模擬法更加科學可靠，對水電站增效擴容改造機組選型有一定的實用價值。