梯級反調節電站最優運行水位控制分析

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研究中心，湖南 長沙 410004）

1 概述

凌津灘水電站地處湖南省桃源縣境內，距上游五強溪水電站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9臺燈泡貫流式機組，總裝機容量為9×30 MW，保證出力56.6 MW，多年年平均發電量為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，僅具日調節能力，是一座以發電為主，兼有航運、防洪效益，并作為上游五強溪水電站的反調節電站。

2 電站運行現狀

2.1 凌津灘水電站特性分析

（1）凌津灘水庫可調節庫容較小，上下游水位變化較快。凌津灘總庫容6.34億m3，其中50～51 m之間庫容僅為0.242億m3，從圖1可以看出，凌津灘水位庫容曲線較陡，當凈入庫流量達到300 m3/s時，庫水位上升速度為0.2 m/h，當凈入庫流量達到600～700 m3/s時，庫水位上升速度為0.1 m/h；通過查凌津灘電站的尾水位流量曲線可知，當出庫流量為290 m3/s（單機滿發流量）時[1]，下游尾水位38 m，出庫流量為2 700 m3/s（8臺機組滿發流量）時，下游尾水位40.87 m，兩者相差2.87 m。

圖1 凌津灘水位庫容曲線

（2）水頭對機組耗水率、出力影響較大。凌津灘電站為燈泡貫流式機組，凌津灘水頭耗水率曲線見圖2，從圖2可知，當水頭低于8 m時，耗水率大大增加；設計水頭8.5 m，最大水頭13.2 m，經分析計算得知，當水頭大于8.5 m時，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%。實際運行過程中因攔污柵、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時機組達不到設計出力[2]，且下游桃源水電站2014年全部投產發電后，對凌津灘尾水位產生雍高作用，經實際分析計算得知，凌津灘出庫流量1 000 m3/s（尾水位為39.36 m）時，下游的桃源電站將對凌津灘電站的尾水位產生頂托作用[3]，減小了凌津灘運行水頭，機組出力也將受到影響。

圖2 凌津灘水頭耗水率曲線

（3）騰庫造成的隱性損失。凌津灘水電站從2018年開始逐步進行機組主軸軸頸裂紋處理，預計到2027年才能完成全部9臺機組的主軸更換工作。機組主軸更換檢修工期跨越沅水流域枯水期，凌津灘水電站僅有8臺機組可調運行方式，今后幾年將會成為常態。凌津灘水電站8臺機滿發流量約2 700 m3/s，最大出力22.7萬kW，當上游五強溪水電站大方式運行且日均出庫流量略小于凌津灘電站8臺機最大發電引用流量時，凌津灘水電站如不采取提前騰庫措施，即面臨棄水，而在非汛期凌津灘若發生棄水，按規定需向湖南省調和能監辦做出解釋說明，此操作難度較大。故在實際調度過程中，為避免凌津灘棄水，采取低谷時段騰庫的原則，最低降至死水位運行，從上節可知，水頭對燈泡貫流式機組出力影響較大，選取2021年8月1日至9月25日機組出力情況進行統計分析，凌津灘單臺機組水頭與出力對應關系見圖3。

圖3 凌津灘單臺機組水頭與出力對應關系

從圖3中分析得知：機組水頭每抬高0.1 m，機組出力可增加約0.5 MW，按8臺機計算，全廠總出力可增加4 MW。

因此提高凌津灘運行水位，對提高發電運行水頭、降低耗水率、增加發電效益，具有十分重要的意義。

2.2 凌津灘控制水位邊界條件研究

五強溪至凌津灘區間總集水面積為2 000 km2，五強溪至凌津灘水流傳播時間約1.5 h，凌津灘流域的洪水系由暴雨形成，其時空變化特性與暴雨情況一致，每年4月～8月汛期，年最大洪水多發生在4月中旬～8月，以5月～7月發生次數最多，9月～10月很少出現年最大洪水，五強溪-凌津灘區間1925～2021年逐月平均流量見表1。

表1 五強溪-凌津灘區間1925～2021年逐月平均流量

從表1可以看出，凌津灘水電站月平均流量為72 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溪出庫影響。

五強溪水電站安裝5臺240 MW的混流式水輪發電機組，總裝機容量1 200 MW，保證出力25.5萬kW，多年年平均發電量53.7億kW·h，水庫總庫容43.5億m3，正常蓄水位108 m，相應庫容30.58億m3，死水位90 m，具備季調節性能。根據目前五強溪實際發電運行數據分析，不同庫水位五強溪水電站滿發流量及最大出力見表2。

表2 五強溪水電站不同庫水位對應滿發流量和最大出力

從表2可以看出，隨著五強溪庫水位升高，發電能力逐漸增加，當五強溪庫水位達到101 m時，基本能達到最大發電能力。五強溪水電站發電運行服從電網的統一調度，水庫調度運用服從防汛指揮機構的統一指揮，根據湖南省水利廳2022年批復的五強溪水庫汛期控制運用方案：五強溪5月1日～31日按不超過102 m控制；6月1日～7月31日在不影響五強溪水庫設計防洪能力正常發揮和不增加下游防洪壓力的情況下，運行水位在98～102 m之間實施動態控制，且根據降雨和洪水預報情況應能及時降至98 m；8月1日以后庫水位逐步蓄至108 m。結合五強溪實際調度過程，非汛期其庫水位基本處于100 m以上，且在實際調度過程中，當五強溪需要大方式運行配合電網頂峰或者控制水位時，非汛期為避免凌津灘產生棄水，通常日均出庫流量略小于下游凌津灘發電最大引用流量。

由表2可知，當凌津灘只有8臺機組運行時，五強溪庫水位在105 m以上大方式或滿負荷運行且區間無強降雨過程時，凌津灘保持高水位運行即可。因此主要研究在凌津灘只有8臺機組運行時，五強溪100～104 m不同庫水位之間以凌津灘進行騰庫調度不產生棄水的最大發電量作為邊界條件，分析比較凌津灘的最優水位控制方案。經五強溪、凌津灘實際發電運行數據分析，五強溪100～104 m不同庫水位之間以凌津灘進行騰庫調度不產生棄水為前提的最大發電量及日發電計劃曲線見圖4。

圖4 五強溪日發電計劃曲線

3 凌津灘最優水位控制分析

3.1 理論分析

在五強溪大方式運行時，凌津灘由于可調節庫容較小，當日24:00的庫水位較高，因此以凌津灘庫水位50.8 m作為初始值，五強溪-凌津灘區間流量為43 m3/s，枯水期五強溪一般2～3 d即可消落1 m庫水位，凌津灘庫水位低于50.30 m時運行水頭已降至8.5 m以下，機組振擺明顯加劇。

由圖4、表2可知五強溪日發電計劃曲線及出庫流量，以此作為五強溪出庫流量設置，五強溪-凌津灘區間流量43 m3/s、凌津灘初始庫水位50.8 m作為邊界條件，理論分析計算凌津灘只有8臺機組運行時采取騰庫措施和在50.3～50.9 m之間不同起調水位控制運行的3 d累計發電效益，從而分析比較得到凌津灘最優控制水位，計算結果見表3。

從表3可知，在五強溪日均出庫流量處于下游凌津灘最大發電能力面臨棄水的臨界值時，不騰庫適當提高運行水位優于騰庫的發電效益；在不考慮棄水的前提下，凌津灘小流量棄水維持高水位運行較優，庫水位控制在50.6 m左右發電量最大；隨著起調水位增加，棄水流量加大，發電效益逐漸變小。

表3 五強溪不同水位下凌津灘最優控制水位

3.2 驗證分析

選取五強溪2022年3月6日～3月14日的實際發電情況進行驗證分析，五強溪實際情況見表4凌津灘對應的特征值見表5。

凌津灘實際初始庫水位50.76 m且只有8臺機組運行時，從表4、表5可以看出，五強溪庫水位在100～104 m之間、日均發電量2 687萬kW·h、日均出庫流量2 536 m3/s，凌津灘實際調度過程中選擇避免棄水采取低谷時段騰庫措施時，發電水頭勢必降低，進一步導致機組出力減小、耗水率增加，從而影響發電效益；若在不考慮棄水的前提下，通過適當提高運行水位，可以增加發電水頭、減少耗水率，發電效益優于提前騰庫采取的低水位控制方案，且庫水位控制在50.6 m凌津灘發電效益最優。由此可知，在邊界條件基本相同的前提下，計算結果與理論分析計算基本一致。

綜上所述，當凌津灘枯水期只有8臺機組運行時，預計日平均入庫流量遠小于或略大于凌津灘機組最大引用流量時，保持水庫高水位運行較優；當五強溪大方式運行且預計日均入庫流量處于凌津灘不騰庫即面臨棄水時，在不考慮棄水影響的前提下，庫水位控制在50.6 m小流量棄水的運行方式發電效益最優。

4 結論

通過分析凌津灘水位庫容、水頭出力特性得知，提高凌津灘庫水位運行，一方面有利于增加發電水頭、降低耗水率，提升發電效益；另一方面有利于改善機組的運行工況，增加機組安全運行的穩定性。且在近年凌津灘水電站因機組檢修造成枯水期只有8臺機組運行時，以上游五強溪不同庫水位之間凌津灘進行騰庫調度不產生棄水的最大發電量作為邊界條件，分析比較凌津灘不同起調水位的發電效益，研究結果表明：在不考慮棄水影響的前提下，庫水位控制在50.6 m小流量棄水的運行方式發電效益最優。