優(yōu)化銀盤電站運行水頭增發(fā)電量

李華穗

（重慶大唐國際武隆水電開發(fā)有限公司，重慶 408506）

0 引言

水電站運行在某一個特定水文年里，其發(fā)電量的多少主要取決于當(dāng)年對水頭和水量的利用程度以及電站的出力系數(shù)。當(dāng)該年的入庫水量（扣除棄水）一定時，水電站運行水頭越高，機組的發(fā)電出力越大，電能越多，反之電能越少；當(dāng)機組出力一定時，運行水頭越高，發(fā)出同樣電能的耗水量越少，單位耗水率越低。要獲得最大的發(fā)電效益，就必須采取不同的調(diào)度決策和運行方式增加水頭、降低單位耗水率，以此來增加發(fā)電量。

一般水電站在豐水期以充分利用水量、減少棄水、搶發(fā)季節(jié)性電能和提高水量利用率為主；枯水期以保證高水位運行、充分利用水頭為主；對于調(diào)節(jié)性能很差的水庫，在枯季才以盡量避免棄水、增加電量為主要措施，其他多以提高運行水頭來爭取多發(fā)電，有條件的實行上下游聯(lián)合梯級調(diào)度，互相補償調(diào)節(jié)，發(fā)揮總體經(jīng)濟效益。

1 烏江銀盤水電站概述

烏江銀盤水電站位于烏江下游河段重慶市武隆縣境內(nèi)，上距彭水縣城約47.3km，至重慶市主城區(qū)直線距離約160km，是烏江干流水電開發(fā)規(guī)劃的第十一梯級電站，上接彭水水電站，下游為白馬梯級，是發(fā)電兼顧彭水水電站的反調(diào)節(jié)任務(wù)和渠化航道的樞紐工程，在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)基荷和部分腰荷。該工程的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，其次為航運。水庫正常蓄水位為215.00m，死水位211.50m，總庫容為3.2 億m3，調(diào)節(jié)庫容0.37 億m3，具有日調(diào)節(jié)性能。電站設(shè)計裝機容量600MW，保證出力161.7MW，多年平均發(fā)電量27.08 億kW·h，年利用小時數(shù)4513h。發(fā)電額定水頭26.50m，最小水頭13.00m，最大水頭35.12m[1]。

2 水頭與發(fā)電量的關(guān)系

高位蓄水具有重力勢能與動能，這是帶動水輪機轉(zhuǎn)動的能源，水輪機的出力與水頭的大小有直接關(guān)系。水電站按照水頭的高低可分為高水頭、中水頭和低水頭水電站。我國通常稱水頭大于70m 的水電站為高水頭水電站，低于30m 為低水頭水電站，30m～70m 為中水頭水電站。中低水頭的電站水頭大小對電量的影響更明顯。

2.1 銀盤電站水頭范圍

銀盤電站設(shè)計水輪機最大水頭為35.12m，最小水頭為13.00m，當(dāng)發(fā)電機發(fā)出額定功率時，水輪機需要的最小工作水頭即額定水頭為26.50m，在規(guī)定的運行范圍內(nèi)，考慮出力和工作歷時的水輪機水頭的加權(quán)平均值即加權(quán)平均水頭為29.66m。銀盤電站為低水頭水電站。

2.2 水頭對發(fā)電量的影響

銀盤水電站為河床式電站，引水發(fā)電系統(tǒng)水頭損失包括攔污柵局部損失、喇叭口水頭局部損失、兩個門槽水頭局部損失以及沿程損失。根據(jù)計算，水電站引水發(fā)電系統(tǒng)平均水頭損失取0.2m。

水輪機的出力公式如公式（1）所示。

式中：N為出力；H為工作水頭；Q為發(fā)電引用流量；η為水輪機效率；A為綜合出力系數(shù)。

當(dāng)正常運用時上下游水位運行區(qū)間為庫水位211.50m～215.00m，尾水位179.8m～185m，對應(yīng)的水頭區(qū)間為26.5m～35.2m。在扣除電站水量損失和水頭損失的情況下，電站綜合出力系數(shù)采用設(shè)計值8.4[1]。水頭對出力的影響見表1。通過計算得出水頭對出力的影響如下：1）在發(fā)電引用流量相同的情況下提高水頭，出力有所增加；2）隨著發(fā)電引用流量的增大，提高水頭對出力的增加作用也會增大。

表1 水頭對出力的影響計算表

水頭和壩上水位的關(guān)系分析見表2，發(fā)電引用流量和壩下水位關(guān)系線采用設(shè)計值。由表2 可以得出：1）同一壩上水位下的水頭隨著發(fā)電引用流量的增大而減少；2）為了保持相同水頭，庫水位隨著發(fā)電引用流量的增大須相應(yīng)抬高，但抬高的絕對值逐漸減少；3）銀盤電站發(fā)電引用流量每增加500m3/s，隨著壩下水位的上漲，增加1m 水頭須抬高庫水位2.04m～2.35m。

2.3 歷史數(shù)據(jù)校驗

該文收集了2018 年1 月1 日～2020 年2 月1 日未發(fā)生泄洪的非汛期近500 個日數(shù)據(jù)，排序并繪制日發(fā)電量和水頭的關(guān)系曲線，如圖1 所示。數(shù)據(jù)表明，隨著日發(fā)電量的增加，水頭呈下降趨勢。

圖1 日發(fā)電量-水頭關(guān)系曲線

利用樣本數(shù)據(jù)分別制作壩下水位-發(fā)電流量、水頭-壩上水位、日均水頭-壩下水位和日均水頭-壩上水位等關(guān)系曲線。

由此修改理論分析中的表2 為表3，剔除壩上水位正常運行范圍之外的數(shù)據(jù)。

表2 水頭和壩上水位的關(guān)系

表3 水頭和壩上水位的關(guān)系

發(fā)電引用流量每增加500m3/s，抬升水頭1m 需要庫水位抬高1.99m～2.24m，與前述理論分析中的結(jié)果基本吻合，即提高水頭1.00m，需要上游水位抬升大約2.00m。

只抬升庫水位或降低下游水位或抬升部分庫水位同時降低部分下游水位均可增加水頭。

3 水位的優(yōu)化空間

銀盤水電站是日調(diào)節(jié)電站，日調(diào)節(jié)指的是水庫中的水位漲落在一晝夜內(nèi)完成一個循環(huán)。銀盤水電站反調(diào)節(jié)日運行方式為在電力系統(tǒng)日負荷低谷時段（當(dāng)上游彭水水電站不發(fā)電時），發(fā)電下泄流量不小于345m3/s，滿足下游航運對最小水深的要求；在電力系統(tǒng)日負荷高峰時段（當(dāng)彭水水電站擔(dān)任調(diào)峰和調(diào)頻任務(wù)，釋放不恒定流時）進行反調(diào)節(jié)，承擔(dān)部分腰荷，即分兩級增加和減少出力，以滿足庫區(qū)及其下游控制河段航運對水力流態(tài)要素的要求[1]。

根據(jù)銀盤水電站水庫調(diào)度圖可知，銀盤電站正常蓄水位215.00m，死水位211.50m，正常運用水位中線是213.25m。

銀盤電站可研報告指出，在銀盤水庫正常運行期間，每天的水庫水位在正常蓄水位215m 和死水位211.5m 之間變化，水位變幅只有3.5m，一般是在一天內(nèi)變化，在徑流調(diào)節(jié)計算中庫水位按213.25m 計算[1]。

近5年枯季運行實況為月平均水位最高值214.14m，最低值212.91m，多年月平均水位213.59m，比水位中線高0.34m，5 年發(fā)電量比按水位中線控制多6664 萬kW·h，平均年增發(fā)電量達1332 萬kW·h。

在精細化調(diào)度下，銀盤水頭的優(yōu)化空間主要是庫水位的優(yōu)化。當(dāng)日均水位運行在213.25m 上時即可認為達到了優(yōu)化水頭運行的目標(biāo)。

4 提高水頭的方法

水頭的增加有時通過抬升庫水位實現(xiàn)，有時通過降低下游水位實現(xiàn)，有時通過兩者同時作用實現(xiàn)。當(dāng)運行時提高水頭可以增加發(fā)電量，隨著流量的增大，提高水頭對出力的增加作用也在增大，增發(fā)電量的理論值如下：如果日間運行水頭提高0.1m，日增發(fā)電量2.1 萬kW·h，一年按非汛期的180天計算，可增發(fā)電量392 萬kW·h。當(dāng)運行水頭抬高數(shù)呈幾何倍數(shù)增長時，年增發(fā)電量也呈幾何倍數(shù)增加。

4.1 抬升壩上水位的措施

發(fā)電進水口如果有漂浮物聚集，會增加水頭損失，因此進水口攔污柵發(fā)現(xiàn)有堵塞，應(yīng)及時進行清理。很多電站在發(fā)電進水口均設(shè)有攔污排，可以攔截河流中的漂浮物，沒有攔污排或攔污排效果不佳的電站會根據(jù)發(fā)電進水口攔污柵的堵塞情況，將攔污柵提出水面進行污物清理。因為烏江漂浮物較少，銀盤電站的攔污排效果較好且會定期檢修維護，及時清理攔污柵和攔污排，發(fā)電進水口基本沒有漂浮物導(dǎo)致水頭損失的情況。

在正常蓄水位至死水位范圍內(nèi)抬高日間庫水位的最高值和最低值運行。在銀盤電站，即盡可能長時間保持庫水位在213.25m 上運行，減少213.25m 之下的運行時間。

在實際運行中，銀盤電站通過采取枯季日典型經(jīng)濟運行方案抬高枯季銀盤運行水頭、汛期泄洪優(yōu)化提高發(fā)電峰期水頭和攔蓄洪尾等手段來進行庫水位抬升運行，優(yōu)化調(diào)度以增發(fā)和搶發(fā)電量。

4.2 降低壩下水位的措施

尾水位變化對發(fā)電量的影響不容忽視，電站應(yīng)加強尾水河道管理，避免尾水位抬高影響發(fā)電水頭。在電站投運一段時間后，監(jiān)測下游出水口和下游河道，當(dāng)發(fā)生淤積時，須及時開挖疏通，減少下游河床高度對下游水位的抬升影響。有些山區(qū)小水電站為了降低壩下水位，會不定期地對下游河道進行開挖，開挖后電站預(yù)想出力有明顯提高。

尾水河道整治須比較多種河道整治方案的工程投資和效益，結(jié)合實際綜合考慮工程投資、發(fā)電效益、樞紐布置條件、施工難度和工程風(fēng)險等因素，以此提出合理的工程措施，確定合理的河道整治范圍和方式。當(dāng)尾水河道整治投資大于收益時，應(yīng)慎重考慮實施。

流域進行梯級開發(fā)后，下游水庫水位對降低本級電站尾水位效益影響較大，特別是下游水庫水位已銜接或高于本站正常發(fā)電運行尾水位的情況。銀盤電站下游為白馬梯級樞紐，預(yù)計2028 年蓄水運行，白馬水庫正常蓄水位184m，高于銀盤最小通航流量345m3/s，對應(yīng)的壩下水位179.88m，也高于銀盤3 臺機組發(fā)電時的尾水位183.66m。當(dāng)銀盤水庫進行水頭優(yōu)化調(diào)度時，需要考慮白馬樞紐蓄水運行后抬高蓄水位和壅水的情況，與原來自然狀態(tài)相比，銀盤水電站的發(fā)電尾水位會有所抬高。進行合理的梯級水庫水量分配、水庫群優(yōu)化調(diào)度和減少上下游水庫水位重疊也是提高銀盤電站發(fā)電量的重要措施。

5 效果檢驗

該文選取2014 年1 月1 日至2022 年5 月20 日之間的日運行數(shù)據(jù)，剔除有泄洪的數(shù)據(jù)來進行排序，統(tǒng)計結(jié)果表明：1）隨著水位的上升，出力呈增加趨勢，增加的幅度較該文中表1 的理論計算值略大；2）發(fā)電引用流量每增加500m3/s，抬升水頭1m 需要庫水位抬高1.99m～2.24m。

6 結(jié)語

當(dāng)上下游梯級水庫進行日調(diào)度時，上游彭水水庫先承擔(dān)較大負荷，使銀盤水庫水位抬升，后期運行時銀盤水庫加大出力，消落水位至起調(diào)水位，該日運行方式具有較好的發(fā)電效益。在沒有其他約束條件（例如航運和生態(tài)約束條件）的情況下，銀盤保持較高庫水位與彭水水庫同步調(diào)峰運行，具有較好的發(fā)電效益。

在無棄水風(fēng)險的情況下，綜合考慮上游電站調(diào)峰運行特性，抬高銀盤電站每日的最低和最高庫水位運行；控制壩上水位長時間維持在213.25m，減少在213.25m 以下的運行時間，這是提高銀盤電站運行水頭、增發(fā)電量的有效途徑。當(dāng)枯季無特別情況時，日均庫水位應(yīng)以不低于213.25m 運行，實際運行中以不低于213.50m 為目標(biāo)。