桃源水電站多機組動態控制水位下過流能力分析

張秀萍 卜福明

(1. 國電投江西公司上猶江水力發電廠,江西 贛州 341000;2. 中國水電顧問集團桃源水電開發有限公司,湖南 常德 415000)

桃源水電站為低水頭河槽徑流式水電站,電站的開發任務主要是發電,兼顧航運、旅游等綜合利用。 電站上游距水電站38.2km,往下匯入洞庭湖。 水庫控制集水面積8.67 萬km2,正常蓄水位39.50m,死水位39.30m。 電站安裝9 臺單機容量20MW 的貫流式水輪發電機組,總裝機容量180MW,水輪機有效水頭2.00 ～9.70m,額定水頭5.60m,單機額定流量410.97 m3/s,裝機滿負荷發電最大設計引用流量3699m3/s[1]。桃源水電站按設計是無調節庫容的,運行時庫水位應保持在39.50m。 在實際運行過程中,由于通航需求及機組安全運行水頭約束,該水電站庫水位在枯水期時段水位無法保證維持在正常蓄水位,電站樞紐已就當前的情況與設計單位進行溝通,對死水位重新進行了可行性分析,并通過了38.80m 死水位論證[2],使得樞紐具備一定的日調節能力。 桃源水電站樞紐下游全景見圖1。

圖1 桃源水電站樞紐下游全景

1 問題的提出

桃源水電站具備調節能力后,就需要考慮騰庫調度的經濟性問題。 徑流式電站因尾水附近的水力條件比較復雜,理論設計較實際情況存在較大的不確定性及誤差,設計的尾水水位流量關系基本無法滿足實際需求,所以由NHQ 曲線查得的發電流量得到的尾水位與其對應的水頭關系往往不能在數理上形成閉合,出庫流量和水頭互相制約,導致不能直觀判斷當前備用機組的過水能力,在根據來水情況通過增加出力進行降水位優化調度時,就無法保證最優的騰庫深度,騰庫過早會導致騰庫太深而達不到最優出力,騰庫過遲又會導致騰庫深度不夠而增加棄水量。 結合該水電站運行實際情況,設備的臨時性消缺比較多,難免會出現來水略大于可用機組滿負荷發電流量的情況,特別是主變消缺的情況,需要停3 臺機組。 為保證盡量多發電量和盡可能地減少棄水,就需要提前進行騰庫運行操作。 騰庫的目的:一是盡可能調節來水,重復利用騰庫庫容增發電量,騰庫的過程即是增發電量的過程;二是通過騰庫適當減少水頭,增大耗水率從而減少棄水量[3]。 為保障發電效益最大化,提高水量利用率,需要根據當前來水情況進行降水位調度時,就要了解當前可用機組在額定滿負荷發電出力條件下的最大過流能力,以判斷是否滿足來水需求,從而可以為降水位調度提供目標水位參考,進而優化降水位調度過程。

2 計算模型分析

根據機組NHQ 公式計算原理,當機組出力一定時,發電流量越大水頭越低;當水頭一定時,出力同發電流量成正比例關系。 不考慮下游回水的頂托影響,下游水位只與出庫流量有關,即下游尾水水位流量關系為單一流量關系,那么在沒有庫水位約束的情況下,額定出力下多機組組合的最大過水能力只與水頭相關,由此就有額定出力下的水頭流量關系曲線。 以該水電站為例,電站9 臺水輪機組均為同一型號機組,假定各機組的機組綜合出力系數一致,不考慮水頭損失,當機組出力相同時,總的發電流量即為單機發電流量乘以開機臺數。 不考慮庫水位約束,根據其NHQ 曲線,該水電站多機組過水能力見表1。

表1 無庫水位約束的額定負荷下多機組水頭流量關系

在實際運用過程中,徑流式電站都有最高庫水位約束,意味著開機臺數越多,流量越大,額定負荷對應的水頭區間將變窄。 以桃源水電站為例,其正常運行水位為39.50m,9 臺機均處于額定負荷運行時的水頭區間就不可能達到9.70m,以此類推,可用機組越少,其處于額定負荷運行時的水頭選擇區間就越大。 所以需要引入庫水位約束后修正的水頭流量關系。

在負荷一定的情況下,NHQ 公式可以簡化為流量與水頭的單一關系[4],通過與尾水水位流量關系聯立方程組,在正常庫水位運行時,各流量所對應的水頭最大,此時就可以得到額定出力下多機組發電的最小過流能力曲線。 如果電站具備日調節性能,則按最低庫水位運行時,各流量所對應的水頭最小,在保證滿足額定水頭的情況下,就可以得到額定出力下多機組發電的最大過流能力曲線,兩條線所圍成的區域即為額定出力下多機組發電的過流能力區間。 同理,設置不同的庫水位就可得到多條不同的多機組發電過流能力曲線,即可對這個過流能力區間進行加密。

根據NHQ 公式計算原理,在額定出力情況下,單機發電流量與水頭為一一對應關系,即有

式中:q發電流量,m3/s;Δh為發電水頭,m。

結合尾水流量關系曲線及總發電流量與單機流量關系,聯立解算的模型為

式中:Q為總發電流量,m3/s;Z上為庫水位,m;Z下為壩下水位,m;n為開機臺數;q為發電流量,m3/s;Δh為發電水頭,m。

其中開機臺數及庫水位均為人工設定的已知參數。 經過模型的整理,可以得到一個關于庫水位與機組臺數、水頭的關系式:

即根據當前可用機組的臺數,可以解算出在不同庫水位控制運行情況下的機組滿負荷發電時的水頭,滿負荷發電水頭確定后即可反算出壩下水位,進而推算出不同庫水位控制運行情況下多機組的滿負荷發電流量關系。

3 具體模型解算

對于該水電站,正常庫水位為39.50m,最低庫水位按38.80m 計算,則水電站庫水位Z上的約束條件為大于38.80m、小于39.50m;根據該水電站水輪機特征曲線,在額定出力情況下,單機發電流量與水頭關系為

式中:q為發電流量,m3/s;Δh為發電水頭,m。

由于本文論述的是避免發生棄水情況下的過流能力分析,所以考慮的尾水流量關系為9 臺機組最大過流流量以下的水位流量關系,根據曼寧公式,采用最小二乘法對實際運行資料進行擬合[5],得到以下關系:

式中:Z下為尾水水位,m;Q為流量,m3/s。

將式(3)和式(2)的模型進行聯立,整理后即為

式中:Z上為庫水位,m;n為開機臺數;Δh為發電水頭,m。

根據該水電站的實際運行情況,該水電站為“三機一變”設計,即3 臺機組掛1 臺變壓器,正常情況下,檢修期按最多同時有1 臺機組消缺加1 臺主變消缺計算,退出備用的機組最多為4 臺,那么按可用機組最少開機臺數為5 臺機起算,庫水位計算按步長0.10m 計算,死水位38.80m 為約束水位,水頭按迭代計算,即可以計算出各開機臺數下的水頭近似解,然后由水頭反算出發電流量,從而可以得到不同庫水位條件下多機組的最大發電流量,具體計算結果見表2,繪制的曲線見圖2。

表2 不同庫水位多機組額定出力工況下過流能力

圖2 不同庫水位不同組合機組額定出力工況下過流能力

從圖2 不僅可以看出不同組合機組在不同庫水位運行控制下的最大過水流量,同時也可看出不同組合機組額定出力下受庫水位約束或額定水頭約束下的最大過水流量。 例如:在有9 臺機組可用的情況下,不考慮水頭損失,為保證最大出力效率,庫水位最多消落至39.40m 左右,過流能力為3500m3/s 左右。 預期來水不大于3500m3/s 時,按出、入庫平衡控制,按庫水位39.40 ～39.50m 實時調整滿負荷運行;預期來水大于3500m3/s 時,最大庫水位消落至39.40m。 同理,在有8 臺機組可用的情況下,為保證最大出力效率,預期來水不大于3100m3/s 左右時,按出、入庫平衡控制,按庫水位39.00 ～39.50m 實時調整滿負荷運行;預期來水大于3100m3/s 時,最大庫水位消落至39.00m。 根據多機組額定出力工況下的過流能力,結合來水預測情況,可以較直觀地判斷騰庫深度,判斷棄水產生的風險程度,結合“先騰庫后回蓄”的優化調度要求,采用不同的降水位策略,為機組檢修及消缺計劃決策提供直觀依據。

4 結 語

降水位調度的目的,一是盡可能調節來水,重復利用騰庫庫容增發電量,騰庫的過程即是增發電量的過程;二是通過降低庫水位可以適當減少水頭,以減少棄水水量。 降水位調度必然需要考慮最低控制水位的約束,騰庫過深不僅可能導致出力受限,而且可能導致在回蓄時水位調整偏大,使整個騰庫調度過程得不償失。所以,通過當前可用機組數量以及預測入庫流量確定最低庫水位約束,可以確定降水位的時間,以保證“先騰庫后回蓄”得到最大的平衡,實現效益最大化,以達到“度電必爭,提質增效”的目的。