卜福明

（中國水電顧問集團(tuán)桃源水電廠，湖南省常德市 415000）

0 引言

沅水干流梯級開發(fā)方案為14級，從上至下依次為：革東、三板溪、掛治、白市、托口、洪江、安江、銅灣、清水塘、大 潭、魚潭、五強(qiáng)溪、凌津?yàn)?，其中三板溪為沅水干流的“龍頭”水庫，具有多年調(diào)節(jié)性能，五強(qiáng)溪為沅水中下游的控制性骨干工程，為季調(diào)節(jié)水庫，桃源水電站是沅水干流最末一個(gè)水電開發(fā)梯級，為低水頭河槽徑流式水電站，位于湖南省常德市桃源縣城的沅水干流上[1]。電站無調(diào)節(jié)性能，正常蓄水位39.5m，死水位39.3m。電站安裝9臺單機(jī)容量20MW的貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量180 MW，水輪機(jī)有效水頭2～9.7m，額定水頭5.6m，單機(jī)額定流量410.97m3/s，裝機(jī)滿發(fā)最大設(shè)計(jì)引用流量3699m3/s[2]。桃源水電站上游的五強(qiáng)溪水電站具有季調(diào)節(jié)性能；凌津?yàn)┧娬緸槲鍙?qiáng)溪水電站的反調(diào)節(jié)電站，具有日調(diào)節(jié)性能[3]。經(jīng)分析，從五強(qiáng)溪壩址到桃源壩址的洪水傳播時(shí)間約為6h，其中凌津?yàn)沃返教以磯沃返膫鞑r(shí)間為3h[4]。桃源水電站的入庫流量采用上游五強(qiáng)溪出庫經(jīng)凌津?yàn)┧娬菊{(diào)節(jié)后的出庫流量與區(qū)間相加求得，故桃源水電站來水主要取決于上游五強(qiáng)溪水電站的出庫流量[5]。

1 問題的提出

在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于桃源水電站沒有調(diào)節(jié)庫容，庫水位保持在39.5m運(yùn)行，開停機(jī)比較頻繁，且電站安裝有9臺機(jī)組，設(shè)備的臨時(shí)性消缺比較多，那么在需要進(jìn)行停機(jī)消缺的時(shí)候，難免會出現(xiàn)來水略大于可用機(jī)組滿發(fā)流量的情況，特別是主變壓器消缺的情況，需要停三臺機(jī)。為保證盡量多發(fā)電量和盡可能地減少棄水的產(chǎn)生，就需要提前進(jìn)行騰庫運(yùn)行操作。騰庫的目的一是盡可能調(diào)節(jié)來水，重復(fù)利用騰庫庫容增發(fā)電量，騰庫的過程即是增發(fā)電量的過程；二是通過騰庫可以適當(dāng)減少水頭增大度電耗水率從而減少棄水水量。對于桃源水電站而言，由于上游五強(qiáng)溪水電站屬于季調(diào)節(jié)水庫，出庫流量在短時(shí)段內(nèi)基本沒有變化，且五強(qiáng)溪至桃源區(qū)間，集雨面積小，基本無區(qū)間流量的產(chǎn)生，且流量傳播距離短，五強(qiáng)溪壩址到桃源壩址的洪水傳播時(shí)間約為4h，流量坦化效果不明顯。所以桃源水電站來水受五強(qiáng)溪水電站及凌津?yàn)┧娬韭?lián)合調(diào)度后，入庫流量曲線基本呈“凹凸”型或直線型，如圖2所示，對于較長時(shí)段的缺機(jī)組運(yùn)行，如果只需要適當(dāng)消落一定的庫水位即可達(dá)到出入庫平衡，那么只需要提前在流量達(dá)到前適當(dāng)加大出力將庫水位消落至特定庫水位即可；如果來水流量較大，通過消落水位增大耗水率亦不能消納來水的話，那么給定一個(gè)最低控制水位進(jìn)行騰庫消落即可。

而對于比較短時(shí)段的缺機(jī)組運(yùn)行，除了需要考慮最低控制水位的約束，還需要考慮降水位的時(shí)間，以保證“先騰庫后回蓄”得到最大的平衡，騰庫操作不及時(shí)或者騰庫深度不夠就會產(chǎn)生棄水，亦或者騰庫深度太大，造成后續(xù)來水不足而被迫減負(fù)荷回蓄庫水位。本文即是思考在此類情況下如何進(jìn)行精細(xì)化調(diào)度，既不產(chǎn)生棄水亦不擴(kuò)大騰庫深度，亦或者通過約束時(shí)間，在保證“先騰庫后回蓄”平衡的前提下調(diào)算出最低控制水位，實(shí)現(xiàn)效益最大化，以達(dá)到精細(xì)化優(yōu)化水庫調(diào)度的目的。

圖1 時(shí)段入庫流量過程線Figure 1 Time interval hydrograph of incoming flow

2 調(diào)算模型的建立

水庫調(diào)度過程其實(shí)就是水量平衡方程的逐時(shí)段解算過程，在入庫流量過程已知的情況下解算庫水位過程及出庫流量過程。對于本文所思考的優(yōu)化調(diào)度情況，出庫流量是有邊際約束的，即當(dāng)前可用機(jī)組數(shù)量。根據(jù)NHQ公式計(jì)算原理，在出力確定的情況下，流量和水頭互為約束，是一個(gè)二元函數(shù)的求解，為便于利用Excel表格的自動計(jì)算功能，在解算模型建立前，先要對NHQ公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于NHQ公式是個(gè)二元函數(shù)，除了綜合出力系數(shù)K外，需要確定出力、水頭及出庫流量中的其中兩個(gè)變量才能解算出這個(gè)函數(shù)，在結(jié)合水量平衡方程進(jìn)行逐時(shí)段解算。由于出庫流量決定壩下水位，進(jìn)而影響運(yùn)行水頭，而水頭又決定著出力及出庫流量，在編制短期發(fā)電計(jì)劃時(shí)，需要精細(xì)到逐時(shí)段的負(fù)荷及出庫流量，如果對NHQ公式不加處理，在利用Excel表格計(jì)算時(shí)邏輯上就會形成“死循環(huán)”計(jì)算。如果將這個(gè)NHQ公式轉(zhuǎn)換為水頭耗水率關(guān)系的一元函數(shù)，聯(lián)立水位流量關(guān)系曲線及水位庫容關(guān)系曲線這兩個(gè)一元函數(shù)，然后在結(jié)合水量平衡方程就可逐時(shí)段解算出整個(gè)時(shí)段的發(fā)電調(diào)度過程。

根據(jù)NHQ公式，結(jié)合耗水率計(jì)算公式，可以得到以下公式[6]：

式中R——耗水率，m3/kWh；

Q——發(fā)電流量，m3/s；

N——機(jī)組出力，萬kW；

?h——發(fā)電水頭；

K——機(jī)組綜合出力系數(shù)。

這樣就將NHQ關(guān)系處理為R—?h的一元函數(shù)，設(shè)為R=f（?h）。假定不考慮機(jī)組的水頭損失，各機(jī)組的運(yùn)行工況各個(gè)時(shí)期基本一致，那么通過將實(shí)際的運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以擬合一條平均的耗水率與水頭的關(guān)系線，結(jié)合水位庫容關(guān)系曲線及下游水位流量關(guān)系曲線，逐時(shí)段解算水量平衡方程即可得到時(shí)段調(diào)度過程線。聯(lián)立的公式[7]如下：

式中Z——庫水位，m；

V——庫容，m3；

——時(shí)段平均入庫流量，m3/s；

h——下游水位，m；

?h——水頭，m；

R——耗水率，m3/kWh。

嚴(yán)格來講，計(jì)算耗水率需要電站上、下游水位，單機(jī)出力和水頭損失等參數(shù)，但就桃源水電站而言，通過實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)毛水頭與耗水率具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99。桃源水電站的水頭耗水率關(guān)系如下[8]：

式中R——耗水率，m3/kWh；

?h——水頭，m。

其余關(guān)系式如水位庫容曲線及下游水位流量曲線采用設(shè)計(jì)曲線。

3 實(shí)際調(diào)算運(yùn)用

桃源水電站來水受上游五強(qiáng)溪及凌津?yàn)┞?lián)合調(diào)度影響，入庫流量過程線一般類似于“凹凸”型或者直線型，即流量穩(wěn)定后基本為平滑直線。假設(shè)以決策某臺主變壓器是否消缺為例，桃源水電站備用機(jī)組就只有6臺，假定機(jī)組符合額定工況要求，五強(qiáng)溪水電站的來水經(jīng)凌津?yàn)┧娬痉聪蛘{(diào)節(jié)后流量維持在2200m3/s，桃源水電站庫水位允許最低消落水位為39.30m，初始運(yùn)行庫水位39.42m，優(yōu)化調(diào)度前出、入庫按平衡控制，預(yù)計(jì)入庫流量過程如表1所示，在保證最低消落水位的情況下，試算初始的出庫流量，即可得出整個(gè)騰庫調(diào)算過程，進(jìn)而判斷消缺時(shí)長是否滿足不棄水要求。具體調(diào)算結(jié)果如表1所示。

表1 最長消缺時(shí)間調(diào)算結(jié)果Table 1 Adjustment Result of the longest time for eliminating deficiency

從表1可看出，為保證不低于最低庫水位控制，初始時(shí)段平均發(fā)電流量為1300m3/s，后6臺機(jī)滿發(fā)，至庫水位回蓄到39.50m附近的正常蓄水位，整個(gè)過程7h左右，第7個(gè)時(shí)段后若消缺工作完成，則全機(jī)組完全有能力消納入庫流量，亦說明在凌津?yàn)┧娬炯娱_的流量到達(dá)桃源水電站后留給消缺的時(shí)間最長不能超過7h。對決策而言，若消缺時(shí)長大于7h，則意味著需要提前開工消缺，若消缺時(shí)間小于7h，則意味著可以適當(dāng)減少騰庫深度或者延遲開工消缺。

同樣以上述背景為例，某臺主變壓器消缺，若消缺時(shí)長比較長，假定來水過程在第5個(gè)時(shí)段后開始退水，若按最低庫水位進(jìn)行騰庫消落，可以保證不發(fā)生棄水，但是在入庫流量消退前庫水位并未回蓄至39.5m，為保證經(jīng)濟(jì)利用水頭效益，必然需要提前減少出力以保證庫水位，這樣就造成在騰庫過程中由于騰庫較深，勢必減少了水頭而增加了耗水率，同時(shí)在后期又被迫減少出力以回蓄水位，造成了發(fā)電量輸出減少，很明顯這樣的調(diào)度過程不符合優(yōu)化調(diào)度的要求。所以需要調(diào)算出一個(gè)騰庫水位，既保證在不棄水的前提下亦不刻意減少水頭加大耗水率，使發(fā)電效益最優(yōu)化。具體調(diào)算結(jié)果如表2所示。

表2 最優(yōu)消落水位調(diào)算結(jié)果Table 2 The result of optimal water level regulation

續(xù)表

從表2可看出，通過調(diào)算可以確定最優(yōu)消落水位為39.32m，初始發(fā)電流量1200m3/s，即消落的最低庫水位不低于39.32m，最遲加大出力進(jìn)行水庫消落的開始時(shí)間不遲于入庫流量達(dá)到前，后6臺機(jī)滿發(fā)，至入庫流量開始減少的同時(shí)水庫回蓄到39.50m的正常蓄水位，后續(xù)即可按出、入庫流量平衡控制以保證庫水位維持在最高蓄水位運(yùn)行。

由上亦可看出，在同樣的背景條件下，不同的決策事件決定了不同的優(yōu)化調(diào)度過程，并不是一味的將水位降至允許的最低消落水位。騰庫的目的就是利用騰庫庫容重復(fù)利用水量多發(fā)點(diǎn)，同時(shí)盡可能消納來水以減少棄水量的產(chǎn)生。對于桃源水電站有限的騰庫空間而言，騰庫的時(shí)間及騰庫的深度是決定其提前騰庫調(diào)度過程是否優(yōu)化的關(guān)鍵指標(biāo)。

4 結(jié)語

桃源水電站作為中國水電顧問集團(tuán)旗下的標(biāo)桿水電站，自機(jī)組全部投產(chǎn)以來，年發(fā)電量連續(xù)突破設(shè)計(jì)發(fā)電量，為落實(shí)“度電必爭，提質(zhì)增效”的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，電站深挖細(xì)掘，牢固樹立“水位即是效益”的理念。作為無調(diào)節(jié)性能的徑流式電站，桃源水電站充分利用正常蓄水位到死水位的庫容，在確保上、下游庫區(qū)安全及樞紐安全的前提下，不斷摸索，降本增效。在此背景下，本文思考在日發(fā)電運(yùn)行中如何充分利用庫容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，達(dá)到效益最大化。參考該思路得到的水庫調(diào)度過程，可以為決策者提供決策依據(jù)。以點(diǎn)擴(kuò)面，本方法亦可適用到可調(diào)節(jié)水電站做中短期計(jì)劃參考。