易 瑞 吉
(國電科學(xué)技術(shù)研究院,四川 成都 610000)
水電站短期經(jīng)濟運行技術(shù)研究
易 瑞 吉
(國電科學(xué)技術(shù)研究院,四川 成都610000)
摘要:通過對水電站運行環(huán)境進行分析,建立了水電站經(jīng)濟運行模型,確定了約束條件,明確了水電站進行經(jīng)濟運行所必備的條件,在不降低水庫防洪安全的前提下,增加了水電站的發(fā)電效益,并通過具體的實例分析,證明了水電站經(jīng)濟運行的可行性。
關(guān)鍵詞:水電站;經(jīng)濟運行;研究
水電站經(jīng)濟運行是從電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟發(fā)供電的目標出發(fā),制定出水電站的最優(yōu)運行方式,以一定的水電能源獲取水電站最大的發(fā)電量。2008 年金融危機以來,世界經(jīng)濟深度調(diào)整,我國也在加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展的方式。宏觀經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及環(huán)保方面的壓力必然會導(dǎo)致電力市場結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的調(diào)整,向清潔、高效、安全、可持續(xù)的方向發(fā)展。因此,充分發(fā)揮水電清潔、可再生能源的屬性,最大限度地利用水能資源、發(fā)揮水電效益,實現(xiàn)節(jié)能減排、能源資源可持續(xù)利用具有重大意義。
水電站運行過程中受外部環(huán)境因素制約較大,入庫徑流、水庫綜合利用、自身管理水平以及電力系統(tǒng)調(diào)度等均影響水電站最優(yōu)效益的發(fā)揮。[1]在實際運行中,水電站的運行策略較為保守,指導(dǎo)思想為嚴防各種小概率事件,以不變應(yīng)萬變,但是,在確保安全的同時,勢必會造成不必要的棄水,客觀上浪費了水電站投資。如何在兼顧安全的前提下,以科學(xué)的方法指導(dǎo)水電站運行,開展水電站優(yōu)化調(diào)度工作,充分挖掘水庫的潛力、提高水電站水庫的運行管理水平,對增加水電站的收入,實現(xiàn)“工程水利”向“資源水利”轉(zhuǎn)變具有重要的現(xiàn)實意義。
1水電站經(jīng)濟運行模型[2]
1.1經(jīng)濟運行目標
在現(xiàn)有考核體系下,水電站在社會公益方面的效益往往因為難以計量而被忽略,評價水電站的收益主要取決于發(fā)電收益,即發(fā)電量最大??紤]在一定周期范圍內(nèi)水電站調(diào)度目標函數(shù)E為:
maxE=∫lN(t)dt
(1)
N(t)=KQ(t)H(t)
(2)
式中N(t) 為水電站第t時段的出力;K為第t時段的出力系數(shù);Q(t)為第t時段的發(fā)電流量;H(t)為第t時段的平均發(fā)電水頭;l為水電站單場次洪水預(yù)見期。
由式(1)、(2)可以得出:短期調(diào)度過程中,電站的發(fā)電量取決于時段平均水頭的大小和預(yù)見期的長短。水頭越高、預(yù)見期越長,則時段發(fā)電量越大。同時,水頭的抬高也與預(yù)見期相關(guān),預(yù)見期越長,則可利用的水量就越大,相應(yīng)的水庫運行水位就越高。由此可見,水電站短期運行目標的實現(xiàn)關(guān)鍵在于預(yù)見期的提高。
1.2邊界控制條件
水電站在運行過程中還應(yīng)兼顧各方面的效益因素,不能夠一味的追求發(fā)電效益而盲目抬高運行水位,否則將帶來嚴重的防汛危險以及淤積問題。因此,為了更好地指導(dǎo)水庫運行、規(guī)避運行風險,水電站在制定運行規(guī)則時均取外包線,即各種不利情況相遇時。此種方式利于操作,但也犧牲了一部分發(fā)電收益。
①水量平衡約束。
V(t)=V(t-1)+(Qin(t)-Qout(t)
-EP(t) )Δt
(3)
式中V(t)表示水庫第t時段初庫容;Qin(t)表示第t時段水庫入庫流量;Qout(t)表示第t時段水庫平均出庫流量;EP(t) 表示t時段水庫蒸發(fā)、滲漏損失。
②水庫水位約束。
ZL(t)≤Z(t)≤ZU(t)
(4)
ZU(t)= Z限+f((Qout(t)-Qin(t) )l)
(5)
式中ZL(t)為水庫第t時段允許的最小蓄水位,原則上取原設(shè)計汛限水位。若考慮泥沙調(diào)度以及預(yù)泄騰空庫容,則其低于原設(shè)計汛限水位;ZU(t)為水庫允許的最大蓄水位,取允許汛限水位的上限 ;Z限為該時段內(nèi)水庫的限制運行水位;f(v)為水位庫容曲線。
③下泄流量限制。
QL(t)≤Qout(t)≤QU(t)
(6)
式中QL(t))為第t時段下泄流量,由下游生態(tài)、灌溉、供水或航運要求決定;QU(t)為下泄流量上限,受下游區(qū)間來水、防洪控制斷面行洪要求以及水庫泄流方式影響。
④電站出力限制。
PL(t)≤N(t)≤PU(t)
(7)
式中N(t)為第t時段出力;PL(t)為電站第t時段出力下限;PU(t)為水電站第t時段出力上限,由機組額定出力、振動區(qū)及系統(tǒng)調(diào)度要求等確定。
上述優(yōu)化過程屬于一個多維優(yōu)化決策過程,可以通過計算取得最優(yōu)解。
2水電站經(jīng)濟運行的必要條件
2.1水庫應(yīng)具有一定的調(diào)節(jié)能力
水電站經(jīng)濟運行的關(guān)鍵在于運行水頭H的抬高和發(fā)電水量的增加,因此,水庫必須具備一定的調(diào)節(jié)庫容,用以洪水入庫前抬高運行水位以及洪峰過后容納尾洪資源,以達到增發(fā)電量的目的。換言之,水庫調(diào)節(jié)能力越強,則經(jīng)濟運行空間越大,反之則沒有經(jīng)濟運行的可能。[3]
2.2水庫應(yīng)建有完善的水情測報系統(tǒng)
流域內(nèi)從降雨落地到形成徑流入庫需要一定的時間,水電站可以通過建設(shè)功能完善的水情測報系統(tǒng),第一時間獲取流域內(nèi)的水雨情信息,然后開展洪水預(yù)報作業(yè),可以有效計算出入庫洪水等級,依據(jù)即將入庫的洪水等級選擇相應(yīng)的運行策略。在洪峰過后,依據(jù)上游降雨信息適時關(guān)閘攔蓄尾洪,達到洪水資源化的目的。遙測站點的布設(shè)應(yīng)覆蓋控制流域重要暴雨區(qū)以及下游防洪控制區(qū),主要支流控制斷面應(yīng)設(shè)有水位控制站,同時,多泥沙河流應(yīng)設(shè)有出入庫泥沙監(jiān)測設(shè)施。
2.3水工建筑物應(yīng)處于健康狀態(tài)
水電站水工建筑物的健康水平是經(jīng)濟運行的前提。抬高運行水頭的同時,意味著改變了水工建筑物的設(shè)計運行狀態(tài)。電站應(yīng)加強樞紐建筑物的安全監(jiān)測工作,確保工程質(zhì)量良好,避免其帶病運行,尤其是泄洪系統(tǒng),應(yīng)確保其100%處于健康狀態(tài)。必要時還應(yīng)論證高水頭運行條件下樞紐區(qū)邊坡穩(wěn)定情況、泄洪設(shè)施消能情況以及大壩穩(wěn)定狀態(tài)等相關(guān)影響安全的因素。
2.4行洪管理體系
水電站短期經(jīng)濟運行期間,必然改變原有控泄方式,電站的下泄方式將由固定下泄改為湊泄或錯峰下泄,因此,應(yīng)對下游河道的行洪能力進行充分論證,聯(lián)合地方防汛部門,針對下游重點防汛目標加強泄洪預(yù)警系統(tǒng)建設(shè),防止人造洪水造成破壞的情形發(fā)生。
2.5決策指揮體系
大中型水庫為了防洪安全,設(shè)計標準一般較高,在實際運行過程中不是每次都能夠遭遇小概率洪水事件,故如何準確的預(yù)報洪水等級,研判水庫運行風險,選擇相應(yīng)的策略成為水庫經(jīng)濟運行的關(guān)鍵,因此,非工程措施與工程措施具有同等重要的作用。電站應(yīng)具備完善的組織機構(gòu)、合理的應(yīng)急預(yù)案、熟練的專業(yè)人員及暢通的通訊體系等。在一次洪水的優(yōu)化調(diào)度過程中,時間就是效益,決策時間的長短直接關(guān)系到電站效益,即整個指揮體系從水雨情研判、洪水預(yù)報作業(yè)、制定洪水調(diào)度方案、下達泄洪指令直至選擇關(guān)閘攔蓄時機等應(yīng)準確及時。
3工程實例
某水電站是一座以灌溉和供水為主,兼有防洪、發(fā)電、環(huán)境保護和旅游等綜合效益的一等大(I)型水利工程,下游有大型灌區(qū)和大型城市。水庫正常蓄水位高程877 m,死水位高程817 m,汛限水位高程850 m,總庫容11.12億m3,正常水位庫容為9.98億 m3,具有不完全年調(diào)節(jié)功能。該水電站原有運行方式采用固定汛限水位方式,即不考慮上游水雨情變化情況,汛期保持水位在汛限水位,當洪水入庫時,依據(jù)壩前水位作為水庫調(diào)度的惟一依據(jù),在洪峰過壩后,將庫水位迅速恢復(fù)至汛限水位。實際運行過程中,該水庫往往是洪水入庫前期棄水較多,平水期無水可用,既未能有效發(fā)揮水庫的防洪作用,同時還造成了汛末蓄滿困難。為解決防汛與發(fā)電的矛盾,通過采取經(jīng)濟運行方式,適時抬高運行水位,取得了良好的經(jīng)濟效益。
表1 某電站年度運行統(tǒng)計表
由表1中的數(shù)據(jù)可見,2013年較2010年徑流總量少了近14億m3,運行水位高了3.21 m,耗水率少了0.13 m3/kW·h,發(fā)電量多了0.42億kW·h。
由圖1、2可以看到,在年度運行過程中,2010年的運行策略較為保守,汛期運行水位較為平穩(wěn),處在汛限水位附近;2013年有兩次明顯的優(yōu)化調(diào)度過程,在汛末來水偏枯的形勢下,依然取得了良好的效益。
圖1 2010年日發(fā)電量與水位運行示意圖
4結(jié)語
經(jīng)濟運行方式是對目前水位控制方式的修改和完善,無論是豐水年、平水年、枯水年,都能使水電站科學(xué)、合理地運行。[4]實踐表明:在充分調(diào)動水電站現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上,通過科學(xué)的調(diào)度,在不降低防洪標準的前提下,尋求水電站更大效益的發(fā)揮是可行的。
圖2 2013年日發(fā)電量與水位運行示意圖
參考文獻 :
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易瑞吉(1981-),男,黑龍江鶴崗人,工程師,碩士,從事水電站水工建筑物技術(shù)監(jiān)督、水電站經(jīng)濟運行、水庫防洪管理及水庫調(diào)度工作.
(責任編輯:李燕輝)
收稿日期:2014-12-11
文章編號:1001-2184(2015)03-0074-03
文獻標識碼:B
中圖分類號:TV7;TV62;TV697;TV736
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