李政偉

(黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西 偏關(guān) 036412)

1 概 述

萬家寨水利樞紐位于黃河北干流托克托至龍口峽谷河段，是黃河中游規(guī)劃開發(fā)的8 個(gè)梯級(jí)中的第1級(jí)，也是山西省引黃入晉工程的龍頭工程。壩址控制流域面積39.5 萬km2，多年平均入庫徑流量248 億m3(河口鎮(zhèn)1952 ～1986 年實(shí)測年徑流系列)，設(shè)計(jì)多年平均徑流量192 億m3。水庫總庫容8.96 億m3，調(diào)節(jié)庫容4.45 億m3，水庫最高蓄水位980.00m，正常蓄水位977.00m。其工程設(shè)計(jì)任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，同時(shí)兼有防洪、防凌功能，為不完全季調(diào)節(jié)電站(7、8 月排沙期間為日調(diào)節(jié))。電站總裝機(jī)容量為6 ×180MW，保證出力為185MW，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量為27.5 億kW·h 。電站1 ～3 號(hào)機(jī)接入蒙西電網(wǎng)、4 ～6 號(hào)機(jī)接入山西電網(wǎng)，在電網(wǎng)中主要起調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用作用。

2O 世紀(jì)9O 年代以來，由于黃河中上游寧蒙地區(qū)人口快速增加、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展及氣候變化，使黃河中游的來水減少，萬家寨水庫1998 ～2006 年平均入庫徑流量為120 億m3，僅為設(shè)計(jì)值的62.5%，因此節(jié)水發(fā)電對(duì)萬家寨水電站的經(jīng)濟(jì)效益尤其重要。如何充分利用水資源，使其發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益，是一項(xiàng)值得探討的課題。本文通過對(duì)萬家寨水電站影響發(fā)電耗水率的因素進(jìn)行分析，從節(jié)能降耗的角度提出了節(jié)水增發(fā)電的措施。

2 發(fā)電量與耗水率分析

2.1 水頭影響

萬家寨水庫設(shè)計(jì)調(diào)度方式為:每年汛期7 月15日～10 月15 日，控制在汛限水位966m 以下運(yùn)行;3 月1 日～4 月上旬，上游流冰入庫，流凌開始時(shí)水位降至970m;11 月中旬以后，上游封凍流冰花入庫，水庫蓄水不超過975m。冰花結(jié)束后，庫水位逐步提到977m;11 月至翌年4 月，水位不低于970m。但實(shí)際運(yùn)行中由于汛期來水偏小，比設(shè)計(jì)水位更低，水輪機(jī)運(yùn)行由于偏離額定工況(Hr=68m)較大，因而能量特性較差，表現(xiàn)出較高的發(fā)電耗水率。

根據(jù)天津某水電公司給出的水輪機(jī)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)(見表1)，當(dāng)凈水頭在50m 時(shí)、發(fā)電出力為20MW時(shí)，耗水率為12.84m3/(kW·h)，當(dāng)凈水頭為80m、發(fā)電出力為20MW 時(shí)，耗水率為7.43m3/(kW·h)，兩種水頭運(yùn)行方式下每千瓦·時(shí)的耗水相差5.41m3，耗水率降低42%;凈水頭在70m、發(fā)電出力為180MW時(shí)，耗水率為5.92m3/(kW·h)，凈水頭在80m、發(fā)電出力為180MW 時(shí)，耗水率為5m3/(kW·h)，兩種水頭運(yùn)行方式下每千瓦·時(shí)的耗水相差0.92m3，耗水率降低15.5%。從中可看出，機(jī)組負(fù)荷一定時(shí)，隨著運(yùn)行水位的升高，發(fā)電的耗水率降低。

表1 水輪機(jī)制造廠優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)

2.2 機(jī)組負(fù)荷率影響

萬家寨水庫電站是山西、蒙西電網(wǎng)唯一一座大型水電站，是兩網(wǎng)主力調(diào)峰電廠，近三年山西、蒙西電網(wǎng)大量風(fēng)電接入，風(fēng)電負(fù)荷波動(dòng)大，機(jī)組調(diào)節(jié)負(fù)荷頻繁，如果機(jī)組長時(shí)間處于旋轉(zhuǎn)備用、連續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行，將造成發(fā)電耗水率高。從表1 看，凈水頭在80m，發(fā)電出力為183.7MW 時(shí)，發(fā)電耗水率為5.01m3/(kW·h)，發(fā)電出力為20MW 時(shí)，發(fā)電耗水率為7.43m3/(kW·h)，兩種負(fù)荷運(yùn)行方式耗水率相差2.42m3/(kW·h)，耗水率降低32.5%;凈水頭在70m，發(fā)電出力為133.8MW 時(shí)，發(fā)電耗水率5.8m3/(kW·h)，發(fā)電出力為204.1MW 時(shí)，發(fā)電耗水率為5.6m3/(kW·h)，都在優(yōu)化運(yùn)行范圍內(nèi)，兩者耗水率也只相差0.2m3/(kW·h)，發(fā)電耗水率降低3.4%?？梢钥闯鱿嗤^運(yùn)行時(shí)，最大負(fù)荷的耗水率是最低的(只限表1 中給出的出力范圍)，并且在同一水位下，負(fù)荷率越高越節(jié)水。

2.3 機(jī)組空載運(yùn)行

萬家寨水庫電站擔(dān)任電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，電網(wǎng)常常發(fā)生為保證一個(gè)考核點(diǎn)合格而開機(jī)現(xiàn)象，但是開機(jī)后沒有負(fù)荷，幾分鐘后又停機(jī)。頻繁的開、停，為了并網(wǎng)前所進(jìn)行的轉(zhuǎn)速和電壓調(diào)整，機(jī)組需長時(shí)間在空載運(yùn)行，還有機(jī)組檢修后所進(jìn)行的開機(jī)試驗(yàn)等。機(jī)組空載運(yùn)行時(shí)間長短，決定消耗水量的多少，這對(duì)枯水期大容量機(jī)組來說，影響非常明顯。

2.4 水庫棄水

萬家寨水庫來水全年極不均衡，3 月下旬～4 月上旬，水庫凌汛期入庫日均在1000m3/s，最大峰值在2500m3/s;8 月下旬～9 月上旬，寧蒙地區(qū)停灌，或發(fā)生區(qū)域降雨，水庫入庫量在1300m3/s，最大在3000m3/s。在防汛期間，水庫入庫流量急增，電網(wǎng)需求不足，水庫水位超過汛限水位時(shí)，不得不開閘棄水。但是，如果在洪水到來前準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，科學(xué)調(diào)度，及時(shí)加大發(fā)電量，騰出庫容，可以減少棄水或避免棄水。

3 節(jié)水發(fā)電措施

水庫節(jié)水發(fā)電工作包括兩方面內(nèi)容:首先是避免無益的棄水，充分利用水資源，提高水能利用率;其次降低發(fā)電耗水率，提高水能利用率。

3.1 優(yōu)化樞紐運(yùn)行方式

充分挖掘樞紐運(yùn)用的各種潛能，在保證防汛和調(diào)水安全前提下實(shí)現(xiàn)樞紐的優(yōu)化運(yùn)行，合理抬高水位，增加可調(diào)水量提高水電調(diào)度靈活性，同時(shí)也降低了發(fā)電耗水率，為電站多發(fā)電創(chuàng)造有利條件。

萬家寨水庫具有“8 月中旬以前防區(qū)間和上游洪水，9 月以后防上游洪水”的防洪度汛特點(diǎn)，且樞紐干流來水可預(yù)見期較長，而后汛期時(shí)段庫區(qū)區(qū)間已無特大暴雨且樞紐泄流能力也滿足要求，從防洪考慮可以適當(dāng)抬高汛限水位，為此，萬家寨水庫管理單位組織有關(guān)單位，針對(duì)伏汛期分期汛限水位運(yùn)用進(jìn)行了專題研究和積極嘗試，2006 年萬家寨水庫采取的調(diào)度方案是:“后汛期可根據(jù)實(shí)際來水來沙情況，將其汛限水位提高至974m 運(yùn)用，8 月20 日前水庫汛限水位按966m 控制，9 月1 日后水庫汛限水位按974m 控制，8 月下旬為前、后汛期的過渡期。”2006 年汛期開始按照該控制方案實(shí)施調(diào)度，由于過渡期與后汛期水庫運(yùn)行水位提高，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)測算實(shí)行分期汛限水位可以增加發(fā)電2500 萬kW·h。

3.2 加強(qiáng)水情信息預(yù)報(bào)

萬家寨水庫入庫徑流可分為兩部分:一部分是河口鎮(zhèn)站徑流，主要受上游龍羊峽、劉家峽等大型水庫調(diào)節(jié)的影響;一部分是河口鎮(zhèn)站至萬家寨水利樞紐壩址區(qū)間徑流，主要受區(qū)間降雨影響，河口鎮(zhèn)徑流比重約為98%。萬家寨水庫管理單位與黃河水利委員會(huì)、內(nèi)蒙古氣象臺(tái)簽訂合作協(xié)議，做到信息共享。黃河水利委員會(huì)提供上游蘭州等6 個(gè)水文站水情信息，可得到頭道拐以上的干流12h ～12 天的水情預(yù)報(bào)及寧蒙灌區(qū)取水信息;內(nèi)蒙古氣象臺(tái)為萬家寨水庫提供短期、中期、長期及5 天滾動(dòng)天氣預(yù)報(bào)，并對(duì)萬家寨水庫及其周邊將出現(xiàn)的重要天氣過程作專題預(yù)報(bào)，結(jié)合以中央氣象臺(tái)提供的48 h 天氣預(yù)報(bào)和水文信息網(wǎng)提供的間隔1 h 的實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖，可定性地判斷未來暴雨趨勢(shì)。水庫設(shè)有水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)，在頭道拐至萬家寨區(qū)間布設(shè)有22 個(gè)雨量站、4 個(gè)支流水位站和1 個(gè)干流入庫站，控制了頭道拐以下干流洪水和區(qū)間暴雨洪水，配合以洪水預(yù)報(bào)調(diào)度軟件系統(tǒng)，可得到區(qū)間暴雨洪水5 h 以上預(yù)見期。

利用水情自動(dòng)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)及氣象、水文預(yù)報(bào)信息，在上游流量有減小趨勢(shì)時(shí)，抬高庫水位運(yùn)行，在洪水到來之前及時(shí)將水庫降低運(yùn)行，騰出庫容攔水，重復(fù)利用了庫容，從而減少了水庫棄水。

3.3 努力提高汛期負(fù)荷率

萬家寨水庫電站在實(shí)際運(yùn)行中，常因電網(wǎng)調(diào)峰、事故備用、大量風(fēng)電接入及電網(wǎng)負(fù)荷需求等因素影響，水庫在棄水的情況下仍不能帶滿負(fù)荷發(fā)電，在實(shí)際調(diào)度工作中，提前與中調(diào)聯(lián)系，及時(shí)向中調(diào)匯報(bào)水情信息，取得中調(diào)的支持，協(xié)調(diào)好水火電之間的關(guān)系，盡量在汛期適時(shí)加大出力，提高負(fù)荷率，減少水庫棄水。

3.4 實(shí)行小指標(biāo)考核辦法，提高機(jī)組負(fù)荷率

萬家寨水庫管理單位成立專門的節(jié)能降耗領(lǐng)導(dǎo)小組，制定了經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)指標(biāo)考核辦法、小指標(biāo)考核辦法，強(qiáng)化每個(gè)月對(duì)每班機(jī)組負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)與考核，促使值長加大與水、電調(diào)協(xié)調(diào)力度，機(jī)組在電網(wǎng)最需要的時(shí)候隨調(diào)隨啟，啟后聯(lián)系調(diào)度在高負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷較低時(shí)及時(shí)聯(lián)系停機(jī)備用。改變了過去當(dāng)班人員只管開機(jī)、停機(jī)，不管發(fā)電不發(fā)電的局面。實(shí)施小指標(biāo)考核辦法后，電站機(jī)組負(fù)荷率提高了5%。

3.5 確保機(jī)組在高效區(qū)運(yùn)行

為找出機(jī)組在不同水頭下高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域，委托天津設(shè)計(jì)院對(duì)機(jī)組在不同水頭、不同負(fù)荷情況下進(jìn)行真機(jī)綜合測試，根據(jù)科學(xué)測試和運(yùn)行實(shí)踐制定機(jī)組運(yùn)行曲線，將機(jī)組運(yùn)行區(qū)域劃分為禁止運(yùn)行區(qū)、過渡運(yùn)行區(qū)、穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。為機(jī)組高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有效直觀的依據(jù)，使值班人員發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行工況不好時(shí)，及時(shí)與兩網(wǎng)調(diào)度溝通，使機(jī)組在穩(wěn)定高效區(qū)運(yùn)行。

3.6 加大設(shè)備治理及改造力度

為提高電站運(yùn)行的可靠性和負(fù)荷調(diào)節(jié)的快速性，萬家寨水庫管理單位先后對(duì)影響開機(jī)及調(diào)節(jié)速度的技術(shù)供水系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、快速閘門控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行了10 余項(xiàng)技術(shù)改造，改造后機(jī)組的可靠性、快速性顯著提高。電站近6 年來主設(shè)備完好率一直保持在100%，機(jī)組等效可用系數(shù)定額完成率一直保持在105%以上;年均為電網(wǎng)開機(jī)調(diào)峰達(dá)1500 臺(tái)次，開機(jī)成功率達(dá)到99.99%。

3.7 合理安排機(jī)組發(fā)電及檢修計(jì)劃

根據(jù)水庫中期來水預(yù)報(bào)，科學(xué)制定發(fā)電及檢修計(jì)劃。每年11 月中旬～12 月中旬(封河前)，上游水庫加大下泄防止出現(xiàn)小流量封河形成冰塞，萬家寨入庫流量在500m3/s，日發(fā)電量在700 萬kW·h，在此期間，可安排1 臺(tái)機(jī)組小修;12 月下旬至翌年2 月中旬(穩(wěn)定封河期)，入庫流量在300m3/s，日發(fā)電量在400 萬kW·h，在此期間可以安排1 臺(tái)機(jī)組小修;2 月下旬～3 月下旬(凌汛開河期)，來水逐漸增大，機(jī)組全方式帶基荷運(yùn)行，日發(fā)電量從1000 萬kW·h逐漸增至2500 萬kW·h;4 ～6 月凌汛后流量逐漸減少，最低降至100m3/s 左右，機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行，在此期間可以安排1 臺(tái)機(jī)大修，2 臺(tái)機(jī)組小修;7 ～9 月(伏汛期)，前期可以安排1 臺(tái)機(jī)小修，中后期來水較大，機(jī)組全方式運(yùn)行;10 ～11 月來水在800m3/s 左右，3 ～4 臺(tái)機(jī)帶基荷運(yùn)行，安排一臺(tái)機(jī)小修。

4 結(jié) 語

萬家寨水庫實(shí)行節(jié)水增發(fā)電以來效果明顯，尤其是2010 年，全年機(jī)組負(fù)荷率為62.01%，比2009 年同期機(jī)組負(fù)荷率54.98%提高7 個(gè)百分點(diǎn)以上，發(fā)電耗水率為6.43m3/(kW·h)，比2009 年同期耗水6.61m3/(kW·h)降低2.72%，相當(dāng)于增發(fā)電量7800 萬kW·h，在全年來水量比設(shè)計(jì)入庫水量減少1.6%的情況下，全年發(fā)電量比設(shè)計(jì)平均發(fā)電量增加4.1%，并創(chuàng)造了萬家寨電站投產(chǎn)以來發(fā)電量新紀(jì)錄。

萬家寨水電站節(jié)水發(fā)電的實(shí)踐，說明節(jié)水增發(fā)電措施是成功的，為今后進(jìn)一步做好節(jié)水發(fā)電有一定的指導(dǎo)作用。

任紅俊，趙云.某水庫汛限水位實(shí)施方案的研究［J］.電力學(xué)報(bào)，2008(2):49-51.