基于小水電站面雨量與來(lái)水增加量相關(guān)性分析的研究與應(yīng)用

徐 劍

(國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，福建 福州 350003)

0 引 言

貫徹落實(shí)黨中央“碳達(dá)峰、碳中和”的“雙碳”綠色發(fā)展方略，小水電作為可再生能源，地位和作用日益凸顯。為了長(zhǎng)足提升小水電站安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)能效，水能利用提高率成為關(guān)鍵管控指標(biāo)，水位的精準(zhǔn)控制在水輪機(jī)組效率優(yōu)化運(yùn)行中是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。通過(guò)加強(qiáng)水情專業(yè)化管理，提升水庫(kù)來(lái)水增加量數(shù)字化全息感知與預(yù)判的科學(xué)技術(shù)水平，精準(zhǔn)輔助決策優(yōu)化豐水期機(jī)組調(diào)控運(yùn)行方式，小水電站從“靠天吃飯”主動(dòng)轉(zhuǎn)向“知天而作”是完全可行的。

1 國(guó)內(nèi)小水電站節(jié)水增發(fā)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展大量開(kāi)發(fā)研究實(shí)踐，在平水、枯水期控制水庫(kù)水位降低水耗提升發(fā)電量[1]；水電廠按“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”設(shè)計(jì)原則實(shí)施智能化建設(shè)提質(zhì)增效[2]；設(shè)計(jì)海量徑流式小水電功率數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)方案提升功率預(yù)測(cè)速度[3]。以功率因數(shù)為優(yōu)化變量建立了多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型改善電壓質(zhì)量和提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性[4]；提高功率因數(shù)運(yùn)行提升小水電站經(jīng)濟(jì)效益[5]；基于汛期分期和基本調(diào)度規(guī)則提高汛期分期運(yùn)行水位[6]。通過(guò)以逐步逼近法為控制思想的水位控制法，優(yōu)化徑流式二級(jí)水電站運(yùn)行提高發(fā)電效率[7]；分析水輪發(fā)電機(jī)水能利用的轉(zhuǎn)化過(guò)程建立機(jī)組能效量化計(jì)算模型[8]；充分利用水利資源優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度及機(jī)組運(yùn)行方式等手段提高水能利用率[9]；枯水期提高運(yùn)行凈水頭,汛期開(kāi)展優(yōu)化調(diào)度減少棄水,減少單臺(tái)機(jī)組小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間等途徑提高水能利用率[10]；充分分析水電站水能利用率低于設(shè)計(jì)值原因,提出修改水電站調(diào)度規(guī)劃，提高水能利用率[11]；利用水庫(kù)分期汛限水位調(diào)控洪水資源減少水頭損失[12],黃龍灘電廠提高水能利用率的多種方法初探[12]。開(kāi)展水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度工作提高水能利用率,妥善解決防洪與發(fā)電、安全與效益間的矛盾[13]；加強(qiáng)水電站運(yùn)行管理提高發(fā)電能力[14]；中長(zhǎng)期發(fā)電調(diào)度智能化指導(dǎo)中小水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計(jì)劃。

國(guó)內(nèi)關(guān)于小水電節(jié)水增發(fā)的研究主要聚焦在開(kāi)發(fā)研究階段，綜其共同點(diǎn)為如何提升水能利用提高率，對(duì)于滾動(dòng)預(yù)測(cè)入庫(kù)量峰值適時(shí)調(diào)控水庫(kù)水位高度的應(yīng)用研究甚至理論研究鮮有突破。在中小水電站基本上都安裝了水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的前提下，可以通過(guò)面雨量采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)與來(lái)水增加量的相關(guān)性分析，進(jìn)一步挖潛增效提升水能利用提高率的自適應(yīng)調(diào)控水平。

2 數(shù)字化研判小水電水位調(diào)控存在的問(wèn)題

為全面優(yōu)化豐水期水庫(kù)調(diào)度分析，驅(qū)動(dòng)節(jié)水增發(fā)效能，持續(xù)提升經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)所屬龍湖小水電站今年5.20洪水調(diào)度進(jìn)行全過(guò)程數(shù)字化“復(fù)盤”，該小水電站安全度過(guò)今年以來(lái)最大洪峰，5月20日洪峰流量達(dá)814.18 m3/s。洪水調(diào)度過(guò)程歷時(shí)13 d(5月20日—6月2日)，本次泄水總量達(dá)7 975.80×104m3，正常棄水時(shí)間312 h 22 min。

5.20洪水調(diào)度過(guò)程基本特征分為三個(gè)階段：第一階段：騰庫(kù)；第二階段：泄洪；第三階段：回蓄。而且，這三個(gè)過(guò)程是在整個(gè)洪水調(diào)度過(guò)程中，根據(jù)區(qū)域天氣預(yù)報(bào)、面雨量統(tǒng)計(jì)、入庫(kù)流量以及出庫(kù)流量等關(guān)鍵信息進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)，實(shí)施循環(huán)往復(fù)的調(diào)度控制過(guò)程(見(jiàn)圖1)。

圖1 5.20洪水調(diào)度過(guò)程數(shù)字錄波

那么如何實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度呢？其一，5月26日至27日，5.20洪水處于“洪尾”階段，來(lái)水量趨于穩(wěn)定。上游水位從439.96 m突降到438.28 m，水頭高度降低1.68 m，4號(hào)泄洪閘門開(kāi)度0.3 m，增加棄水以及發(fā)電效率降低。其二，5月26日之后，5.20洪水處于“洪尾”階段，來(lái)水量趨于穩(wěn)定。5月28日至5月29日，4號(hào)泄洪閘門開(kāi)度由0.2 m提升至0.8 m，泄洪閘門開(kāi)度增加4倍，增加棄水以及發(fā)電效率降低(見(jiàn)圖2)。

圖2 5.20洪水調(diào)度過(guò)程數(shù)字化復(fù)盤分析

進(jìn)行全過(guò)程數(shù)字化“復(fù)盤”，可以發(fā)現(xiàn)水庫(kù)水位控制存在一系列技術(shù)問(wèn)題，主要原因?yàn)閬?lái)水增加量的預(yù)判預(yù)測(cè)以及相應(yīng)技術(shù)手段不足。

3 統(tǒng)計(jì)分析面雨量與來(lái)水增加量的函數(shù)相關(guān)性

通過(guò)小水電水庫(kù)水位調(diào)控的全過(guò)程數(shù)字化統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)評(píng)價(jià)小水電站汛期調(diào)控質(zhì)量，相比著眼某一狀態(tài)量的公式計(jì)算更加直觀且更具說(shuō)服力。對(duì)于問(wèn)題靶向查擺，專項(xiàng)提升水情專業(yè)管理技術(shù)，輔助優(yōu)化改進(jìn)生產(chǎn)管理，長(zhǎng)足提升水能利用效率，提供了科學(xué)的方式方法。

問(wèn)題靶向查擺專項(xiàng)提升水情調(diào)控技術(shù)，統(tǒng)計(jì)龍湖小水電站四五月份的6次集中降雨量(14 mm以上)與上游來(lái)水量，進(jìn)行相關(guān)性分析(見(jiàn)圖3、圖4)。通過(guò)曲線擬合，發(fā)現(xiàn)“面雨量積累量P”與“來(lái)水量增加系數(shù)k”存在一定相關(guān)性，趨勢(shì)為一正比例函數(shù)(見(jiàn)圖5)?？赏茖?dǎo)出相應(yīng)公式，來(lái)水量增加值S=f(P)*k。

圖4 入庫(kù)量與上游水位的“相關(guān)性”分析

圖5 系數(shù)k與積累量p的曲線擬合

綜上，統(tǒng)計(jì)分析面雨量與來(lái)水增加量的函數(shù)相關(guān)性，掌握相應(yīng)規(guī)律，滾動(dòng)預(yù)測(cè)出未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)入庫(kù)量峰值，再通過(guò)預(yù)測(cè)的入庫(kù)量峰值，自適應(yīng)地精準(zhǔn)調(diào)控水庫(kù)水位的高度，可科學(xué)提升綜合水能利用提高率，持續(xù)提高小水電水力發(fā)電效能。

4 結(jié) 論

數(shù)字化統(tǒng)計(jì)分析面雨量與來(lái)水增加量的相關(guān)性，通過(guò)曲線擬合手段反映出兩者成正比例函數(shù)的趨勢(shì)規(guī)律，極大提高水庫(kù)來(lái)水增加量的預(yù)判預(yù)測(cè)能力。通過(guò)提升水情分析水平，前置優(yōu)化發(fā)電運(yùn)行方式促使節(jié)水增發(fā)，對(duì)所屬小水電站試點(diǎn)應(yīng)用該技術(shù)手段實(shí)施了優(yōu)化面雨量采集點(diǎn)布局、攻堅(jiān)洪峰滾動(dòng)預(yù)測(cè)、水庫(kù)科學(xué)調(diào)度控制、動(dòng)態(tài)控制水庫(kù)水位、大壩水庫(kù)精準(zhǔn)回蓄、科學(xué)預(yù)測(cè)騰庫(kù)操作和統(tǒng)籌機(jī)組一停多用等一系列重要舉措，試點(diǎn)應(yīng)用小水電站節(jié)水增發(fā)成效顯著(見(jiàn)圖6)，綜合水能利用提高率提升30%，前三季度全口徑發(fā)電量水平同比強(qiáng)勢(shì)趕超。

圖6 2021年三季度發(fā)電量同比情況