西霞院水庫優化運行分析

劉耀 宋麗波 張鵬飛 陳健

摘要：西霞院水庫與小浪底水庫首尾相接，相互影響，經過理論計算與實際生產數據對比分析可知，在一定的下泄流量下，西霞院水庫水位會對小浪底電站機組發電量產生一定影響，為保證黃河生態調度，實現發電效益最大化，提出了兩庫優化運行建議。

關鍵詞：尾水位;流量;水頭;出力;調峰調頻;經濟效益;生態調度

0 引言

小浪底、西霞院水庫位于洛陽市以北40 km的黃河干流中游段。小浪底工程開發目標以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉和發電功能，于1999年10月蓄水運用，電站安裝了6臺單機300 MW的混流式機組。西霞院水庫為小浪底水庫的反調節水庫，位于小浪底水庫下游16 km處，該水庫是以反調節功能為主，結合發電，兼顧灌溉、供水綜合利用功能，于2007年5月蓄水運用，電站安裝了4臺單機35 MW的軸流轉漿式機組。自2009年開展小浪底、西霞院水庫聯合調度以來，在以水定電的前提下，小浪底主要按照河南電網指令參與調峰調頻，西霞院以反調節為主，按照黃委水調指令平穩下泄流量，基本實現了水電和諧發展的目標。

近年來，在兩庫聯合調度研究的基礎上，我公司開展了兩站機組優化精益運行研究，保持西霞院水庫高水位運行，以提高西霞院機組發電效益，但兩個電站相距16 km，西霞院水庫水位過高，勢必會抬高小浪底電站尾水水位，從而影響小浪底機組出力效率。針對這個問題，有必要對西霞院高水位運行對兩站機組出力產生的影響開展深度的分析研究，為黃河生態調度及兩站的精益運行提供更多的依據和理論支持。

1 理論分析依據

發電機功率計算公式：

P=9.81QHη

式中：Q為流過水輪機的流量;H為水輪機的工作水頭;η為發電機的工作效率。

水輪機的工作水頭是指水輪機進、出口斷面單位重量的水流能量之差，是水輪機做功用的有效水頭，也等于毛水頭（水庫的上下游水位差）減去引水系統的水頭損失。

因此，要研究西霞院高水位運行對兩站機組的影響，就需要研究西霞院庫水位對兩站機組工作水頭的影響。

2 小浪底機組工作水頭

小浪底機組工作水頭計算公式：

H0=H1-H2-H3

式中：H0為機組工作水頭;H1為小浪底庫水位;H2為小浪底尾水位;H3為機組引水系統水頭損失。

2.1 ? ?小浪底庫水位（H1）計算

根據《小浪底電站初步設計報告》，小浪底水庫設計采用1950—1975年的水庫調節計算成果，小浪底水庫歷年汛期、非汛期運用水位如表1所示。

根據小浪底機組實際生產情況，在非汛期下泄流量一般較低，且出入庫平衡運用，可以近似認為小浪底庫水位H1=257 m。

2.2 ? ?小浪底尾水位（H2）計算

為了準確研究小浪底尾水位與西霞院庫水位之間的關系，本文從中心水量調度處調閱近3年來兩站水位的變化情況，選擇了具有代表性的下泄流量數據進行分析。經過大量數據統計，在300 m3/s、350 m3/s、400 m3/s、500 m3/s、600 m3/s、800 m3/s下泄流量情況下，生成小浪底尾水位與西霞院庫水位對應關系曲線。通過分析得出結論，在不同下泄流量下，小浪底尾水位與西霞院庫水位變化趨勢基本一致。同時，借助數理統計理論，本文對兩者進行相關性分析。

經過計算，不同流量下西霞院庫水位與小浪底尾水位對應的相關系數如表2所示。

當下泄流量較小時，小浪底尾水位與西霞院庫水位之間可以認為具有高度正相關關系，即西霞院庫水位對小浪底尾水位有很大影響。當下泄流量為800 m3/s時，小浪底電站共用一條尾水洞的2臺機組同時運行，也會對小浪底尾水位產生影響。

假設西霞院庫水位在133～134 m變化，近似認為小浪底尾水位與西霞院庫水位之間為線性關系，即h1（小浪底尾水位）=h2（西霞院庫水位）+△h（水位差值），經過插值計算可得出不同流量下小浪底尾水位的變化范圍，水位差計算結果如表3所示。

當西霞院庫水位在133～134 m變化時，300 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.65～134.65 m;350 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.67～134.67 m;400 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.70～134.70 m;500 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.78～134.78 m;600 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.83～134.83 m;800 m3/s流量下，小浪底尾水位為134.16～135.16 m。

2.3 ? ?小浪底機組引水系統水頭損失（H3）計算

水頭損失計算包括局部水頭損失和沿程水頭損失。

沿程水頭損失采用謝才-曼寧公式計算：

hf=LV2/（C2R），其中，C=R1/6/n

式中：hf為沿程水頭損失;L為壓力鋼管長度;V為水流速度;C為謝才系數;R為水力半徑;n為壓力水道糙率值，鋼管襯砌取0.012。

局部水頭損失按下式計算：

hm=ξV2/（2g）

式中：hm為局部水頭損失;ξ為局部水頭損失系數;V為水流速度;g為重力加速度。

機組引水管道長度按均值373 m、過機流量按300 m3/s計算，得出小浪底機組引水系統水頭損失H3=1.27 m。

綜上所述，當西霞院庫水位在133～134 m運行時，小浪底機組工作水頭變化如表4所示。

3 小浪底機組發電量

根據小浪底機組水輪機綜合特性曲線，查詢出一定水頭下不同出力點的效率，可以計算出機組每日理論少發電量。

結合2019年機組實際生產數據，將負荷率引入小浪底機組發電量計算中，計算出機組每日實際少發電量，結果如表5所示。

4 西霞院水庫機組

非汛期，西霞院庫水位在133～134 m變化，根據西霞院水庫2019年下半年水情相關數據，統計出不同流量下西霞院水庫機組毛水頭及尾水位對應關系如表6所示。

從表6可以看出，隨著下泄流量增加，西霞院水庫尾水位逐漸抬升，當西霞院庫水位在133～134 m變化時，西霞院機組毛水頭逐漸降低。

西霞院機組工作水頭為5.83～13.82 m，適當保持較高水頭運行，可以提高機組的發電效率，查詢機組效率曲線可知，最高效率是94.37%，對應水頭為13.82 m。西霞院水庫機組為軸流轉槳式機組，水頭過高會導致沖擊力增強，影響設備使用壽命，也會使機組偏離最優工況區，從而降低機組效率。

5 結語

本文經過理論分析計算，小浪底尾水位與西霞院庫水位變化趨勢基本一致，在黃河下泄流量較大情況下，河道槽蓄效應疊加，西霞院水庫高水位運行對小浪底機組尾水位產生一定影響，從而對小浪底機組出力效率產生影響。因此，建議非汛期黃河下泄流量大于600 m3/s時，可以在規定范圍內適當降低西霞院水庫水位，既增加了電網調峰需要的日調節庫容，有利于充分發揮小浪底電站在電網調峰調頻中的作用，又實現了黃河生態調度，優化了兩站機組精益運行，提高了經濟效益。

收稿日期：2020-09-04

作者簡介：劉耀（1981—），男，四川蒼溪人，工程師，從事水電站設備運行管理工作。