張衛(wèi)國,鐘平安,陳 璇,戴 力,楊明明

(河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098)

水電是目前開發(fā)程度最高、技術(shù)相對成熟的清潔可再生能源[1-2]。水電的運行效益不僅受到來水的隨機性、水量與水頭的利用方式、機組設(shè)備效率等多種因素的影響[3-4],而且取決于調(diào)度管理人員的技術(shù)水平。因此,建立合理有效的水電站調(diào)度工作考核方法有利于調(diào)動電站調(diào)度人員的積極性,對進一步挖掘水電站發(fā)電潛力具有重要意義。

目前,關(guān)于水電站運行調(diào)度考核方法的研究已受到廣泛關(guān)注。主要研究成果集中在評價指標體系的建立以及指標的定量計算上[5-7],大多結(jié)合某個具體電站的特殊需求展開研究,造成現(xiàn)有的水電節(jié)能考核指標種類繁多,各指標對不同類型的水電站適用程度不同。

本文對現(xiàn)有的考核指標進行歸納、分類,并進行優(yōu)缺點評述分析,提出推薦評價指標,并對該推薦指標涉及的庫容差電量的計算方法進行比較。

1 現(xiàn)有考核指標分析評價

根據(jù)現(xiàn)有文獻收集相關(guān)的考核指標,將國內(nèi)常用的考核指標分成3種類型,即主觀型、客觀單因素型、客觀綜合型。所謂主觀型指標是以上級主管部門制定的發(fā)電量任務(wù)為考核標準,其中發(fā)電量任務(wù)的制定主觀性較強;所謂客觀單因素型指標是以某個可定量的指標反映水電站在某單因素方面的運行調(diào)度水平;客觀綜合型指標,是以某個可定量的指標反映水電站的綜合運行調(diào)度水平。目前常用考核指標的比較分析見表1。

表1中主觀型指標由于受來水不確定性影響,下達的計劃發(fā)電量與實際發(fā)電量無可比性,是所有考核指標中最差的,應(yīng)當盡量避免使用。

客觀單因素型指標僅考慮了影響發(fā)電效益的某個因素,因而不具有廣泛適用性。只有針對不同電站的特性分析選用不同的指標,才能客觀評價調(diào)度水平,如水量利用率一般適用于調(diào)節(jié)性能較低的水電站。但單因素型指標對于剖析水電站增加發(fā)電量的潛力,改進運行調(diào)度措施還是有指導(dǎo)意義的。

表1 現(xiàn)有常用考核指標比較

客觀綜合型指標包含了水量、水頭和機組效率三大主要因素,可以衡量水電站運行調(diào)度的綜合水平。表1的2個綜合型指標中,水能利用提高率反映了實際發(fā)電量偏離考核電量的程度,發(fā)電完成率反映了實際發(fā)電量接近理論最大發(fā)電量的程度,若將考核電量當成下限,將理論最大發(fā)電量作為上限,則這2個指標是互補的,評價結(jié)論應(yīng)該是一致的,但從復(fù)雜程度看,水能利用提高率相對簡單一些,本文推薦使用水能利用提高率作為首選評價指標。水能利用提高率計算中涉及庫容差電量,下面就庫容差電量的計算方法進行分析比較。

2 庫容差電量的計算

水能利用提高率的計算中,實際發(fā)電量可通過實際運行資料統(tǒng)計得到,考核電量的計算是關(guān)鍵,一般t時段考核電量E考,t按式(1)計算:

式中:E計,t為第t時段計算電量,可根據(jù)時段初水位按照水庫調(diào)度圖或調(diào)度規(guī)則,并考慮棄水期發(fā)電負荷率和棄水調(diào)峰等因素的影響計算;E庫,t為第t時段庫容差電量。

階段累積考核電量為

式中:T為階段的時段數(shù)。

E庫,t指時段內(nèi)計算與實際所用庫容差水量對應(yīng)的電量。由于不考慮實際水位的校正,在考核過程中計算與實際的各時段初、末水位通常都不一致(圖1),兩者利用的庫容差水量的差值為

式中:ΔVt為第t時段實際與計算所利用的庫容差水量;V實際,t,V實際,t+1分別為第t時段初、末的實際水庫蓄水量;V計算,t,V計算,t+1分別為第t時段初、末的計算水庫蓄水量。

如何較為合理地將 ΔVt轉(zhuǎn)化為E庫,t,目前尚無統(tǒng)一的計算方法,常用的主要有以下幾種[11-13]:

a.方法 1:按當前時段的發(fā)電耗水率計算E庫,t。計算公式為

圖1 時段庫容差示意圖

式中:μt為當前時段發(fā)電耗水率。

b.方法2:按當前時段的平均水頭計算E庫,t。計算公式為

式中:K為綜合出力系數(shù);Ht為當前時段平均毛水頭。

c.方法 3:按水庫的蓄能曲線計算E庫,t。首先,建立水位與累計電能的關(guān)系曲線(蓄能曲線)Z～E蓄;然后利用Z～E蓄求解,在實際計算中根據(jù)時段初、末的水位按式(6)計算E庫,t:

所以

式中:Z壩為水庫壩上水位;Z尾為發(fā)電尾水位。

可見,當ΔZ→0且K,Z尾已知時,蓄能曲線在Z壩處的斜率可由相應(yīng)水位下庫容曲線的斜率刻畫。所以,是否選用方法 3可以用庫容曲線的非線性程度判別。

在制作蓄能曲線時,水位分級步長不宜過大,為了提高計算精度,考慮下游尾水位對蓄能的影響,對于下游水位變幅較大的水庫,可以尾水位為參數(shù)建立蓄能曲線簇。

3 計算實例

3.1 不同方法庫容差電量計算結(jié)果比較

某不完全年調(diào)節(jié)水電站,庫容系數(shù)為8%,裝機容量為11.5萬kW·h,4—7月為所處流域的汛期,水庫的庫容曲線、蓄能曲線簇如圖2、圖 3所示。圖 3中205.0m,207.5m,210.0m,212.5m,215.0m為發(fā)電尾水位。

圖2 水庫庫容曲線

圖3 水庫蓄能曲線簇

在圖2、圖3中取線性程度較好的A段(水位區(qū)間268.5～274.5m)和線性程度較差的B段(水位區(qū)間250.0～256.0m)。在A段中取1個計算時段,在B段中取2個計算時段(時段2和時段3),分別采用方法1和方法3計算時段庫容差電量,結(jié)果見表2。

表2 庫容差電量計算對比

由表2可見:①當庫容曲線線性程度較高時(圖2中A段),利用方法1計算庫容差電量與利用方法3計算的結(jié)果十分接近,時段 1兩者僅相差0.03%;時段 3雖然位于庫容曲線非線性程度較高的B段,但由于水位變幅較小,時段內(nèi)水位變化的線性程度仍然較高,2種方法計算結(jié)果也僅差0.06%。②當庫容曲線在時段內(nèi)非線性程度較高,且時段初末水位變幅較大時,兩者的計算結(jié)果相差比較明顯,如時段2,兩者相差達1.21%。③由于方法1利用的是時段平均水頭,其庫容差電量計算結(jié)果總是比方法3的小。

所以,可以依據(jù)庫容曲線的非線性程度、時段初末水位變幅作為庫容差電量計算方法的選擇依據(jù):當庫容曲線的非線性程度不高或時段初末水位變幅較小時,2種方法計算結(jié)果相差不大,選擇方法 1計算庫容差電量相對比較容易;當庫容曲線的非線性程度較高且時段初末水位變幅較大時,采用方法3計算庫容差電量可以獲得較高的精度。

3.2 評價指標優(yōu)劣比較

在表1中選擇考核指標,由于計劃發(fā)電量指標主觀性較強,不予考慮;計算可用水能利用率指標所需的可用來水對應(yīng)的計算電量數(shù)據(jù)不易準確度量,本文亦不予考慮;水能利用提高率和發(fā)電完成率2個互補性指標只選擇水能利用提高率指標,以最新核定的能量指標、水庫調(diào)度圖為依據(jù),庫容差電量采用方法3計算。計算結(jié)果見表3。

由表3可見:①相對水量利用率指標 η相對比水量利用率指標η更能客觀地反映水量利用水平。表中汛期(4—7月)η與來水或棄水的多少成反比,由于一般情況下棄水時水庫處于蓄滿狀態(tài)、出力為預(yù)想出力,所以 η的大小取決于來水的多少,并不能客觀反映汛期水量利用程度;而 η相對反映了實際運行對計算條件的超越或背離,η相對的大小與來水的多少沒有必然聯(lián)系,客觀上能反映實際調(diào)度水平的高低。②相對發(fā)電耗水率指標 μ相對比發(fā)電耗水率指標μ更合理。由于水庫的調(diào)蓄作用,汛期與供水期初期水位較高,供水期后期水位較低,汛期還可能來水太豐產(chǎn)生棄水影響發(fā)電水頭,水頭高,發(fā)電耗水率就低,所以 μ的大小不僅取決于調(diào)度水平的高低,還隱含水庫水位消漲的自然因素;而 μ相對中計算與實際的發(fā)電耗水率中都包含有水位消漲和汛期棄水等因素,其比值可以在一定程度上消除這部分的影響,從而更能準確反映水庫調(diào)度的水平高低。③客觀綜合型指標比客觀單因素型指標適應(yīng)性強。一般而論,對于年調(diào)節(jié)以下水庫汛期水量利用(減少棄水)是主要矛盾,非汛期水頭利用(維持高水頭)是主要矛盾,表 3中 ξ考核結(jié)論在汛期與η相對的考核結(jié)論一致,在非汛期與 μ相對的結(jié)論一致,ξ集合了η相對和 μ相對的優(yōu)點 。

4 結(jié) 語

對現(xiàn)有的水電站經(jīng)濟調(diào)度考核指標進行歸納、分類,并進行優(yōu)缺點評述分析,提出推薦評價指標,并對庫容差電量計算方法進行比較,主要結(jié)論如下:①相對水量利用率和相對發(fā)電耗水率指標比其相應(yīng)的絕對指標更能反映調(diào)度水平的高低。綜合指標水能利用提高率具有相對水量利用率和相對發(fā)電耗水率的優(yōu)點,反映因素全面、數(shù)據(jù)易于獲取,可作為首選的考核指標。②水能利用提高率計算中涉及的庫容差電量,當庫容曲線的線性程度較高時,可以直接采用當前時段的發(fā)電耗水率計算;當庫容曲線的非線性程度較高且時段初末水位變幅較大時,采用以尾水位為參數(shù)的水庫蓄能曲線簇計算精度較高。

本文著重于發(fā)電效益的考核,而水庫綜合調(diào)度已經(jīng)成為當前水庫調(diào)度研究與實踐的熱點,如何統(tǒng)籌考核發(fā)電、防洪、生態(tài)等多目標調(diào)度效益的方法是值得進一步研究的問題。

表3 某水電站節(jié)能考核指標計算結(jié)果

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