石泉水電站增容發電量分析

洪　華

(大唐石泉水力發電廠，陜西省石泉縣　725200)

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石泉水電站增容發電量分析

洪華

(大唐石泉水力發電廠，陜西省石泉縣725200)

摘要：石泉水電站經過40多年運行，入庫徑流、有效庫容、徑流資料序列、水庫的調節能力、防洪要求及環境因素都發生了變化，電站原設計電量已不能作為評判水庫效能的指標依據；加之機組老化嚴重，亟需增容改造，所以對其能量指標復核十分必要。對石泉水電站機組增容改造后，提高了水量利用率，增加了發電量，獲取了經濟效率。

關鍵詞：石泉水電站；增容；多年平均發電量；能量復核

0前言

石泉水電站目前裝機容量22.5萬kW(5×4.5萬kW，混流式水力發電機組)，由兩期工程組成。一期工程裝機容量13.5萬kW(3×4.5萬kW)，于1971年開工， 1975年7月全部3臺機組并網運行，設計水量利用率65%，設計年發電量6.34億kWh，1995年復核設計年發電量6.06億kWh。二期工程裝機容量9萬kW(2×4.5萬kW)，1998年開工，2000年11月2臺機組并網運行，設計年發電量1.75億kWh。

一期工程機組已運行40 a，機組已到使用壽命期,出現水輪機磨蝕和漏水嚴重、機組效率較低、發電機絕緣老化、定子鐵芯嚴重變形以及定子繞組已出現老化等問題。上述機組存在的主要問題給機組的安全穩定運行帶來嚴重影響，加之受到當年設計水平、設備材料和加工工藝的限制，設備缺陷較多，潛藏的安全隱患較大，危及到電站和機組的安全。鑒于上述實際存在的問題，應利用當代技術，通過重新設計和制造，將已運行40 a的老機組更換為具有當今水平的新機組，以重新建立整機的機械和電氣性能，消除機組長期運行帶來的安全隱患，確保機組能長期安全穩定運行，目前初步的設計結論是一期工程通過設備更換單機容量可達到5萬kW。

石泉水庫經過40 a運行，目前庫容系數1.7%，調節能力嚴重降低，基本是日調節水庫；二期工程投運后，多年平均發電量6.45億kWh(2001—2013年)，與設計年發電量7.81(6.06+1.75)億kWh相差甚遠，所以復核設計發電量很有必要。

1分析方法

水電站出力N計算的基本公式：

N=9.81 ηQH

(1)

式中：Q為通過水輪機的流量，m3/s；H為水電站凈水頭，m；η為水電站效率，等于水輪機效率、發電機效率和機組傳動效率的積；9.81η又稱機組出力系數K。

水電站在不同時段的出力，因電網負荷的變化、庫容情況、入庫流量變化而不斷變動。所以，水電站在[t1～t2]時段內的發電量E：

(2)

由于機組出力的不連續性，在實際應用中一般用式(3)(差分法)計算水電站的發電量：

(3)

式中：Np為水電站某一時段的平均出力，Np=KQpHp；Qp為該時段的平均發電流量；Hp為相應時段的平均水頭。

約束條件如下：

(1) 各時段水量平衡約束

(4)

式中：Vt+1為t時段末庫容；Vt為t時段初庫容；Qt為t時段入庫流量平均值；qt為t時段出庫流量平均值，包括發電流量和棄水流量。

(2) 庫容約束

(5)

式中：Vx為水庫在t時段的下限約束值；Vs為水庫的上限約束值。

(3) 水庫泄流能力約束

水庫下泄流量qt受水庫泄洪建筑物最大泄流能力Gt制約，即：

(6)

(4) 出力約束

(7)

式中：Nx為水電站出力的下限值，為系統所要求的最低出力；Ns為水電站出力的上限值，為預想出力或裝機容量。

(5) 水電站水頭約束

(8)

式中：Hx為水電站允許最小水頭；Hs為水電站允許最大水頭。

(6) 還有水庫調度約束和水庫調度規則約束[1-2]。

2發電量復核計算

2.1水文序列

資料序列：本次多年平均設計發電量計算采用全部水文系列(1954—2013年)及代表典型年日平均徑流資料分別計算。典型年至少采用豐、平、枯各兩年共6 a(或更多)的資料，分別按照保證率為10%、50%、90%；20%、50%、80%選定典型年。

石泉水庫建壩前壩址處設有石泉水文站，建壩后的水文資料由水電站觀測和整理，水文系列為1954—2013年(缺1973—1975年流量數據資料)。石泉水庫屬于峽谷型河道水庫，建庫前后蒸發量相差不大，庫盆由透水微弱的花崗巖類及變質巖類構成，周圍為高山峻嶺，地形閉合，分水嶺高厚，庫水無大的永久滲漏問題。因此，在計算年平均發電量時，不再額外扣除蒸發滲漏損失，直接采用1954—2013年長系列數據進行多年徑流調節計算。具體多年平均發電量復核計算時段選擇是：長系列旬平均徑流調節和典型年日徑流(豐、平、枯；保證率分別為10%、50%、90%；20%、50%、80%)調節2種算法進行徑流調節計算。

2.2石泉水電站運行情況

石泉水電站一期工程于1975年全部3臺機組并網運行，二期工程于2000年并網運行。至2013年共發電228.06億kWh，其中一期工程單獨運行(1975—2000年)時發電144.67億kWh，平均年發電量5.55億kWh；全部二期5臺機運行(2001—2013年)時發電83.80億kWh，平均年發電量6.45億kWh。

石泉水庫1954—1972年多年平均入庫流量為343.2 m3/s，而1954—2013年(缺1973—1975年)多年平均入庫流量為301.8 m3/s。顯然，徑流系列加長后，多年平均入庫流量降低到原設計徑流系列入庫流量的88%，徑流序列更具代表性。

2.3發電量復核計算

按以上方法，依據長系列旬平均徑流調節和典型年日徑流調節2種算法分別對石泉水電站原5臺機組、裝機容量22.5萬kW和考慮增容后裝機容量24萬kW進行年發電量計算。成果見表1～3(出力系數依據實際運行資料分析整理后，按8.35、8.4和8.5分別計算年發電量)。

表1　　　　石泉水電站不同水文資料年平均發電量計算結果對

表2　　　　石泉水電站不同水文資料年平均發電量計算結果對

表3　　　　石泉水電站不同水文資料年平均發電量計算結果對

3復核結果分析

3.1電站實際運行指標統計分析

(1) 出力系數

徑流調節電量計算的一個重要參數為電站出力系數K值，葉秉如[3]建議中型電站K一般取8.0；黃強[4]建議中型水電站(N=50～300 MW)，取K=8.0～8.5；待機組選定時，再合理分析計算，并作出修正。

1995年水利部南京水文水資源研究所在對石泉水電站能量復核時,根據資料分析出K值為8.31。

根據《石泉二期工程初步設計報告》，對石泉水電站1974—1990年運行資料中的1987—1990年4 a逐日運行資料進行統計計算，求得電廠在毛水頭下的綜合出力系數為8.41[5]。

根據石泉水電站提供的1976—2013年共38 a電站實際運行月平均出力、發電引用流量、水頭等資料，推求電站多年平均出力系數為8.48。

本次復核綜合考慮電站以往的統計資料、設計規范以及石泉水電站實際運行情況等多種因素，電量復核計算成果按電站出力系數K取值為8.4。同時為了進一步分析電站出力系數對多年平均發電量結果的影響，分別將K值取為8.35和8.5進行對比分析，成果可比性強。

(2) 水量利用率

根據長系列時歷法的計算結果，統計1954—2013年多年平均電站棄水量為23.20億m3，多年平均來水量為93.89億m3，裝機5×45 MW水量利用率為75.3%；1—3號機更換后裝機容量為3×50 MW+2×45 MW時，統計1954—2013年多年平均電站棄水量為22.5億m3，多年平均入庫徑流量為93.89億m3，石泉水庫的水量利用率為76.0%。

電站原設計水量利用率65%，在不斷的優化調度，節水增發，實施主汛期動態控制提高水量利用率的情況下，統計1976—1998年3臺機時實際水能利用率為61%；2001—2014年5臺機的水量利用率74.3%。

3.2不同資料序列及不同裝機容量下的結果分析

1954—1972年水文資料：根據徑流系列1954—1972年水文資料，按石泉技術報告徑流調節水庫調度圖計算，電站裝機規模為5×45 MW時，年平均發電量為7.620億kWh；電站裝機規模為3×50 MW+2×45 MW時，年平均發電量為7.776億kWh。

1954—2013年水文資料：根據徑流系列1954—2013年水文資料，按漢江石泉水電站技術報告徑流調節水庫調度圖計算，電站裝機規模為5×45 MW時，年平均發電量為6.845億kWh；電站裝機規模為3×50 MW+2×45 MW時，年平均發電量為6.976億kWh。

采用典型年日徑流調節計算方法，電站裝機容量為240 MW(2×45 MW+3×50 MW)時，電站年加權平均發電量約為億6.381億kWh。裝機容量為225 MW(5×45 MW)時，年平均發電量為6.276億kWh。見表4。

表4　豐、平、枯典型年發電量(K=8.4)表　/億kWh

從復核結果可以看出，隨著資料序列的延長，徑流量呈逐年減少趨勢，平均發電量隨之減少；典型年計結果比長系列資料計算結果有所減少，但與電站實際運行統計結果接近。長系列采用旬流量計算，計算時段長，雖可滿足要求，但均化了入庫流量使棄水減少導致計算電量偏大，與其它水電站的結論基本相同[6-8]。

3.3增容改造后的電量結果分析

從3.2節的結果可以看出，采用典型年日徑流調節計算方法，增容后年平均發電量與增容前相比可以增加約0.105億kWh，采用長系列時歷法計算增容后年平均發電量與增容前相比可以增加0.131億kWh，基本接近。1～3號更換后，電站因減小機組停機漏水而增加的年平均發電量約為0.069 6億kWh，同時消除了舊機組由于水輪機轉輪葉片變形而導致效率降低可多獲得電量效益為0.020 5億kWh，水輪發電機組加權平均效率初估可增加約3.0%～3.5%左右，發電量增加值為0.1232～0.143 8億kWh；根據石泉水電站檢修和改造的原始記錄，統計1976—2013年1～3號機組在汛期相應檢修時段的停運電量效益約為0.027 8億kWh。在不考慮1～3號機組存在安全隱患可能帶來電量損失，僅從機組更換容量增加，效能提高方面考慮，石泉水電站1～3號更換后增加的電量效益合計為0.372 1億kWh。

3.4存在的問題

從計算結果看，應用1954—2013年的長系列水文資料計算及典型年計算方法復核的電量指標與實際運行統計數據都較接近。典型年電量小,是水庫調節能力接近實際運行狀態；長系列的電量大，屬旬序列調節計算，提高了水能利用率。

水量利用率與實際比較偏大。水量利用率原設計值65%，實際統計1976—1998年3臺機時水能利用率61%；按2001—2014年的實際水量利用率為74.3%(不考慮水能利用提高率增大的增發情況僅為71%),實際運行中通過優化調度，節水增發，實施主汛期動態控制提高水量利用率,復核時按實際運行統計資料計算會出現水量利用率提高，綜合出力系數增大。

裝機年利用小時數偏大。根據石泉電站的實際運行資料統計，1975—2000年電站裝機容量為135 MW，實際年利用小時數為4 110 h，而復核為4 692 h， 2001—2014年電站裝機容量為225 MW，實際年平均利用小時數僅2 670 h(剔出汛限水位動態控制增發因素)，本次復核電站裝機容量為225 MW，年利用小時數3 043 h，高于實際統計值。

4結論

石泉水電站機組增容改造后，水量利用率提高，平均年發電量增加5.3%，因此從提高石泉水電站的水能利用效率上看，進行機組增容改造也是十分必要的。長系列水文資料計算的多年平均發電量比較真實地反映電站發電效益情況，即水文系列愈長計算的結果愈接近真實值，推薦采用1954—2013年長系列水文資料對電站不同裝機容量下的指標復核結果。經過40多年運行，電站相應的特征指標發生了變化，對石泉水電站能量指標進行復核是必要的，希望復核的結果能為指導水電站運行提供幫助，加速機組增容改造進程，以充分利用水資源，獲得更大的經濟效益。

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Analysis on Power Generation after Extension, Shiquan Hydropower Plant

HONG Hua

(Datang Shiquan Hydropower Plant, Shiquan County, Shaanxi725200,China)

Abstract:Through over 40-year operation, inflow runoff, effective storage capacity, runoff data series, reservoir regulating capacity, flood control requirement and environmental factors of the hydropower plant all are changed. The original design power generation cannot be applied as an indicator to evaluate the reservoir efficiency. Furthermore, the hydropower plant needs to be updated and extended with the serious aging of the plant equipment. Therefore, it is necessary to recheck the energy indicator. After the plant extension, water utilization is improved, the power generation is increased and the economic benefit is obtained.

Key words:Shiquan Hydropower Plant; capacity extension; average carryover power generation; energy recheck

中圖分類號：TV74

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.017

作者簡介：洪華(1975- )，女，陜西省安康市人，工程師，主要從事水資源、水能及水庫調度管理工作.

收稿日期：2015-07-07

文章編號：1006—2610(2016)01—0064—04