梯級水電站水庫聯(lián)合調(diào)度運行分析及控制措施

李江西 侯賽

摘要：結(jié)合兩個水電站的“首尾相連”運行特征，本研究提供了兩個水庫合作調(diào)度模型和下游發(fā)電廠水庫的理想控制水平以及兩個水庫合作的極端運行風險，分析了控制措施。兩級水庫的實際運行提取了兩水庫聯(lián)合作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。同時，可以看到本文概述的相關(guān)技術(shù)措施是切實可行的，符合水庫的運行規(guī)則和水庫的安全要求。本文分析的兩級水庫聯(lián)合運行技術(shù)也可作為同類型水庫發(fā)電廠實際應(yīng)用的參考。

關(guān)鍵詞：管控方案 運行特征 運行規(guī)律

在“首尾相連”盆地級聯(lián)儲層系統(tǒng)中，兩個儲層之間基本上沒有滯后，并且液壓連接非常緊密。與傳統(tǒng)的梯級水庫系統(tǒng)相比，這種梯級水庫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)操作有很大的不同。本文以某大型水電廠的下游兩級水庫系統(tǒng)為例，分析了這種梯級水庫的聯(lián)合運行特征和異常情況下的運行風險，并提出了在各種運行條件下均能運行的關(guān)鍵技術(shù)。

一、兩級油藏系統(tǒng)及聯(lián)合作業(yè)模型

1.1 水庫系統(tǒng)特征

上游電廠利用305m雙曲拱壩擋水發(fā)電，水庫的調(diào)節(jié)容量為100億立方米。下游發(fā)電廠在上游發(fā)電廠的壩址附近建造了一個河閘壩，該壩阻擋了上游水以形成水庫。主流水道沿一條16.67公里長的過渡隧道切開，以實現(xiàn)約310m的水力。兩個水庫都是“首尾相連”的，并且在水庫之間沒有分支流入，因此可以忽略水庫之間的水流和水流的延遲。此外，為減少對生態(tài)環(huán)境的影響，下游發(fā)電廠必須排放指定流域的生態(tài)流量。

1.2 流域水庫合作模型

梯級水庫系統(tǒng)采用中長期優(yōu)化與短期優(yōu)化相結(jié)合的運行模式，中長期優(yōu)化基于分水嶺出水量預(yù)報，重點是庫容水庫運行規(guī)劃。目的是為流域制定中長期最佳調(diào)度計劃，并在監(jiān)管能力差的水庫中維持高水位運行。短期優(yōu)化基于中長期優(yōu)化結(jié)果，在滿足電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運行要求的前提下，在最大限度地減少棄水，提高水資源利用率，在提高分水嶺發(fā)電效率的前提下，采用級聯(lián)的最后階段，并考慮級聯(lián)水庫運行的安全性。該模型考慮了梯級發(fā)電廠的水頭的差異，主要限制因素是：

（1）設(shè)備運行限制，例如設(shè)備的最大和最小輸出，對非運行區(qū)域的限制等。（2）工廠運行限制，例如電廠的容量限制，最大安裝容量限制，可運行設(shè)備的數(shù)量，電廠功率限制等。（3）水庫運行約束，例如水庫上下水位，水平衡約束等。（4）電平衡約束。（5）其他制約因素。

1.3 兩階段協(xié)同調(diào)度模型

兩級水庫是“首尾相連”的，在級聯(lián)水庫在河岸上的協(xié)作期間，可以將兩級水庫視為一個整體，因為基本上沒有調(diào)節(jié)和存儲能力。在下游側(cè)，根據(jù)上游發(fā)電廠的向外方向，平衡進出水庫的水就足夠了。由于兩個發(fā)電廠都是大容量裝置，因此下游的流入和流出流量與可調(diào)節(jié)的存儲容量不能很好地匹配。在發(fā)電廠設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，兩個發(fā)電廠之間的水力平衡將被破壞，下游水庫中水位的快速上升和下降（其存儲容量較小）可能會對水庫的安全運行造成巨大風險。甚至可能會發(fā)生此類重大事故。因此，在二級水庫運行過程中，除了上游電廠參與流域聯(lián)合優(yōu)化計算外，還需要考慮下游電廠的安全運行裕度目標。

根據(jù)蓄水量水位曲線，與蓄水量相對應(yīng)的水位是理想的運行水位。它的物理含義是，當在附近執(zhí)行下游水庫水位時，對于在水庫內(nèi)部和外部存在巨大失衡的極端條件，操作員具有最大的時間安全余量來重新平衡水庫以避免洪水并盡可能地匹配流量。

1.4 兩階段協(xié)作中的極端條件風險分析

根據(jù)先前的分析，上游水庫，下游水庫主要水庫參與了流域的中長期和短期最佳調(diào)度計算，下游發(fā)電廠存在過高充溢和清空的風險，根據(jù)安全裕度函數(shù)，水庫水位通常是理想的控制方法受水位的控制。同時，它與上游發(fā)電廠保持平衡。接下來，結(jié)合兩級液壓系統(tǒng)的實際操作，分析了系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)度操作中的幾種極端操作風險。為了簡化分析過程，假定設(shè)備在額定工作條件下運行。

二、兩級聯(lián)合運行極端工況風險分析

2.1 控制措施

安置上游電廠機組后，緊急調(diào)蓄水庫的關(guān)鍵是平衡下游電廠的流入和流出，以保持下游電廠的水位。主要措施是桿調(diào)節(jié)和閘調(diào)節(jié)。其中，負載均衡措施既穩(wěn)定又快速，可能是首選，但不利的因素是它會減少開發(fā)并影響經(jīng)濟效益。水閘的調(diào)整準備時間很長，并且有許多無法控制的因素可以用作替代措施。

2.2 工作條件風險分析

根據(jù)安全控制裝置的故障隔離策略，在雙回路線路故障和跳閘期間，根據(jù)整個工廠的電源切斷1-6金平II類。拆卸下游發(fā)電廠的機組后，下游發(fā)電流量將減少約220m/s，原始的接入平衡將被破壞，水庫水位將從初始水位上升約0.95m/h。到達大壩高程大約需要189分鐘。如果水庫水位繼續(xù)上升到高水位以上，則下游發(fā)電廠有水庫溢水的風險。因此，在此期限內(nèi)，工人必須采取有利措施，以抑制下游發(fā)電廠的水庫水位上升，并實現(xiàn)兩相水力發(fā)電的再平衡。

2.3兩級水庫調(diào)度運行控制系統(tǒng)

滿足基本要求，以在緊急情況下可靠地控制水位，例如發(fā)電廠處于無人值守模式下的系統(tǒng)故障，因為下游水庫的存儲容量較小且閘門經(jīng)常調(diào)整。考慮將自動化技術(shù)完全應(yīng)用于實時油藏運輸。對于下游電廠的水庫調(diào)度，可以考慮聯(lián)合調(diào)度運行控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)自動收集當前單位負荷的兩個級別，即閘門開度，水庫水位，入/出流量和其他信息，并執(zhí)行實時計算和水位預(yù)測。

三、結(jié)束語

兩個水庫的聯(lián)合運營是一個相對危險且復雜的操作，本文基于兩級水庫系統(tǒng)的“首尾相連”性質(zhì)分析了下游發(fā)電廠的水資源被淹沒或清空的風險，并提供了適合該系統(tǒng)的系統(tǒng)。建立數(shù)學模型提高了下游電廠的理想控制水平。同時，下游電廠水庫的理想控制水位將達到水庫水位運行的上限和下限。在兩個水庫聯(lián)合作業(yè)的極端條件下，分析了作業(yè)風險，提出了相應(yīng)的控制措施，并提取了適合該系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)的系統(tǒng)。根據(jù)實踐，所提出的核心作業(yè)技術(shù)是可行的，可作為同類型油藏聯(lián)合作業(yè)的參考。

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