桃源水電站多機(jī)組動(dòng)態(tài)控制水位下過流能力分析

張秀萍 卜福明

(1. 國電投江西公司上猶江水力發(fā)電廠,江西 贛州 341000;2. 中國水電顧問集團(tuán)桃源水電開發(fā)有限公司,湖南 常德 415000)

桃源水電站為低水頭河槽徑流式水電站,電站的開發(fā)任務(wù)主要是發(fā)電,兼顧航運(yùn)、旅游等綜合利用。 電站上游距水電站38.2km,往下匯入洞庭湖。 水庫控制集水面積8.67 萬km2,正常蓄水位39.50m,死水位39.30m。 電站安裝9 臺(tái)單機(jī)容量20MW 的貫流式水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量180MW,水輪機(jī)有效水頭2.00 ～9.70m,額定水頭5.60m,單機(jī)額定流量410.97 m3/s,裝機(jī)滿負(fù)荷發(fā)電最大設(shè)計(jì)引用流量3699m3/s[1]。桃源水電站按設(shè)計(jì)是無調(diào)節(jié)庫容的,運(yùn)行時(shí)庫水位應(yīng)保持在39.50m。 在實(shí)際運(yùn)行過程中,由于通航需求及機(jī)組安全運(yùn)行水頭約束,該水電站庫水位在枯水期時(shí)段水位無法保證維持在正常蓄水位,電站樞紐已就當(dāng)前的情況與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通,對(duì)死水位重新進(jìn)行了可行性分析,并通過了38.80m 死水位論證[2],使得樞紐具備一定的日調(diào)節(jié)能力。 桃源水電站樞紐下游全景見圖1。

圖1 桃源水電站樞紐下游全景

1 問題的提出

桃源水電站具備調(diào)節(jié)能力后,就需要考慮騰庫調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性問題。 徑流式電站因尾水附近的水力條件比較復(fù)雜,理論設(shè)計(jì)較實(shí)際情況存在較大的不確定性及誤差,設(shè)計(jì)的尾水水位流量關(guān)系基本無法滿足實(shí)際需求,所以由NHQ 曲線查得的發(fā)電流量得到的尾水位與其對(duì)應(yīng)的水頭關(guān)系往往不能在數(shù)理上形成閉合,出庫流量和水頭互相制約,導(dǎo)致不能直觀判斷當(dāng)前備用機(jī)組的過水能力,在根據(jù)來水情況通過增加出力進(jìn)行降水位優(yōu)化調(diào)度時(shí),就無法保證最優(yōu)的騰庫深度,騰庫過早會(huì)導(dǎo)致騰庫太深而達(dá)不到最優(yōu)出力,騰庫過遲又會(huì)導(dǎo)致騰庫深度不夠而增加棄水量。 結(jié)合該水電站運(yùn)行實(shí)際情況,設(shè)備的臨時(shí)性消缺比較多,難免會(huì)出現(xiàn)來水略大于可用機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電流量的情況,特別是主變消缺的情況,需要停3 臺(tái)機(jī)組。 為保證盡量多發(fā)電量和盡可能地減少棄水,就需要提前進(jìn)行騰庫運(yùn)行操作。 騰庫的目的:一是盡可能調(diào)節(jié)來水,重復(fù)利用騰庫庫容增發(fā)電量,騰庫的過程即是增發(fā)電量的過程;二是通過騰庫適當(dāng)減少水頭,增大耗水率從而減少棄水量[3]。 為保障發(fā)電效益最大化,提高水量利用率,需要根據(jù)當(dāng)前來水情況進(jìn)行降水位調(diào)度時(shí),就要了解當(dāng)前可用機(jī)組在額定滿負(fù)荷發(fā)電出力條件下的最大過流能力,以判斷是否滿足來水需求,從而可以為降水位調(diào)度提供目標(biāo)水位參考,進(jìn)而優(yōu)化降水位調(diào)度過程。

2 計(jì)算模型分析

根據(jù)機(jī)組NHQ 公式計(jì)算原理,當(dāng)機(jī)組出力一定時(shí),發(fā)電流量越大水頭越低;當(dāng)水頭一定時(shí),出力同發(fā)電流量成正比例關(guān)系。 不考慮下游回水的頂托影響,下游水位只與出庫流量有關(guān),即下游尾水水位流量關(guān)系為單一流量關(guān)系,那么在沒有庫水位約束的情況下,額定出力下多機(jī)組組合的最大過水能力只與水頭相關(guān),由此就有額定出力下的水頭流量關(guān)系曲線。 以該水電站為例,電站9 臺(tái)水輪機(jī)組均為同一型號(hào)機(jī)組,假定各機(jī)組的機(jī)組綜合出力系數(shù)一致,不考慮水頭損失,當(dāng)機(jī)組出力相同時(shí),總的發(fā)電流量即為單機(jī)發(fā)電流量乘以開機(jī)臺(tái)數(shù)。 不考慮庫水位約束,根據(jù)其NHQ 曲線,該水電站多機(jī)組過水能力見表1。

表1 無庫水位約束的額定負(fù)荷下多機(jī)組水頭流量關(guān)系

在實(shí)際運(yùn)用過程中,徑流式電站都有最高庫水位約束,意味著開機(jī)臺(tái)數(shù)越多,流量越大,額定負(fù)荷對(duì)應(yīng)的水頭區(qū)間將變窄。 以桃源水電站為例,其正常運(yùn)行水位為39.50m,9 臺(tái)機(jī)均處于額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的水頭區(qū)間就不可能達(dá)到9.70m,以此類推,可用機(jī)組越少,其處于額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的水頭選擇區(qū)間就越大。 所以需要引入庫水位約束后修正的水頭流量關(guān)系。

在負(fù)荷一定的情況下,NHQ 公式可以簡化為流量與水頭的單一關(guān)系[4],通過與尾水水位流量關(guān)系聯(lián)立方程組,在正常庫水位運(yùn)行時(shí),各流量所對(duì)應(yīng)的水頭最大,此時(shí)就可以得到額定出力下多機(jī)組發(fā)電的最小過流能力曲線。 如果電站具備日調(diào)節(jié)性能,則按最低庫水位運(yùn)行時(shí),各流量所對(duì)應(yīng)的水頭最小,在保證滿足額定水頭的情況下,就可以得到額定出力下多機(jī)組發(fā)電的最大過流能力曲線,兩條線所圍成的區(qū)域即為額定出力下多機(jī)組發(fā)電的過流能力區(qū)間。 同理,設(shè)置不同的庫水位就可得到多條不同的多機(jī)組發(fā)電過流能力曲線,即可對(duì)這個(gè)過流能力區(qū)間進(jìn)行加密。

根據(jù)NHQ 公式計(jì)算原理,在額定出力情況下,單機(jī)發(fā)電流量與水頭為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,即有

式中:q發(fā)電流量,m3/s;Δh為發(fā)電水頭,m。

結(jié)合尾水流量關(guān)系曲線及總發(fā)電流量與單機(jī)流量關(guān)系,聯(lián)立解算的模型為

式中:Q為總發(fā)電流量,m3/s;Z上為庫水位,m;Z下為壩下水位,m;n為開機(jī)臺(tái)數(shù);q為發(fā)電流量,m3/s;Δh為發(fā)電水頭,m。

其中開機(jī)臺(tái)數(shù)及庫水位均為人工設(shè)定的已知參數(shù)。 經(jīng)過模型的整理,可以得到一個(gè)關(guān)于庫水位與機(jī)組臺(tái)數(shù)、水頭的關(guān)系式:

即根據(jù)當(dāng)前可用機(jī)組的臺(tái)數(shù),可以解算出在不同庫水位控制運(yùn)行情況下的機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)的水頭,滿負(fù)荷發(fā)電水頭確定后即可反算出壩下水位,進(jìn)而推算出不同庫水位控制運(yùn)行情況下多機(jī)組的滿負(fù)荷發(fā)電流量關(guān)系。

3 具體模型解算

對(duì)于該水電站,正常庫水位為39.50m,最低庫水位按38.80m 計(jì)算,則水電站庫水位Z上的約束條件為大于38.80m、小于39.50m;根據(jù)該水電站水輪機(jī)特征曲線,在額定出力情況下,單機(jī)發(fā)電流量與水頭關(guān)系為

式中:q為發(fā)電流量,m3/s;Δh為發(fā)電水頭,m。

由于本文論述的是避免發(fā)生棄水情況下的過流能力分析,所以考慮的尾水流量關(guān)系為9 臺(tái)機(jī)組最大過流流量以下的水位流量關(guān)系,根據(jù)曼寧公式,采用最小二乘法對(duì)實(shí)際運(yùn)行資料進(jìn)行擬合[5],得到以下關(guān)系:

式中:Z下為尾水水位,m;Q為流量,m3/s。

將式(3)和式(2)的模型進(jìn)行聯(lián)立,整理后即為

式中:Z上為庫水位,m;n為開機(jī)臺(tái)數(shù);Δh為發(fā)電水頭,m。

根據(jù)該水電站的實(shí)際運(yùn)行情況,該水電站為“三機(jī)一變”設(shè)計(jì),即3 臺(tái)機(jī)組掛1 臺(tái)變壓器,正常情況下,檢修期按最多同時(shí)有1 臺(tái)機(jī)組消缺加1 臺(tái)主變消缺計(jì)算,退出備用的機(jī)組最多為4 臺(tái),那么按可用機(jī)組最少開機(jī)臺(tái)數(shù)為5 臺(tái)機(jī)起算,庫水位計(jì)算按步長0.10m 計(jì)算,死水位38.80m 為約束水位,水頭按迭代計(jì)算,即可以計(jì)算出各開機(jī)臺(tái)數(shù)下的水頭近似解,然后由水頭反算出發(fā)電流量,從而可以得到不同庫水位條件下多機(jī)組的最大發(fā)電流量,具體計(jì)算結(jié)果見表2,繪制的曲線見圖2。

表2 不同庫水位多機(jī)組額定出力工況下過流能力

圖2 不同庫水位不同組合機(jī)組額定出力工況下過流能力

從圖2 不僅可以看出不同組合機(jī)組在不同庫水位運(yùn)行控制下的最大過水流量,同時(shí)也可看出不同組合機(jī)組額定出力下受庫水位約束或額定水頭約束下的最大過水流量。 例如:在有9 臺(tái)機(jī)組可用的情況下,不考慮水頭損失,為保證最大出力效率,庫水位最多消落至39.40m 左右,過流能力為3500m3/s 左右。 預(yù)期來水不大于3500m3/s 時(shí),按出、入庫平衡控制,按庫水位39.40 ～39.50m 實(shí)時(shí)調(diào)整滿負(fù)荷運(yùn)行;預(yù)期來水大于3500m3/s 時(shí),最大庫水位消落至39.40m。 同理,在有8 臺(tái)機(jī)組可用的情況下,為保證最大出力效率,預(yù)期來水不大于3100m3/s 左右時(shí),按出、入庫平衡控制,按庫水位39.00 ～39.50m 實(shí)時(shí)調(diào)整滿負(fù)荷運(yùn)行;預(yù)期來水大于3100m3/s 時(shí),最大庫水位消落至39.00m。 根據(jù)多機(jī)組額定出力工況下的過流能力,結(jié)合來水預(yù)測情況,可以較直觀地判斷騰庫深度,判斷棄水產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)程度,結(jié)合“先騰庫后回蓄”的優(yōu)化調(diào)度要求,采用不同的降水位策略,為機(jī)組檢修及消缺計(jì)劃決策提供直觀依據(jù)。

4 結(jié) 語

降水位調(diào)度的目的,一是盡可能調(diào)節(jié)來水,重復(fù)利用騰庫庫容增發(fā)電量,騰庫的過程即是增發(fā)電量的過程;二是通過降低庫水位可以適當(dāng)減少水頭,以減少棄水水量。 降水位調(diào)度必然需要考慮最低控制水位的約束,騰庫過深不僅可能導(dǎo)致出力受限,而且可能導(dǎo)致在回蓄時(shí)水位調(diào)整偏大,使整個(gè)騰庫調(diào)度過程得不償失。所以,通過當(dāng)前可用機(jī)組數(shù)量以及預(yù)測入庫流量確定最低庫水位約束,可以確定降水位的時(shí)間,以保證“先騰庫后回蓄”得到最大的平衡,實(shí)現(xiàn)效益最大化,以達(dá)到“度電必爭,提質(zhì)增效”的目的。