梯級水電站經(jīng)濟(jì)運行和電水優(yōu)化調(diào)度探索

鄧海建

(四川明星電力股份有限公司，四川 遂寧 629000)

1 概 述

四川明星電力發(fā)電公司下轄4座水電站，總裝機容量115.58 MW，年均發(fā)電量約5.4億kW·h，均實現(xiàn)遠(yuǎn)程梯調(diào)集控。4座水電站中龍鳳和小白塔水電站位于渠河末端，通過涪江上游黃連沱處低壩攔水后由閘門調(diào)節(jié)進(jìn)入渠河發(fā)電；過軍渡和三星水電站位于主河道(見圖1)，上下游電站距離約25 km。

4座水電站中龍鳳和小白塔水電站各5臺機組，設(shè)計水頭20 m，引用流量約134 m3/s；過軍渡水電站2臺機組，設(shè)計水頭11 m，引用流量約464 m3/s；三星水電站3臺機組，設(shè)計水頭11 m，引用流量約531 m3/s。通過對三星水電站2005—2020年流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得知，涪江流域遂寧段平均每年流量小于550 m3/s的天數(shù)約318 d，占全年總天數(shù)的87.34%。根據(jù)各水電站機組滿發(fā)額定流量及水頭數(shù)據(jù)、龍鳳和小白塔水電站特點以及過軍渡和三星水電站庫區(qū)允許調(diào)節(jié)庫容，如何在這318 d中做好各水電站電水優(yōu)化調(diào)度和各站機組的經(jīng)濟(jì)運行，確保不棄水并充分高效利用來水多發(fā)多供，成為發(fā)電公司精益化管理的重要著眼點。

2 龍鳳和小白塔水電站經(jīng)濟(jì)運行探索

2.1 經(jīng)濟(jì)運行思考

根據(jù)渠河安全運行要求，渠河引水口閘后最高運行水位不能超過285.75 m。從2016年《渠道流速流量監(jiān)測技術(shù)總結(jié)》中得知，在引水口閘后水位285.75 m時，進(jìn)入渠河流量約160 m3/s。

經(jīng)多年觀察，在涪江流量低于550 m3/s時，即使保持進(jìn)水口閘后最高水位運行，在龍鳳和小白塔水電站10臺機組持續(xù)全開滿發(fā)時，兩站前池水位會以約0.04 cm/s速度下降。為防止龍鳳和小白塔水電站前池水位過低影響渠河渠系安全，以前均采用降低部分機組出力或停機的方式來保持前池水位在安全且相對較高區(qū)間運行。因兩站各臺機組存在效率差異，在來水不足時如何做到既保持前池高水位機組高效率運行，同時又要保證車間的各類損耗盡可能最低，這就需要在充分掌握各臺機組性能和運行工況的前提下，做好龍鳳和小白塔水電站各機組的精細(xì)調(diào)節(jié)和組合運行方式探索，根據(jù)不同來水量確定機組開停順序；并用詳細(xì)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)調(diào)整方法，以便運維人員能直接參照執(zhí)行。

2.2 龍鳳和小白塔水電站機組區(qū)間開度出力關(guān)系摸索

2.2.1 機組區(qū)間開度出力表

為清楚掌握龍鳳和小白塔水電站各機組在不同水頭下的實際效率區(qū)別和開度出力關(guān)系，在兩個不同前池水位情況下對各臺機組區(qū)間開度和出力情況進(jìn)行了多次測試，因結(jié)果偏差極小，所以只展示了1個水頭下相關(guān)數(shù)據(jù)(見表1、表2)。

表2：龍鳳水電站機組區(qū)間開度出力(著色部分為低效率開度區(qū)間)

2.2.2 機組區(qū)間開度出力關(guān)系曲線

依據(jù)開度出力表，繪制了相對應(yīng)的曲線圖(見圖2、圖3)。

2.3 經(jīng)濟(jì)運行措施

根據(jù)龍鳳和小白塔水電站各臺機組區(qū)間開度出力表和對應(yīng)的曲線圖，可以明顯看到各臺機組的效率差異及水頭對機組出力的影響。另外，根據(jù)測試數(shù)據(jù)及水輪機組工作特性曲線可知，龍鳳和小白塔水電站各臺機組增加8%～10%的導(dǎo)葉開度(著色部分)而出力僅增加0.03 MW左右；這個區(qū)間稱為低效率區(qū)間，負(fù)荷不隨導(dǎo)葉增大而增加或隨導(dǎo)葉增大而下降的開度區(qū)間稱為無效區(qū)間(見表3)。

表3 龍鳳和小白塔水電站機組低效開度區(qū)間和負(fù)荷增加情況

從上表和所收集的龍鳳和小白塔水電站10臺機組開度出力情況，可以估算出低效率區(qū)間導(dǎo)葉開度所消耗的水量和增加的發(fā)電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不成正比。根據(jù)水輪機組一般工作特性曲線所知，機組最大出力并不代表機組最優(yōu)運行工況，特別是龍鳳和小白塔水電站在來水不能保證機組持續(xù)最高負(fù)荷運行時，保持低效區(qū)間運行并不能做到高效利用來水經(jīng)濟(jì)多發(fā)。因相關(guān)機組原始資料缺失(龍鳳水電站始建于1958年，小白塔水電站始建于1978年)，無法準(zhǔn)確計算出增加的8%～10%低效率開度區(qū)間耗水量。為對耗水?dāng)?shù)據(jù)有個大概的掌握，通過對龍鳳和小白塔水電站10臺機組分別調(diào)整導(dǎo)葉開度(在來水基本相同情況下，將龍鳳水電站5臺機組導(dǎo)葉開度從96%降至86%左右，將小白塔水電站5臺機組從91%降至82%左右)和停1臺龍鳳水電站效率最低的機組蓄水后前池水位變化基本相似情況看，龍鳳和小白塔水電站10臺機組低效開度區(qū)間耗水量接近8 m3/s(龍鳳站單機額定耗水量)。據(jù)此，對龍鳳和小白塔水電站1 d(24 h)采取避開低效開度區(qū)間措施所減少的發(fā)電量和停1臺機組所減少的發(fā)電量進(jìn)行計算對比：

避開低效開度區(qū)間減少的發(fā)電量：0.003×5×2×24=0.72萬kW·h。

龍鳳水電站停1臺機組減少的發(fā)電量：0.125×24=3萬kW·h。

從對比數(shù)據(jù)可以看出，在進(jìn)入渠河水量保持在120～130 m3/s時，采取對龍鳳和小白塔水電站10臺機組導(dǎo)葉開度優(yōu)化調(diào)節(jié)的方式比以往停1臺機組的運行方式每天可增加發(fā)電量約2.28萬kW·h。根據(jù)渠河設(shè)計分流量及近兩年涪江流量及龍鳳和小白塔水電站機組運行情況，在涪江流量200～550 m3/s時，進(jìn)入渠河流量基本120～130 m3/s；從多年歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，涪江流量200～550 m3/s時間約140 d。通過以上數(shù)據(jù)得出對龍鳳和小白塔水電站機組優(yōu)化調(diào)整確保經(jīng)濟(jì)高效運行年可增加發(fā)電量如下：

增加發(fā)電量：140×(3-0.72)=319.2萬kW·h。

因此，在渠河正常引水而又不能保證龍鳳和小白塔水電站前池高水位和機組10臺機組持續(xù)最高負(fù)荷運行的情況下，優(yōu)先通過以下方式來提高渠河來水的利用效率，達(dá)到機組經(jīng)濟(jì)高效發(fā)電。

一是在涪江流域上游來水小于550 m3/s時，集控站通過遙調(diào)將龍鳳和小白塔水電站10臺機組滿發(fā)，待前池水位逐步下降無法保持各臺機組最高滿發(fā)出力時，遙調(diào)或協(xié)調(diào)現(xiàn)地運維人員調(diào)整各機組導(dǎo)葉開度，避開各臺機組低效開度區(qū)間運行。這樣既能減少機組的低效耗水損失，逐步提高前池水位，又能在前池水位企穩(wěn)或逐步提高后因水頭增加而彌補降低導(dǎo)葉開度而減少的機組發(fā)電量。

二是因上游來水減少造成通過第一種方式仍不能保持前池水位穩(wěn)定時，采取將龍鳳和小白塔水電站效率最低的機組停運的方式保持前池高水位，以確保其他機組高效率運行。

三是因小白塔水電站自然水頭相較于龍站機組水頭高0.2 m，停機時優(yōu)先停龍鳳水電站部分機組保小站機組運行。

需要注意的是：集控站值班員對各站機組負(fù)荷的調(diào)整只能通過負(fù)荷設(shè)置的方式進(jìn)行遙調(diào)，但因各站機組調(diào)速器死區(qū)原因，對有功負(fù)荷0.2～0.3 MW左右的調(diào)整時，現(xiàn)地調(diào)速器基本不會動作。這就需要和現(xiàn)地值班員做好溝通協(xié)調(diào)，及時根據(jù)前池水位的變化要求現(xiàn)地運維值守人員對各機組導(dǎo)葉開度進(jìn)行實時調(diào)整。

3 電水優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運行效益

3.1 渠河引水優(yōu)化調(diào)度

因龍鳳和小白塔水電站機組水頭比過軍渡水電站水頭高約8 m，因此在涪江來水低于170 m3/s時，除通過黃連沱低壩處泄放40 m3/s生態(tài)流量外，需全力將剩余來水調(diào)度引入渠河通過龍鳳和小白塔水電站機組發(fā)電，以此可提高來水發(fā)電效率約40%。

3.2 過軍渡和三星水電站電水優(yōu)化調(diào)度及經(jīng)濟(jì)運行措施

分別以流量占全年總天數(shù)的87.34%(流量≤550 m3/s)和5.36%(550 m3/s≤流量≤1 000 m3/s)兩種情況為例進(jìn)行說明。

當(dāng)流量≤550 m3/s時，經(jīng)渠河分流約134 m3/s后，進(jìn)入過軍渡庫區(qū)流量小于414 m3/s。因過軍渡水電站機組滿發(fā)流量為456 m3/s，所以經(jīng)渠河分流后的剩余流量并不能保持過軍渡站2臺機組持續(xù)滿發(fā)。三星水電站通過閘門泄放生態(tài)流量約60 m3/s，所以，在涪江流量≤550 m3/s時，三星水電站機組也無法持續(xù)保持機組長期滿發(fā)。因公司在省網(wǎng)下網(wǎng)電價的調(diào)整，目前過軍渡和三星水電站機組不需要沖早晚高峰負(fù)荷，在機組高效發(fā)電上只需要通過機組導(dǎo)葉開度調(diào)整保持前池高水位和機組高水頭運行即可。

在上游來水流量≥550 m3/s、≤1 000 m3/s時，需根據(jù)流量區(qū)間適時通過機組滿發(fā)耗水對過軍渡和三星水電站庫區(qū)提前騰庫，盡量減少直接通過大壩閘門的泄水量，以確保對上游來水的充分利用(見表4)。

表4 過軍渡和三星水電站不同流量下庫區(qū)建議調(diào)節(jié)深度

過軍渡和三星水電站機組均屬于軸流轉(zhuǎn)槳式機組，集控站能通過遙調(diào)使調(diào)速器精準(zhǔn)達(dá)到當(dāng)前水頭下的最優(yōu)發(fā)電工況，能有效避開機組低效率發(fā)電區(qū)間。但針對部分特殊時段(市防洪辦庫區(qū)特殊運行方式、泄洪時)，因前池尾水變化導(dǎo)致機組水頭變化大于0.5 m左右時，現(xiàn)地運維人員需及時對調(diào)速器水頭進(jìn)行修改，以達(dá)到調(diào)速器最優(yōu)運行工況、高效利用水源多發(fā)多供的目的。

3.3 過軍渡和三星水電站電水優(yōu)化調(diào)度及效益

根據(jù)近5年對涪江上游來水短時超過機組額定流量次數(shù)統(tǒng)計(平均5次/a)，可算出在梯調(diào)集控站統(tǒng)籌調(diào)度下，通過電水優(yōu)化調(diào)度每年可增加發(fā)電量(見表5)：

57.3×5=286.5萬kW·h。

表5 過軍渡和三星水電站單次騰庫增發(fā)電量

3.4 4座水電站電水優(yōu)化調(diào)度及經(jīng)濟(jì)運行效益合計

通過對龍鳳和小白塔水電站機組經(jīng)濟(jì)運行及過軍渡和三星水電站電水優(yōu)化調(diào)度措施的落實，合計增加發(fā)電量及公司售電效益(按居民生活用電最低檔電價計算)：

(319.2+286.5)×0.522 4元/kW·h=316.418萬元。

4 各水電站機組組合運行方式

4.1 過軍渡和三星水電站機組開機組合方式

過軍渡和三星水電站機組開度出力表及不同流量下參考開機組合方式如下所示(見表6)。

表6 過軍渡和三星水電站機組開度出力

4.2 4座水電站不同流量下機組開停機順序及組合運行方式

根據(jù)對各水電站機組協(xié)聯(lián)曲線參數(shù)和各臺機組相同水頭下的實際出力效率情況收集分析，為保證讓上游來水通過各水電站時高效發(fā)電，對4座水電站機組在不同流量下的開停機順序及組合運行方式確定如下(見表7、表8)：

表7 不同流量下龍鳳和小白塔水電站參考開機順序及組合方式

表8 不同流量下過軍渡和三星水電站參考開機順序及組合方式

5 其他多發(fā)多供相關(guān)措施

5.1 強化機組進(jìn)水口清污

在汛期，集控站和現(xiàn)地運維人員需有效協(xié)同配合，加強對機組進(jìn)水口攔污柵的清污工作。集控站運行人員需根據(jù)前池水位、水頭和機組負(fù)荷變化情況對機組進(jìn)水口攔污柵是否堵塞進(jìn)行分析判斷，督促現(xiàn)地值守人員檢查核實進(jìn)水口攔污柵堵塞情況，要求及時清污。同時，現(xiàn)地值守人員也需加強對攔污柵淤堵情況的定期檢查，實時清污，確保機組各流道順暢，保持機組高水頭高效率運行。

5.2 汛期閘門調(diào)節(jié)過程中機組導(dǎo)葉開度和調(diào)速器水頭的勤調(diào)整

各水電站在汛期閘門調(diào)整范圍較大時，尾水高

程隨著閘門開度的變化實時變化明顯，對機組的出力影響較大。集控與現(xiàn)地運維人員需加強信息溝通和配合協(xié)調(diào)，現(xiàn)地運維人員需實時根據(jù)水頭的變化對調(diào)速器運行水頭和導(dǎo)葉開度進(jìn)行調(diào)整，時刻保持機組在良好運行工況下滿發(fā)滿供。

5.3 避免機組長時間在低效區(qū)間運行

根據(jù)4座水電站各機組運行特性曲線，在額定水頭附近，三星水電站機組在有功出力低于9 MW時效率將降至0.91及以下，過軍渡水電站機組在有功出力低于10 MW時效率將降至0.93及以下，龍鳳和小白塔水電站機組分別在有功出力低于1.8、0.8 MW時效率將降至0.90及以下，機組運行時應(yīng)避免長時間在此低效率區(qū)運行。

6 結(jié) 語

通過對一定流域內(nèi)電站的梯調(diào)集控，不僅解決了以往上下游電站水情信息不暢、騰庫泄水、防洪度汛等工作各自為陣的諸多問題，還能充分發(fā)揮梯調(diào)集控站監(jiān)控中樞和廠站調(diào)度的功能，為數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和水資源的高效利用提供有力保證。

雖然梯級水電站電水優(yōu)化調(diào)度和機組經(jīng)濟(jì)運行受水情信息的準(zhǔn)確性、洪調(diào)水調(diào)要求、河道安全運行和機組振動區(qū)間等因素影響較大，但隨著各水電站智慧電廠建設(shè)，再借助科學(xué)手段對上游準(zhǔn)確流量、不同流量流速、各站可調(diào)節(jié)庫容等數(shù)據(jù)進(jìn)行精確掌握，各水電站優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運行工作將會越來越科學(xué)有效，梯級水電站效益最大化也將成為常態(tài)。