下游蓄水對水電站發電影響分析及優化調度策略

雷 蘇 琪,侯 進 進,蔡 淑 兵,張 利 升

(1.國家能源集團江西電力有限公司 萬安水力發電廠,江西 吉安 343800; 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著梯級電站的開發建設[1],梯級電站間回水頂托影響愈發普遍。一方面,梯級水電站水量、水頭聯系緊密,上下游電站之間方案編制、實際調度運行等存在聯動關系;另一方面,對于有水位銜接的梯級水電站,下游電站建成蓄水后,其庫水位會對上游電站尾水位造成一定的頂托影響[2-5],導致上游電站發電水頭與水電能轉換效率同步下降,不利于梯級水電站發揮興利作用[6-7]。因此,研究下游回水頂托影響下的發電量變化規律及相應優化調度策略對提高梯級電站發電效益、制定相關補償措施具有重要意義。

目前,學者對回水頂托影響下的發電量變化已做了大量研究[8-9],并將回水影響考慮到水位流量關系計算和水庫調度研究當中[10]。趙志鵬等[11]建立了考慮回水頂托影響的梯級水庫混合整數線性規劃96點調峰模型,通過對比發現,不考慮回水頂托影響制定的計劃會造成較大的累積誤差;李平等[12]通過分析王甫洲水庫運行前后黃家港站水位流量關系發現,在流量較小時,王甫洲水庫回水頂托影響較大,且頂托影響隨著流量的增大而減小;鐘華等[13]對比分析了紅旗電站在天然狀態下和受下游東鄉電站不同正常蓄水位影響情況下的多年平均發電量,結果表明東鄉水電站蓄水位為27.50 m和28.10 m時,紅旗電站多年平均發電量分別減少了50.51萬kW·h和53.29萬kW·h。上述研究成果均證明了回水頂托作用對水庫調度和發電量分析存在影響,但是對于回水頂托影響規律并不清晰,對通過水庫調度來減少回水頂托影響的研究還需進一步加強。

作為江西省最大的水力發電廠,萬安電廠是江西電網主力調峰、調頻電源,分析其下游井岡山水庫蓄水后萬安電廠發電量變化情況對提高萬安電廠發電效益具有重要意義。本文基于電廠實際運行資料,構建井岡山水庫庫區回水計算模型,分析井岡山水庫水位頂托作用對萬安電廠尾水水位的影響并推求萬安電廠尾水水位流量線。在此基礎上構建萬安電廠徑流調節模型,對比計算井岡山水庫蓄水前后萬安電廠發電指標變化,結合長系列徑流調節成果分析萬安電廠發電變化規律,并提出萬安電廠優化調度策略,為提高萬安電廠發電效益提供一定的參考。

1 研究對象及研究方法

1.1 研究對象

本文研究對象為萬安水利樞紐工程及其下游的井岡山航電樞紐工程。

萬安水利樞紐工程是贛江中游控制性工程,位于萬安縣城以上2 km,以發電為主,兼有防洪、航運、灌溉等綜合效益。自1993年5月蓄水以來,水庫一直按初期規模運行,正常蓄水位96.00 m,死水位85.00 m,防洪庫容5.7億m3;萬安電廠現總裝機容量533 MW。

井岡山航電樞紐工程位于萬安水利樞紐工程下游35.8 km處,于2016年12月開工建設,2021年12月全面投產運營,以航運為主,兼顧發電等綜合效益。水庫正常蓄水位69.39 m,死水位68.99 m,總庫容2.789億m3;電站總裝機容量133 MW。

1.2 研究方法

1.2.1回水計算模型

(1) 理論基礎。井岡山水庫蓄水后,萬安電廠調度運行受其回水頂托作用影響,為準確分析井岡山蓄水后萬安電廠尾水水位流量關系變化,根據干流河段特征,采用恒定非均勻漸變流方法[14]構建井岡山水庫庫區回水計算模型,其水面線計算的基本方程式如下:

(1)

(2)

(2) 糙率。采用井岡山水庫壩址與萬安水庫壩址之間共20個實測大斷面構建回水模型,并考慮區間支流匯入情況進行流量延程分配。在此基礎上,根據1964年和2009年井岡山水庫庫區河段歷史洪水水面線調查成果,分別對不同河段、不同流量級的糙率進行率定,確定各河段糙率在0.027～0.057之間。

(3) 下泄流量范圍。萬安電廠滿發流量為2 803 m3/s,為了準確反映萬安電廠不同發電工況下受回水頂托作用影響程度,結合萬安水庫壩址天然來水情況和尾水水位流量關系,擬定萬安水庫下泄流量范圍為500～10 000 m3/s。

(4) 井岡山水庫壩前水位。井岡山水庫防洪預降水位為67.89 m,根據井岡山水庫運行水位范圍,擬定69.39,69.19,68.99,68.39 m和67.89 m共5種壩前水位。

1.2.2徑流調節計算模型

采用長系列時歷法構建徑流調節計算模型,在已知萬安水庫水位-庫容曲線、萬安電廠尾水水位-流量線、機組出力限制線等水庫特征參數條件下,根據長系列入庫徑流序列和萬安水庫調度原則,通過試算推求設計保證率下的水庫調度圖及保證出力,并以此進行水庫徑流調節計算。模型輸入為1957～2015年共59 a的旬天然徑流序列,電站綜合出力系數設為8.5。

萬安電廠最新尾水位-流量關系和徑流序列較設計階段有一定變化,其中,徑流序列平均年徑流量較設計階段增多5億m3,尾水位-流量關系較設計階段偏低,不同發電工況設計滿發流量下,尾水位平均降低1.26 m。由于徑流序列的更新及模擬計算精度的提高,應根據原設計調度原則重新推求調度圖,以適應計算精度要求。

本次研究依據原設計階段萬安水庫調度原則推求的調度圖與原設計調度圖基本一致;采用最新邊界資料計算的保證出力為51.6 MW,較原設計初期規模(正常蓄水位96.00 m)保證出力增加了5.1 MW。經復核,尾水位-流量關系變化是保證出力變化的主要原因,考慮到萬安電廠實際運行情況,本次研究均采用最新計算的保證出力進行分析。

2 萬安電廠發電影響分析

2.1 模型驗證

(1) 回水計算模型。采用井岡山水庫和萬安水庫2020年5月至2022年11月的日平均運行數據進行回水計算精度驗證,其中,萬安水庫日均下泄流量為93～7 677 m3/s,井岡山水庫日運行水位為67.89～69.37 m。根據萬安水庫日均下泄流量和井岡山水庫日均庫水位,通過模型計算出萬安水庫壩下回水水位,并與相應萬安水庫日均下游水位進行對比分析。結果表明,萬安水庫壩址模擬計算回水水位較實際運行水位平均偏低0.04 m,最大相差0.82 m?；厮嬎愠晒軌蜉^好地反映井岡山水庫蓄水對萬安水庫下游水位的影響。

(2) 徑流調節計算模型。采用2006～2020年實際來水過程驗證徑流調節計算模型精度,其年平均流量為526～1 617 m3/s,多年平均流量為907 m3/s。對比分析天然水位-流量關系下萬安電廠現狀規模年發電量與萬安電廠實際年發電量數據。結果表明,計算條件一致的情況下,徑流調節計算模型計算的年發電量較2006～2020年實際運行多年平均年發電量少0.45億kW·h,約占年平均實際發電量的3.1%;從年內分配來看,其中枯水期(10月至次年3月)發電量偏低約2%,主汛期(4～6月)發電量偏高約4%,誤差較小,模型計算成果能夠反映萬安電廠實際運行情況。另外,采用1957～2015年長系列徑流數據復核萬安電廠設計階段最終規模年發電量,多年平均發電量偏高約1.4%,主要是年平均入庫流量變化所致。以上結果表明徑流調節計算模型精度較好。

2.2 受回水影響的萬安電廠尾水水位-流量關系

計算井岡山水庫不同壩前水位、萬安水庫不同下泄流量情況下,萬安水庫的壩下斷面回水位,整理形成受頂托影響的萬安電廠尾水水位-流量線簇,如圖1所示。在中低流量情況下(萬安水庫下泄流量小于1 500 m3/s),井岡山水庫蓄水對萬安電廠尾水位影響較大,且井岡山水庫水位越高,影響越明顯,流量為500 m3/s時尾水位抬高最大,約2.38 m。

圖1 受回水影響的萬安電廠尾水水位-流量線簇Fig.1 Tail water level-flow curves of Wan′an Power Plant affected by backwater

2.3 萬安電廠發電量影響分析

分別用天然尾水水位-流量線和受回水頂托作用影響的尾水水位-流量線簇計算萬安電廠的發電量,兩者的差值即為井岡山水庫蓄水對萬安電廠發電量的影響。根據井岡山水庫的調度運行方式,按井岡山水庫壩前水位69.39,69.19,68.99 m這3種情況進行計算,與井岡山水庫蓄水前萬安電廠多年平均發電量(12.67億kW·h)相比,分別減少1.10億,0.99億,0.89億kW·h,平均減少0.99億kW·h,如表1所列。其中,主汛期(4～6月)影響發電量0.28億kW·h,占比28%;枯水期(10月至次年3月)影響發電量0.45億kW·h,占比45%,如圖2所示。

表1 萬安電廠發電影響結果Tab.1 Power generation impact of Wan′an Power Plant

圖2 井崗山水庫蓄水前后萬安電廠多年平均各月發電量Fig.2 Annual average monthly power generation of Wan′an Power Plant before and after operation of Jinggangshan Reservoir

3 萬安電廠發電影響規律分析

發電影響規律分析對指導水庫調度運行及發電流量調度具有重要意義,以井岡山水庫壩前水位69.39 m情況下萬安電廠發電影響為例,通過對比分析井岡山水庫蓄水前后萬安電廠長系列徑流調節成果,研究井岡山水庫蓄水對萬安電廠發電影響規律,為優化調度策略分析提供依據。

3.1 對發電水頭的影響規律分析

井岡山水庫蓄水后,萬安電廠入庫流量與發電水頭降低值關系如圖3所示。可知,水頭影響程度隨著入庫流量的增大逐漸降低,最大影響水頭為3.91 m,且大部分影響水頭在1.50 m以上,相應入庫流量小于1 500 m3/s。年平均水頭降低值為2.18 m,且入庫流量500 m3/s左右對應的年平均水頭降低值最大,入庫流量3 000 m3/s以上時水頭影響甚微,因此需重點關注萬安水庫入庫流量較小時的發電水頭變化。另外,出庫流量與發電水頭降低值關系與入庫流量相似(見圖4),水頭影響程度隨著出庫流量的增大逐漸降低,且年平均水頭降低值最大時,出庫流量集中在400～600 m3/s之間,出庫流量在5 000 m3/s以上時水頭影響較小。

圖3 萬安電廠入庫流量與水頭降低值關系Fig.3 Relationship between inflow flow and waterhead reduction of Wan′an Power Plant

圖4 萬安電廠出庫流量與水頭降低值關系Fig.4 Relationship between outflow and waterhead reduction of Wan′an Power Plant

從年內分布來看(見圖5),4～6月萬安電廠發電水頭整體較低,水頭影響程度相對較小;7月隨著發電水頭增加,水頭降低值逐漸增大;8月至次年1月萬安電廠發電水頭整體處于較高水平,水頭降低值逐漸增大,12月的水頭降低值最大。2～3月隨著發電水頭減小,水頭降低值也逐漸下降。整體來看,發電水頭受影響最大的時段為11月至次年2月。

圖5 萬安電廠旬平均水頭降低值年內分布Fig.5 Annual distribution of ten-day average waterhead reduction of Wan′an Power Plant

3.2 對發電量的影響規律分析

萬安電廠入庫流量與影響出力及年平均發電量占比關系如圖6所示?？芍?入庫流量為500～1 100 m3/s時,對發電量影響最大,且有兩個峰值,分別位于入庫流量500 m3/s(最高峰)和2 400 m3/s(次高峰)附近。500 m3/s的入庫流量出現頻率較高,且影響出力較大(平均約9.2 MW),因此整體影響發電量最大;入庫流量在2 400 m3/s左右時,由于平均出力降低值(平均約33.9 MW)和發生頻率均相對較高,影響發電量處于較高水平,之后隨著入庫流量增大,發電量影響程度逐漸減小,入庫流量超過4 000 m3/s時對發電量基本無影響。

圖6 萬安電廠入庫流量與發電量降低值關系Fig.6 Relationship between inflow flow and power generation reduction of Wan′an Power Plant

從年內分布來看,4～6月和12月至次年3月發電量影響程度最大(見圖7)。4～6月,由于萬安水庫基本控制在汛限水位運行,發電水頭較低,受影響出力較大,發電量影響程度最大;12月至次年3月處于供水期,庫水位消落,發電水頭降低,受影響出力增大,影響電量也較大。

圖7 萬安電廠旬平均發電量降低值年內分布Fig.7 Annual distribution of ten-day average power generation reduction of Wan′an Power Plant

3.3 對水庫調度影響規律分析

井岡山水庫蓄水后,萬安電廠發電量受影響程度較大的月份為在4～6月份和12月至次年1月份;萬安電廠平均棄水率約18.3%,主要分布在3～7月,少量分布在9～11月份,12月至次年1月份基本無棄水(見圖8)。從發電量影響程度來看,12月至次年6月份占比較高,平均為10.6%。

圖8 井岡山水庫蓄水后萬安電廠運行情況Fig.8 Operation condition of Wan′an Power Plant after storage of Jinggangshan Reservoir

11月至次年2月,入庫流量在1 100 m3/s以下的情況發生頻率較高,約為94%,且入庫流量小于500 m3/s的時段主要分布在11月至次年1月;4～6月份入庫流量一般在1 500 m3/s以上,且入庫流量超過2 400 m3/s的時段主要分布在6月。結合萬安水庫防洪調度原則,萬安水庫調度受影響較大的時段為11月至次年2月。

4 萬安電廠優化調度運行策略研究

4.1 萬安水庫優化調度策略分析

基于上述發電影響及規律分析結果,分析萬安水庫優化調度運行策略。萬安水庫優化調度應優先滿足防洪調度要求,在現有水庫調度規則的基礎上,優化發電調度方式,進一步提高萬安水庫發電效益。具體調度運行策略如下:

(1) 枯水期適當抬高萬安水庫運行水位。萬安水庫采取“工程一次建成,水庫分期蓄水”的建設方案,具備蓄水至100.00 m運行的條件,在確保庫區防洪安全的前提下,適當抬高枯水期運行水位,特別是在發電水頭受影響較大的時段(11月至次年2月)抬高運行水位,增加發電水頭,可在一定程度上緩解井岡山水庫蓄水的回水頂托作用影響。

(2) 中低流量時盡可能維持較高水位運行。井岡山水庫蓄水后,萬安水庫入庫流量低于1 100 m3/s(2臺機組滿發)時對發電量影響較大,且500 m3/s左右入庫流量對應的年均水頭降低值最大,隨著入庫流量增大,萬安電廠發電水頭影響程度逐漸降低。應重點調控入庫流量低于1 100 m3/s,特別是500～1 100 m3/s時的庫水位,盡可能維持較高水位運行。

4.2 水庫調度運行方式優化分析

根據上述優化調度策略,對萬安水庫現狀調度運行方式進行優化,重點調整11月至次年2月的運行水位,得到優化后的萬安水庫調度圖(見圖9)。為抬高井岡山水庫蓄水后萬安電廠11月至次年2月的發電水頭,將11月至次年2月的水庫運行方式調整為高水位運行。根據調整后的水庫調度方式按調度圖進行長系列徑流調節計算,原計算保證出力不變,萬安電廠11月至次年2月運行水位較調整前水庫運行水位提高了約0.14～5.11 m。

圖9 萬安水庫優化調度圖Fig.9 Diagram of optimal operation scheduling of Wan′an Reservoir

若11月至次年2月調整為高水位運行,其他時間按水庫調度圖運行,則調整后的水庫調度方式為:在供水期的11月至次年2月中旬,庫水位可提高至正常蓄水位96.00 m運行,若來水大于調節流量(保證出力對應的流量),水庫按天然來水量下泄,維持庫水位96.00 m運行;若來水小于調節流量,電站按保證出力工作,不足水量由水庫供給,直至消落到死水位;若庫水位低于96.00 m,且來水大于調節流量,電站按保證出力工作,多余水量供水庫充蓄,直至庫水位達到正常蓄水位96.00 m。2月下旬開始降低庫水位,2月底庫水位達到現有水庫調度規則要求,3月份按現有水庫調度方式運行。

按優化后的萬安水庫調度運行方式進行長系列徑流調節計算,萬安電廠11月至次年2月份平均運行水位比原設計提高了約0.06～1.48 m,年平均運行水位提高0.97 m。水庫加權平均水頭提高了0.47 m,萬安電廠多年平均發電量可增加1 910萬kW·h,約占影響電量的19%,多年平均棄水量為0.19億m3,占原多年平均棄水量的0.3%,表明優化水庫調度運行方式能夠在一定程度上抬高水庫運行水位,減小發電水頭的影響。

4.3 日內發電優化調度分析

根據井岡山水庫蓄水后長系列徑流調節結果,在原有旬平均發電過程的基礎上選擇發電影響較大的典型旬進行日內發電優化調度。為保證不影響其他時段長系列徑流調節結果,假定不改變旬初、旬末水庫運行狀態,即維持日內發電流量調度前后萬安電廠平均入庫流量、平均發電流量、旬初和旬末庫水位不變。按小時步長計算,結合萬安電廠機組出力特性曲線,調整萬安電廠發電流量和發電時間以提高萬安電廠的發電效益,最后統計旬總發電影響電量。

結合前文分析結果,可知汛期發電量影響較大的時間為4～6月,入庫流量為901～8 427 m3/s,平均入庫流量為2 032 m3/s,發電水頭為10.66～17.00 m,平均發電水頭為15.63 m,蓄水影響后的平均發電水頭為14.63 m;枯水期發電量影響較大的時間為11月至次年2月,入庫流量為120～900 m3/s,平均入庫流量為410 m3/s,發電水頭為28.00～29.90 m,平均發電水頭為28.94 m,蓄水影響后的平均發電水頭為26.10 m,平均運行水位為93.90 m,該特征與長系列徑流數據分析規律結果基本一致。結合發電影響較大時段的運行特征,選擇以下4種典型工況進行日內發電調度分析(見表2)。

表2 典型日概況及發電調度成果Tab.2 Typical daily overview and power generation

由表2可知,工況1～3在枯水期,通過發電調度可以提高日發量,降低發電影響,平均可提高發電量0.5%。工況4由于受到防洪要求,庫水位按照死水位運行,萬安水庫只能按照入庫流量下泄,不具有發電調節空間。

5 結 論

本文分析了井岡山水庫蓄水運行后的回水頂托作用對萬安電廠發電量的影響,通過長系列徑流調節計算結果研究了萬安電廠發電影響規律,分別從水庫調度和發電流量優化調度方面分析了優化調度策略對減輕發電影響的效果。結果表明:

(1) 在中低流量情況下,井岡山水庫蓄水對萬安電廠的尾水位影響較大,且蓄水水位越高,影響越明顯;下游蓄水運行對萬安電廠發電量影響較為明顯,年平均影響電量為0.99億kW·h,枯水期受影響電量大于汛期,平均高約17%。

(2) 發電水頭影響程度隨著萬安電廠入庫流量的增大逐漸降低,最大影響水頭為3.91 m,年平均水頭降低值為2.18 m,發電水頭受影響最大的時段為11月至次年2月。年平均影響電量與水頭降低值、入庫流量相關,且發電影響較大的入庫流量集中在500～1 100 m3/s之間。

(3) 枯水期適當抬高萬安水庫運行水位,可明顯提高萬安電廠發電效益。

本文主要探討了非汛期優化調度策略,汛期發電影響可結合運行水位動態控制[15]進行發電影響調度分析,進一步研究發電流量優化調度對減少萬安電廠年發電影響的效益。