三峽水電站泄洪對發(fā)電影響分析

冉洪偉，龔保紅，劉小錕

(1.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

大型水電站通常同時肩負(fù)著防洪、發(fā)電、航運、生態(tài)調(diào)度、水資源利用等綜合功能。為充分利用水能，汛期一般優(yōu)先采用機組發(fā)電過流下泄，但當(dāng)機組滿發(fā)下泄流量仍不滿足要求時，將開啟泄洪設(shè)施進行泄洪，以增加下泄流量。電站泄洪引起的下游水位波動，將不可避免地對運行機組發(fā)電水頭產(chǎn)生影響，需要重點關(guān)注電站運行設(shè)備能否有效、正確的響應(yīng)，關(guān)系到電站及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[1]。

三峽水電站作為世界上規(guī)模最大的水利樞紐工程，防洪是最核心效益，肩負(fù)著長江中下游流域防洪的重要任務(wù)。汛期嚴(yán)格按照防洪主管部門批復(fù)的相關(guān)規(guī)程和調(diào)度指令控制水庫水位，當(dāng)對出庫流量的要求大于機組滿發(fā)流量時，將會開啟泄洪設(shè)施進行泄洪。三峽水電站由左岸電站、右岸電站、地下電站組成，裝機容量大、機組數(shù)量多，站內(nèi)運行設(shè)備能否對水頭變化作出可靠響應(yīng)更關(guān)系到電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。本文通過電站泄洪前后下游水位、有功功率、調(diào)速器、AGC等數(shù)據(jù)實際變化情況，分析了電站泄洪對發(fā)電的具體影響過程及原因。

1 泄洪影響分析

1.1 對下游水位影響

水電站泄洪時出庫流量突然增大必然會引起下游水位較大波動，圖1為三峽水電站汛期2次開啟深孔前后實測下游水位變化趨勢圖，其中第一次泄洪開啟1個深孔，第二次泄洪為連續(xù)開啟2個深孔。

圖1 泄洪前后下游水位變化趨勢Fig.1 Change trend of water level in downstream before and after flood discharge

如圖1所示，三峽水電站開啟深孔泄洪后下游水位均會快速上升，上升達0.7～1.0 m后逐漸趨于穩(wěn)定。結(jié)合電站歷年開啟深孔泄洪后下游水位實際變化情況，總結(jié)規(guī)律如下：所開深孔位置和數(shù)量對下游水位變化幅度的影響略有差別，但每次開啟深孔后，下游水位立即快速上升隨后保持穩(wěn)定的變化過程均一致，其中開啟首個深孔對下游水位變化短時影響最大，連續(xù)開啟時，下一個深孔開啟對下游水位變化影響相對變小。此外，運用不同的泄洪設(shè)施泄洪對下游水位的影響也略有不同[2]。

1.2 對水電站有功功率影響分析

水電站水頭的變化會直接影響到運行機組的有功功率，為應(yīng)對水頭在短時間內(nèi)變化引起有功功率波動，目前主要運用電站監(jiān)控系統(tǒng)AGC和機組調(diào)速器的調(diào)節(jié)功能[3]。

水電站監(jiān)控系統(tǒng)AGC投入時，會實時對電站設(shè)定總有功值和實際總有功值進行比較，當(dāng)兩者差值大于設(shè)定的死區(qū)定值后，AGC將重新對有功進行計算分配并下達至機組執(zhí)行。由于三峽水電站各分廠監(jiān)控系統(tǒng)AGC功能及死區(qū)定值設(shè)置等均一致，本文默認(rèn)各分廠AGC應(yīng)對開啟深孔泄洪后運行機組單機有功功率變化的調(diào)節(jié)功能均一致，重點從機組調(diào)速器調(diào)節(jié)功能分析開啟深孔泄洪后對運行機組有功功率影響的情況。

水電站機組調(diào)速器的基本任務(wù)是根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷變化不斷調(diào)節(jié)機組的有功功率，維持機組轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速規(guī)定范圍內(nèi)，以滿足電網(wǎng)對頻率質(zhì)量的要求。三峽水電站機組正常并網(wǎng)運行時，調(diào)速器均投功率模式，在此模式下，會實時對機組給定有功值和實際有功值進行比較，而后調(diào)整導(dǎo)葉開度，使實際有功功率接近給定有功功率。但為避免機組調(diào)速器頻繁調(diào)節(jié)影響設(shè)備壽命及性能，目前行業(yè)普遍做法是設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)，只有給定有功功率和實際有功功率差值大于死區(qū)定值后，調(diào)速器才會發(fā)出增減導(dǎo)葉開度指令，將實際有功功率調(diào)節(jié)至給定有功功率[4]。通過查詢?nèi)龒{水電站機組調(diào)速器資料得知，左岸電站和地下電站機組的調(diào)速器功率模式算法相類似，均設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)且定值一致，但是右岸電站機組調(diào)速器未設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)，在調(diào)速器功率模式下，實時根據(jù)功率給定值，查詢水頭、功率及導(dǎo)葉開度的三維曲線實時進行機組有功功率調(diào)整[5]。

1.2.1 對水電站機組有功功率影響

分別對三峽水電站泄洪前后3個分廠機組調(diào)速器動作、有功功率變化情況進行對比分析，找出泄洪引起的下游水位波動對機組具體影響情況及異同的原因，圖2～4為泄洪后三峽電站各分廠機組功率及導(dǎo)葉開度變化趨勢圖。

圖2 泄洪后左岸電站機組功率及導(dǎo)葉變化趨勢Fig.2 Change trend of power and guide vane of left bank power station unit after flood discharge

圖3 泄洪后右岸電廠機組功率及導(dǎo)葉變化趨勢Fig.3 Change trend of power and guide vane of right bank power station unit after flood discharge

圖4 泄洪后地下電站機組功率及導(dǎo)葉變化趨勢Fig.4 Change trend of power and guide vane of underground power station unit after flood discharge

三峽水電站開啟深孔泄洪后，下游水位快速上升，運行機組發(fā)電水頭降低，而調(diào)速器導(dǎo)葉開度不變的情況下，機組有功功率會緩慢下降，由于3個分廠的調(diào)速器功率模式下算法存在是否設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)的區(qū)別，相對應(yīng)調(diào)速器表現(xiàn)出明顯不同的響應(yīng)過程。右岸電站機組因調(diào)速器功率模式下算法未設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)，實際功率減少后，立即查詢水頭、功率及導(dǎo)葉開度的三維曲線，得出設(shè)定功率在水頭變化后的對應(yīng)導(dǎo)葉開度值，動作導(dǎo)葉調(diào)整功率和機組實際功率基本維持設(shè)定值不變。而因左岸電站和地下電站機組調(diào)速器設(shè)置死區(qū)，實時對實際有功功率及設(shè)定有功功率進行比較，但只有當(dāng)差值超過死區(qū)值后，調(diào)速器才會響應(yīng)動作導(dǎo)葉調(diào)節(jié)功率，導(dǎo)葉開度表現(xiàn)出先維持不變后快速增加的過程，機組實際有功功率表現(xiàn)出先緩慢下降隨后上升穩(wěn)定過程。從圖2，3可以看出，開啟泄洪后左岸電站和地下電站機組調(diào)速器響應(yīng)時間并不一致，其中左岸電站機組較地下電站機組晚15 min左右響應(yīng)，主要原因是泄洪前每臺機組實際有功功率和設(shè)定有功功率差值并不完全一致，加上受下游導(dǎo)墻、離泄洪點位置遠(yuǎn)近等因素影響各分廠下游水位變化也不可能完全一致，對應(yīng)機組實際有功功率下降至死區(qū)值時間也會有所差別。

1.2.2 對水電站分廠總有功功率影響

各分廠總有功功率會隨單機功率波動疊加而變化，分析時考慮最不利的極端情況，即各分廠監(jiān)控系統(tǒng)AGC調(diào)節(jié)功能退出，機組有功功率實際值與設(shè)定值完全一致時開啟泄洪，且下游水位變化情況一致，那么分廠實際總有功功率波動理論上最大值等于調(diào)速器死區(qū)定值乘運行機組臺數(shù)。目前該電站調(diào)速器死區(qū)定值3.5 MW，理論上左岸電站和地下電站總有功功率最大偏差分別為49，21 MW。但水電站實際電力生產(chǎn)過程中，各分廠監(jiān)控系統(tǒng)AGC功能均保持正常投入狀態(tài)，且廠內(nèi)機組有功功率實際值與設(shè)定值之間差值不可能完全一致，下游水位變化也不可能完全一致，各分廠實際總有功功率與設(shè)定值的偏差遠(yuǎn)達不到理論上的最大值。表1為泄洪后三峽水電站各分廠及全廠實際總有功最大偏差統(tǒng)計。

表1 泄洪后各分廠及全廠總有功功率最大偏差統(tǒng)計Tab.1 Statistics of maximum deviation of total active power of each branch and the whole plant after flood discharge

由表1可見，雖然水電站站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)AGC和調(diào)速器具有調(diào)節(jié)功能，但開啟泄洪后各分廠總有功功率實際值與設(shè)定值之間仍會存在偏差，其中右岸電站最大偏差8.4 MW，左岸電站和地下電站偏差均接近30 MW，偏差大小可能受機組臺數(shù)及調(diào)速器是否設(shè)置死區(qū)等因素影響，變化趨勢是否與站內(nèi)單機有功變化一致還需進一步研究。圖5～7為泄洪前后各分廠總有功功率實際變化趨勢圖。

圖5 左岸電站總有功功率變化趨勢Fig.5 Change trend of total active power of left bank power station

圖6 右岸電站總有功功率變化趨勢Fig.6 Change trend of total active power of right bank power station

圖7 地下電站總有功功率變化趨勢Fig.7 Change trend of total active power of underground power station

由圖5～7可以直觀展示三峽水電站在開啟泄洪后各分廠總有功功率波動趨勢與分廠典型機組有功功率變化趨勢一致，其中右岸電站總有功功率無明顯波動，左岸電站和地下電站總有功功率短時快速下降后緩慢上升至設(shè)定值，波動均在允許范圍內(nèi)，滿足并網(wǎng)調(diào)度協(xié)議及實時調(diào)度控制要求。

2 對策分析

針對因三峽水電站泄洪時水頭變化可能引起的站內(nèi)運行機組有功功率及分廠總有功功率短暫的波動。一方面，運用電站泄洪設(shè)施時，嚴(yán)格按照調(diào)度規(guī)程內(nèi)各泄洪設(shè)施安全運行條件、開啟的先后順序、“均勻、間隔、對稱”開啟原則等相關(guān)規(guī)定執(zhí)行；另一方面，泄洪期間，電站運行人員應(yīng)加強運行設(shè)備監(jiān)視和檢查，特別是針對泄洪設(shè)施連續(xù)開啟時造成的下游水位長時間波動，必要時可采取人工干預(yù)，避免實際有功功率長時間偏離設(shè)定值，從而給電站和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成安全隱患。

3 結(jié) 語

通過對三峽水電站泄洪前后運行設(shè)備實際數(shù)據(jù)變化開展相關(guān)性分析，得出因站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)AGC及機組調(diào)速器的調(diào)節(jié)功能，泄洪僅會引起運行機組有功及電站總有功在正常范圍內(nèi)短時波動，對電網(wǎng)和電站設(shè)備安全穩(wěn)定運行無影響。運用泄洪設(shè)施時仍需嚴(yán)格按照調(diào)度規(guī)程執(zhí)行，期間加強對運行設(shè)備監(jiān)視和檢查，盡量避免有功實際值長時間偏離設(shè)定值。后續(xù)為了更加精準(zhǔn)掌握泄洪對電站運行設(shè)備的具體影響，可對不同上游水位和運用不同泄洪設(shè)施泄洪時下游水位變化規(guī)律、機組調(diào)速器功率調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置的必要性及定值合理性等開展進一步專題研究。