梯級(jí)反調(diào)節(jié)電站最優(yōu)運(yùn)行水位控制分析

譚 君，伍 昕，鐘平暉

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 概述

凌津?yàn)┧娬镜靥幒鲜√以纯h境內(nèi)，距上游五強(qiáng)溪水電站47.5 km，距下游桃源水電站38.2 km，壩址控制集雨面積85 800 km2，占沅水流域總面積的95.3%，多年平均流量為2 090 m3/s。廠房裝機(jī)9臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量為9×30 MW，保證出力56.6 MW，多年年平均發(fā)電量為12.15億kW·h，水庫校核水位62.93 m，總庫容6.34億m3，正常蓄水位51.00 m，汛期限制水位50.00 m，僅具日調(diào)節(jié)能力，是一座以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、防洪效益，并作為上游五強(qiáng)溪水電站的反調(diào)節(jié)電站。

2 電站運(yùn)行現(xiàn)狀

2.1 凌津?yàn)┧娬咎匦苑治?/h3>

（1）凌津?yàn)┧畮炜烧{(diào)節(jié)庫容較小，上下游水位變化較快。凌津?yàn)┛値烊?.34億m3，其中50～51 m之間庫容僅為0.242億m3，從圖1可以看出，凌津?yàn)┧粠烊萸€較陡，當(dāng)凈入庫流量達(dá)到300 m3/s時(shí)，庫水位上升速度為0.2 m/h，當(dāng)凈入庫流量達(dá)到600～700 m3/s時(shí)，庫水位上升速度為0.1 m/h；通過查凌津?yàn)╇娬镜奈菜涣髁壳€可知，當(dāng)出庫流量為290 m3/s（單機(jī)滿發(fā)流量）時(shí)[1]，下游尾水位38 m，出庫流量為2 700 m3/s（8臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量）時(shí)，下游尾水位40.87 m，兩者相差2.87 m。

圖1 凌津?yàn)┧粠烊萸€

（2）水頭對(duì)機(jī)組耗水率、出力影響較大。凌津?yàn)╇娬緸闊襞葚灹魇綑C(jī)組，凌津?yàn)┧^耗水率曲線見圖2，從圖2可知，當(dāng)水頭低于8 m時(shí)，耗水率大大增加；設(shè)計(jì)水頭8.5 m，最大水頭13.2 m，經(jīng)分析計(jì)算得知，當(dāng)水頭大于8.5 m時(shí)，每提高0.5 m、1 m、1.5 m、2.0 m，單位耗水率分別可降低4.7%、9.2%、13.4%、17.5%。實(shí)際運(yùn)行過程中因攔污柵、攔污排等原因造成的水頭損失約為0.5 m，故水頭低于9.0 m時(shí)機(jī)組達(dá)不到設(shè)計(jì)出力[2]，且下游桃源水電站2014年全部投產(chǎn)發(fā)電后，對(duì)凌津?yàn)┪菜划a(chǎn)生雍高作用，經(jīng)實(shí)際分析計(jì)算得知，凌津?yàn)┏鰩炝髁? 000 m3/s（尾水位為39.36 m）時(shí)，下游的桃源電站將對(duì)凌津?yàn)╇娬镜奈菜划a(chǎn)生頂托作用[3]，減小了凌津?yàn)┻\(yùn)行水頭，機(jī)組出力也將受到影響。

圖2 凌津?yàn)┧^耗水率曲線

（3）騰庫造成的隱性損失。凌津?yàn)┧娬緩?018年開始逐步進(jìn)行機(jī)組主軸軸頸裂紋處理，預(yù)計(jì)到2027年才能完成全部9臺(tái)機(jī)組的主軸更換工作。機(jī)組主軸更換檢修工期跨越沅水流域枯水期，凌津?yàn)┧娬緝H有8臺(tái)機(jī)組可調(diào)運(yùn)行方式，今后幾年將會(huì)成為常態(tài)。凌津?yàn)┧娬?臺(tái)機(jī)滿發(fā)流量約2 700 m3/s，最大出力22.7萬kW，當(dāng)上游五強(qiáng)溪水電站大方式運(yùn)行且日均出庫流量略小于凌津?yàn)╇娬?臺(tái)機(jī)最大發(fā)電引用流量時(shí)，凌津?yàn)┧娬救绮徊扇√崆膀v庫措施，即面臨棄水，而在非汛期凌津?yàn)┤舭l(fā)生棄水，按規(guī)定需向湖南省調(diào)和能監(jiān)辦做出解釋說明，此操作難度較大。故在實(shí)際調(diào)度過程中，為避免凌津?yàn)壦扇〉凸葧r(shí)段騰庫的原則，最低降至死水位運(yùn)行，從上節(jié)可知，水頭對(duì)燈泡貫流式機(jī)組出力影響較大，選取2021年8月1日至9月25日機(jī)組出力情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，凌津?yàn)﹩闻_(tái)機(jī)組水頭與出力對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖3。

圖3 凌津?yàn)﹩闻_(tái)機(jī)組水頭與出力對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖3中分析得知：機(jī)組水頭每抬高0.1 m，機(jī)組出力可增加約0.5 MW，按8臺(tái)機(jī)計(jì)算，全廠總出力可增加4 MW。

因此提高凌津?yàn)┻\(yùn)行水位，對(duì)提高發(fā)電運(yùn)行水頭、降低耗水率、增加發(fā)電效益，具有十分重要的意義。

2.2 凌津?yàn)┛刂扑贿吔鐥l件研究

五強(qiáng)溪至凌津?yàn)﹨^(qū)間總集水面積為2 000 km2，五強(qiáng)溪至凌津?yàn)┧鱾鞑r(shí)間約1.5 h，凌津?yàn)┝饔虻暮樗涤杀┯晷纬?，其時(shí)空變化特性與暴雨情況一致，每年4月～8月汛期，年最大洪水多發(fā)生在4月中旬～8月，以5月～7月發(fā)生次數(shù)最多，9月～10月很少出現(xiàn)年最大洪水，五強(qiáng)溪-凌津?yàn)﹨^(qū)間1925～2021年逐月平均流量見表1。

表1 五強(qiáng)溪-凌津?yàn)﹨^(qū)間1925～2021年逐月平均流量

從表1可以看出，凌津?yàn)┧娬驹缕骄髁繛?2 m3/s，9月～次年3月平均流量為43 m3/s，因此其來水主要受上游五強(qiáng)溪出庫影響。

五強(qiáng)溪水電站安裝5臺(tái)240 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 200 MW，保證出力25.5萬kW，多年年平均發(fā)電量53.7億kW·h，水庫總庫容43.5億m3，正常蓄水位108 m，相應(yīng)庫容30.58億m3，死水位90 m，具備季調(diào)節(jié)性能。根據(jù)目前五強(qiáng)溪實(shí)際發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，不同庫水位五強(qiáng)溪水電站滿發(fā)流量及最大出力見表2。

表2 五強(qiáng)溪水電站不同庫水位對(duì)應(yīng)滿發(fā)流量和最大出力

從表2可以看出，隨著五強(qiáng)溪庫水位升高，發(fā)電能力逐漸增加，當(dāng)五強(qiáng)溪庫水位達(dá)到101 m時(shí)，基本能達(dá)到最大發(fā)電能力。五強(qiáng)溪水電站發(fā)電運(yùn)行服從電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度，水庫調(diào)度運(yùn)用服從防汛指揮機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一指揮，根據(jù)湖南省水利廳2022年批復(fù)的五強(qiáng)溪水庫汛期控制運(yùn)用方案：五強(qiáng)溪5月1日～31日按不超過102 m控制；6月1日～7月31日在不影響五強(qiáng)溪水庫設(shè)計(jì)防洪能力正常發(fā)揮和不增加下游防洪壓力的情況下，運(yùn)行水位在98～102 m之間實(shí)施動(dòng)態(tài)控制，且根據(jù)降雨和洪水預(yù)報(bào)情況應(yīng)能及時(shí)降至98 m；8月1日以后庫水位逐步蓄至108 m。結(jié)合五強(qiáng)溪實(shí)際調(diào)度過程，非汛期其庫水位基本處于100 m以上，且在實(shí)際調(diào)度過程中，當(dāng)五強(qiáng)溪需要大方式運(yùn)行配合電網(wǎng)頂峰或者控制水位時(shí)，非汛期為避免凌津?yàn)┊a(chǎn)生棄水，通常日均出庫流量略小于下游凌津?yàn)┌l(fā)電最大引用流量。

由表2可知，當(dāng)凌津?yàn)┲挥?臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，五強(qiáng)溪庫水位在105 m以上大方式或滿負(fù)荷運(yùn)行且區(qū)間無強(qiáng)降雨過程時(shí)，凌津?yàn)┍３指咚贿\(yùn)行即可。因此主要研究在凌津?yàn)┲挥?臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，五強(qiáng)溪100～104 m不同庫水位之間以凌津?yàn)┻M(jìn)行騰庫調(diào)度不產(chǎn)生棄水的最大發(fā)電量作為邊界條件，分析比較凌津?yàn)┑淖顑?yōu)水位控制方案。經(jīng)五強(qiáng)溪、凌津?yàn)?shí)際發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，五強(qiáng)溪100～104 m不同庫水位之間以凌津?yàn)┻M(jìn)行騰庫調(diào)度不產(chǎn)生棄水為前提的最大發(fā)電量及日發(fā)電計(jì)劃曲線見圖4。

圖4 五強(qiáng)溪日發(fā)電計(jì)劃曲線

3 凌津?yàn)┳顑?yōu)水位控制分析

3.1 理論分析

在五強(qiáng)溪大方式運(yùn)行時(shí)，凌津?yàn)┯捎诳烧{(diào)節(jié)庫容較小，當(dāng)日24:00的庫水位較高，因此以凌津?yàn)焖?0.8 m作為初始值，五強(qiáng)溪-凌津?yàn)﹨^(qū)間流量為43 m3/s，枯水期五強(qiáng)溪一般2～3 d即可消落1 m庫水位，凌津?yàn)焖坏陀?0.30 m時(shí)運(yùn)行水頭已降至8.5 m以下，機(jī)組振擺明顯加劇。

由圖4、表2可知五強(qiáng)溪日發(fā)電計(jì)劃曲線及出庫流量，以此作為五強(qiáng)溪出庫流量設(shè)置，五強(qiáng)溪-凌津?yàn)﹨^(qū)間流量43 m3/s、凌津?yàn)┏跏紟焖?0.8 m作為邊界條件，理論分析計(jì)算凌津?yàn)┲挥?臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)采取騰庫措施和在50.3～50.9 m之間不同起調(diào)水位控制運(yùn)行的3 d累計(jì)發(fā)電效益，從而分析比較得到凌津?yàn)┳顑?yōu)控制水位，計(jì)算結(jié)果見表3。

從表3可知，在五強(qiáng)溪日均出庫流量處于下游凌津?yàn)┳畲蟀l(fā)電能力面臨棄水的臨界值時(shí)，不騰庫適當(dāng)提高運(yùn)行水位優(yōu)于騰庫的發(fā)電效益；在不考慮棄水的前提下，凌津?yàn)┬×髁織壦S持高水位運(yùn)行較優(yōu)，庫水位控制在50.6 m左右發(fā)電量最大；隨著起調(diào)水位增加，棄水流量加大，發(fā)電效益逐漸變小。

表3 五強(qiáng)溪不同水位下凌津?yàn)┳顑?yōu)控制水位

3.2 驗(yàn)證分析

選取五強(qiáng)溪2022年3月6日～3月14日的實(shí)際發(fā)電情況進(jìn)行驗(yàn)證分析，五強(qiáng)溪實(shí)際情況見表4凌津?yàn)?duì)應(yīng)的特征值見表5。

凌津?yàn)?shí)際初始庫水位50.76 m且只有8臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，從表4、表5可以看出，五強(qiáng)溪庫水位在100～104 m之間、日均發(fā)電量2 687萬kW·h、日均出庫流量2 536 m3/s，凌津?yàn)?shí)際調(diào)度過程中選擇避免棄水采取低谷時(shí)段騰庫措施時(shí)，發(fā)電水頭勢必降低，進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)組出力減小、耗水率增加，從而影響發(fā)電效益；若在不考慮棄水的前提下，通過適當(dāng)提高運(yùn)行水位，可以增加發(fā)電水頭、減少耗水率，發(fā)電效益優(yōu)于提前騰庫采取的低水位控制方案，且?guī)焖豢刂圃?0.6 m凌津?yàn)┌l(fā)電效益最優(yōu)。由此可知，在邊界條件基本相同的前提下，計(jì)算結(jié)果與理論分析計(jì)算基本一致。

綜上所述，當(dāng)凌津?yàn)┛菟谥挥?臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，預(yù)計(jì)日平均入庫流量遠(yuǎn)小于或略大于凌津?yàn)C(jī)組最大引用流量時(shí)，保持水庫高水位運(yùn)行較優(yōu)；當(dāng)五強(qiáng)溪大方式運(yùn)行且預(yù)計(jì)日均入庫流量處于凌津?yàn)┎或v庫即面臨棄水時(shí)，在不考慮棄水影響的前提下，庫水位控制在50.6 m小流量棄水的運(yùn)行方式發(fā)電效益最優(yōu)。

4 結(jié)論

通過分析凌津?yàn)┧粠烊?、水頭出力特性得知，提高凌津?yàn)焖贿\(yùn)行，一方面有利于增加發(fā)電水頭、降低耗水率，提升發(fā)電效益；另一方面有利于改善機(jī)組的運(yùn)行工況，增加機(jī)組安全運(yùn)行的穩(wěn)定性。且在近年凌津?yàn)┧娬疽驒C(jī)組檢修造成枯水期只有8臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，以上游五強(qiáng)溪不同庫水位之間凌津?yàn)┻M(jìn)行騰庫調(diào)度不產(chǎn)生棄水的最大發(fā)電量作為邊界條件，分析比較凌津?yàn)┎煌鹫{(diào)水位的發(fā)電效益，研究結(jié)果表明：在不考慮棄水影響的前提下，庫水位控制在50.6 m小流量棄水的運(yùn)行方式發(fā)電效益最優(yōu)。