西霞院水庫優(yōu)化運行分析

劉耀 宋麗波 張鵬飛 陳健

摘要：西霞院水庫與小浪底水庫首尾相接，相互影響，經(jīng)過理論計算與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比分析可知，在一定的下泄流量下，西霞院水庫水位會對小浪底電站機組發(fā)電量產(chǎn)生一定影響，為保證黃河生態(tài)調度，實現(xiàn)發(fā)電效益最大化，提出了兩庫優(yōu)化運行建議。

關鍵詞：尾水位;流量;水頭;出力;調峰調頻;經(jīng)濟效益;生態(tài)調度

0 引言

小浪底、西霞院水庫位于洛陽市以北40 km的黃河干流中游段。小浪底工程開發(fā)目標以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉和發(fā)電功能，于1999年10月蓄水運用，電站安裝了6臺單機300 MW的混流式機組。西霞院水庫為小浪底水庫的反調節(jié)水庫，位于小浪底水庫下游16 km處，該水庫是以反調節(jié)功能為主，結合發(fā)電，兼顧灌溉、供水綜合利用功能，于2007年5月蓄水運用，電站安裝了4臺單機35 MW的軸流轉漿式機組。自2009年開展小浪底、西霞院水庫聯(lián)合調度以來，在以水定電的前提下，小浪底主要按照河南電網(wǎng)指令參與調峰調頻，西霞院以反調節(jié)為主，按照黃委水調指令平穩(wěn)下泄流量，基本實現(xiàn)了水電和諧發(fā)展的目標。

近年來，在兩庫聯(lián)合調度研究的基礎上，我公司開展了兩站機組優(yōu)化精益運行研究，保持西霞院水庫高水位運行，以提高西霞院機組發(fā)電效益，但兩個電站相距16 km，西霞院水庫水位過高，勢必會抬高小浪底電站尾水水位，從而影響小浪底機組出力效率。針對這個問題，有必要對西霞院高水位運行對兩站機組出力產(chǎn)生的影響開展深度的分析研究，為黃河生態(tài)調度及兩站的精益運行提供更多的依據(jù)和理論支持。

1 理論分析依據(jù)

發(fā)電機功率計算公式：

P=9.81QHη

式中：Q為流過水輪機的流量;H為水輪機的工作水頭;η為發(fā)電機的工作效率。

水輪機的工作水頭是指水輪機進、出口斷面單位重量的水流能量之差，是水輪機做功用的有效水頭，也等于毛水頭（水庫的上下游水位差）減去引水系統(tǒng)的水頭損失。

因此，要研究西霞院高水位運行對兩站機組的影響，就需要研究西霞院庫水位對兩站機組工作水頭的影響。

2 小浪底機組工作水頭

小浪底機組工作水頭計算公式：

H0=H1-H2-H3

式中：H0為機組工作水頭;H1為小浪底庫水位;H2為小浪底尾水位;H3為機組引水系統(tǒng)水頭損失。

2.1 ? ?小浪底庫水位（H1）計算

根據(jù)《小浪底電站初步設計報告》，小浪底水庫設計采用1950—1975年的水庫調節(jié)計算成果，小浪底水庫歷年汛期、非汛期運用水位如表1所示。

根據(jù)小浪底機組實際生產(chǎn)情況，在非汛期下泄流量一般較低，且出入庫平衡運用，可以近似認為小浪底庫水位H1=257 m。

2.2 ? ?小浪底尾水位（H2）計算

為了準確研究小浪底尾水位與西霞院庫水位之間的關系，本文從中心水量調度處調閱近3年來兩站水位的變化情況，選擇了具有代表性的下泄流量數(shù)據(jù)進行分析。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在300 m3/s、350 m3/s、400 m3/s、500 m3/s、600 m3/s、800 m3/s下泄流量情況下，生成小浪底尾水位與西霞院庫水位對應關系曲線。通過分析得出結論，在不同下泄流量下，小浪底尾水位與西霞院庫水位變化趨勢基本一致。同時，借助數(shù)理統(tǒng)計理論，本文對兩者進行相關性分析。

經(jīng)過計算，不同流量下西霞院庫水位與小浪底尾水位對應的相關系數(shù)如表2所示。

當下泄流量較小時，小浪底尾水位與西霞院庫水位之間可以認為具有高度正相關關系，即西霞院庫水位對小浪底尾水位有很大影響。當下泄流量為800 m3/s時，小浪底電站共用一條尾水洞的2臺機組同時運行，也會對小浪底尾水位產(chǎn)生影響。

假設西霞院庫水位在133～134 m變化，近似認為小浪底尾水位與西霞院庫水位之間為線性關系，即h1（小浪底尾水位）=h2（西霞院庫水位）+△h（水位差值），經(jīng)過插值計算可得出不同流量下小浪底尾水位的變化范圍，水位差計算結果如表3所示。

當西霞院庫水位在133～134 m變化時，300 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.65～134.65 m;350 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.67～134.67 m;400 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.70～134.70 m;500 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.78～134.78 m;600 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.83～134.83 m;800 m3/s流量下，小浪底尾水位為134.16～135.16 m。

2.3 ? ?小浪底機組引水系統(tǒng)水頭損失（H3）計算

水頭損失計算包括局部水頭損失和沿程水頭損失。

沿程水頭損失采用謝才-曼寧公式計算：

hf=LV2/（C2R），其中，C=R1/6/n

式中：hf為沿程水頭損失;L為壓力鋼管長度;V為水流速度;C為謝才系數(shù);R為水力半徑;n為壓力水道糙率值，鋼管襯砌取0.012。

局部水頭損失按下式計算：

hm=ξV2/（2g）

式中：hm為局部水頭損失;ξ為局部水頭損失系數(shù);V為水流速度;g為重力加速度。

機組引水管道長度按均值373 m、過機流量按300 m3/s計算，得出小浪底機組引水系統(tǒng)水頭損失H3=1.27 m。

綜上所述，當西霞院庫水位在133～134 m運行時，小浪底機組工作水頭變化如表4所示。

3 小浪底機組發(fā)電量

根據(jù)小浪底機組水輪機綜合特性曲線，查詢出一定水頭下不同出力點的效率，可以計算出機組每日理論少發(fā)電量。

結合2019年機組實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將負荷率引入小浪底機組發(fā)電量計算中，計算出機組每日實際少發(fā)電量，結果如表5所示。

4 西霞院水庫機組

非汛期，西霞院庫水位在133～134 m變化，根據(jù)西霞院水庫2019年下半年水情相關數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出不同流量下西霞院水庫機組毛水頭及尾水位對應關系如表6所示。

從表6可以看出，隨著下泄流量增加，西霞院水庫尾水位逐漸抬升，當西霞院庫水位在133～134 m變化時，西霞院機組毛水頭逐漸降低。

西霞院機組工作水頭為5.83～13.82 m，適當保持較高水頭運行，可以提高機組的發(fā)電效率，查詢機組效率曲線可知，最高效率是94.37%，對應水頭為13.82 m。西霞院水庫機組為軸流轉槳式機組，水頭過高會導致沖擊力增強，影響設備使用壽命，也會使機組偏離最優(yōu)工況區(qū)，從而降低機組效率。

5 結語

本文經(jīng)過理論分析計算，小浪底尾水位與西霞院庫水位變化趨勢基本一致，在黃河下泄流量較大情況下，河道槽蓄效應疊加，西霞院水庫高水位運行對小浪底機組尾水位產(chǎn)生一定影響，從而對小浪底機組出力效率產(chǎn)生影響。因此，建議非汛期黃河下泄流量大于600 m3/s時，可以在規(guī)定范圍內適當降低西霞院水庫水位，既增加了電網(wǎng)調峰需要的日調節(jié)庫容，有利于充分發(fā)揮小浪底電站在電網(wǎng)調峰調頻中的作用，又實現(xiàn)了黃河生態(tài)調度，優(yōu)化了兩站機組精益運行，提高了經(jīng)濟效益。

收稿日期：2020-09-04

作者簡介：劉耀（1981—），男，四川蒼溪人，工程師，從事水電站設備運行管理工作。