劉耀 宋麗波 張鵬飛 陳健

摘要：西霞院水庫(kù)與小浪底水庫(kù)首尾相接，相互影響，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，在一定的下泄流量下，西霞院水庫(kù)水位會(huì)對(duì)小浪底電站機(jī)組發(fā)電量產(chǎn)生一定影響，為保證黃河生態(tài)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益最大化，提出了兩庫(kù)優(yōu)化運(yùn)行建議。

關(guān)鍵詞：尾水位;流量;水頭;出力;調(diào)峰調(diào)頻;經(jīng)濟(jì)效益;生態(tài)調(diào)度

0 引言

小浪底、西霞院水庫(kù)位于洛陽(yáng)市以北40 km的黃河干流中游段。小浪底工程開發(fā)目標(biāo)以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉和發(fā)電功能，于1999年10月蓄水運(yùn)用，電站安裝了6臺(tái)單機(jī)300 MW的混流式機(jī)組。西霞院水庫(kù)為小浪底水庫(kù)的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，位于小浪底水庫(kù)下游16 km處，該水庫(kù)是以反調(diào)節(jié)功能為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧灌溉、供水綜合利用功能，于2007年5月蓄水運(yùn)用，電站安裝了4臺(tái)單機(jī)35 MW的軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組。自2009年開展小浪底、西霞院水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度以來(lái)，在以水定電的前提下，小浪底主要按照河南電網(wǎng)指令參與調(diào)峰調(diào)頻，西霞院以反調(diào)節(jié)為主，按照黃委水調(diào)指令平穩(wěn)下泄流量，基本實(shí)現(xiàn)了水電和諧發(fā)展的目標(biāo)。

近年來(lái)，在兩庫(kù)聯(lián)合調(diào)度研究的基礎(chǔ)上，我公司開展了兩站機(jī)組優(yōu)化精益運(yùn)行研究，保持西霞院水庫(kù)高水位運(yùn)行，以提高西霞院機(jī)組發(fā)電效益，但兩個(gè)電站相距16 km，西霞院水庫(kù)水位過(guò)高，勢(shì)必會(huì)抬高小浪底電站尾水水位，從而影響小浪底機(jī)組出力效率。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，有必要對(duì)西霞院高水位運(yùn)行對(duì)兩站機(jī)組出力產(chǎn)生的影響開展深度的分析研究，為黃河生態(tài)調(diào)度及兩站的精益運(yùn)行提供更多的依據(jù)和理論支持。

1 理論分析依據(jù)

發(fā)電機(jī)功率計(jì)算公式：

P=9.81QHη

式中：Q為流過(guò)水輪機(jī)的流量;H為水輪機(jī)的工作水頭;η為發(fā)電機(jī)的工作效率。

水輪機(jī)的工作水頭是指水輪機(jī)進(jìn)、出口斷面單位重量的水流能量之差，是水輪機(jī)做功用的有效水頭，也等于毛水頭（水庫(kù)的上下游水位差）減去引水系統(tǒng)的水頭損失。

因此，要研究西霞院高水位運(yùn)行對(duì)兩站機(jī)組的影響，就需要研究西霞院庫(kù)水位對(duì)兩站機(jī)組工作水頭的影響。

2 小浪底機(jī)組工作水頭

小浪底機(jī)組工作水頭計(jì)算公式：

H0=H1-H2-H3

式中：H0為機(jī)組工作水頭;H1為小浪底庫(kù)水位;H2為小浪底尾水位;H3為機(jī)組引水系統(tǒng)水頭損失。

2.1 ? ?小浪底庫(kù)水位（H1）計(jì)算

根據(jù)《小浪底電站初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，小浪底水庫(kù)設(shè)計(jì)采用1950—1975年的水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算成果，小浪底水庫(kù)歷年汛期、非汛期運(yùn)用水位如表1所示。

根據(jù)小浪底機(jī)組實(shí)際生產(chǎn)情況，在非汛期下泄流量一般較低，且出入庫(kù)平衡運(yùn)用，可以近似認(rèn)為小浪底庫(kù)水位H1=257 m。

2.2 ? ?小浪底尾水位（H2）計(jì)算

為了準(zhǔn)確研究小浪底尾水位與西霞院庫(kù)水位之間的關(guān)系，本文從中心水量調(diào)度處調(diào)閱近3年來(lái)兩站水位的變化情況，選擇了具有代表性的下泄流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在300 m3/s、350 m3/s、400 m3/s、500 m3/s、600 m3/s、800 m3/s下泄流量情況下，生成小浪底尾水位與西霞院庫(kù)水位對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。通過(guò)分析得出結(jié)論，在不同下泄流量下，小浪底尾水位與西霞院庫(kù)水位變化趨勢(shì)基本一致。同時(shí)，借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，本文對(duì)兩者進(jìn)行相關(guān)性分析。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，不同流量下西霞院庫(kù)水位與小浪底尾水位對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)如表2所示。

當(dāng)下泄流量較小時(shí)，小浪底尾水位與西霞院庫(kù)水位之間可以認(rèn)為具有高度正相關(guān)關(guān)系，即西霞院庫(kù)水位對(duì)小浪底尾水位有很大影響。當(dāng)下泄流量為800 m3/s時(shí)，小浪底電站共用一條尾水洞的2臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，也會(huì)對(duì)小浪底尾水位產(chǎn)生影響。

假設(shè)西霞院庫(kù)水位在133～134 m變化，近似認(rèn)為小浪底尾水位與西霞院庫(kù)水位之間為線性關(guān)系，即h1（小浪底尾水位）=h2（西霞院庫(kù)水位）+△h（水位差值），經(jīng)過(guò)插值計(jì)算可得出不同流量下小浪底尾水位的變化范圍，水位差計(jì)算結(jié)果如表3所示。

當(dāng)西霞院庫(kù)水位在133～134 m變化時(shí)，300 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.65～134.65 m;350 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.67～134.67 m;400 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.70～134.70 m;500 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.78～134.78 m;600 m3/s流量下，小浪底尾水位為133.83～134.83 m;800 m3/s流量下，小浪底尾水位為134.16～135.16 m。

2.3 ? ?小浪底機(jī)組引水系統(tǒng)水頭損失（H3）計(jì)算

水頭損失計(jì)算包括局部水頭損失和沿程水頭損失。

沿程水頭損失采用謝才-曼寧公式計(jì)算：

hf=LV2/（C2R），其中，C=R1/6/n

式中：hf為沿程水頭損失;L為壓力鋼管長(zhǎng)度;V為水流速度;C為謝才系數(shù);R為水力半徑;n為壓力水道糙率值，鋼管襯砌取0.012。

局部水頭損失按下式計(jì)算：

hm=ξV2/（2g）

式中：hm為局部水頭損失;ξ為局部水頭損失系數(shù);V為水流速度;g為重力加速度。

機(jī)組引水管道長(zhǎng)度按均值373 m、過(guò)機(jī)流量按300 m3/s計(jì)算，得出小浪底機(jī)組引水系統(tǒng)水頭損失H3=1.27 m。

綜上所述，當(dāng)西霞院庫(kù)水位在133～134 m運(yùn)行時(shí)，小浪底機(jī)組工作水頭變化如表4所示。

3 小浪底機(jī)組發(fā)電量

根據(jù)小浪底機(jī)組水輪機(jī)綜合特性曲線，查詢出一定水頭下不同出力點(diǎn)的效率，可以計(jì)算出機(jī)組每日理論少發(fā)電量。

結(jié)合2019年機(jī)組實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將負(fù)荷率引入小浪底機(jī)組發(fā)電量計(jì)算中，計(jì)算出機(jī)組每日實(shí)際少發(fā)電量，結(jié)果如表5所示。

4 西霞院水庫(kù)機(jī)組

非汛期，西霞院庫(kù)水位在133～134 m變化，根據(jù)西霞院水庫(kù)2019年下半年水情相關(guān)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出不同流量下西霞院水庫(kù)機(jī)組毛水頭及尾水位對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6所示。

從表6可以看出，隨著下泄流量增加，西霞院水庫(kù)尾水位逐漸抬升，當(dāng)西霞院庫(kù)水位在133～134 m變化時(shí)，西霞院機(jī)組毛水頭逐漸降低。

西霞院機(jī)組工作水頭為5.83～13.82 m，適當(dāng)保持較高水頭運(yùn)行，可以提高機(jī)組的發(fā)電效率，查詢機(jī)組效率曲線可知，最高效率是94.37%，對(duì)應(yīng)水頭為13.82 m。西霞院水庫(kù)機(jī)組為軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，水頭過(guò)高會(huì)導(dǎo)致沖擊力增強(qiáng)，影響設(shè)備使用壽命，也會(huì)使機(jī)組偏離最優(yōu)工況區(qū)，從而降低機(jī)組效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文經(jīng)過(guò)理論分析計(jì)算，小浪底尾水位與西霞院庫(kù)水位變化趨勢(shì)基本一致，在黃河下泄流量較大情況下，河道槽蓄效應(yīng)疊加，西霞院水庫(kù)高水位運(yùn)行對(duì)小浪底機(jī)組尾水位產(chǎn)生一定影響，從而對(duì)小浪底機(jī)組出力效率產(chǎn)生影響。因此，建議非汛期黃河下泄流量大于600 m3/s時(shí)，可以在規(guī)定范圍內(nèi)適當(dāng)降低西霞院水庫(kù)水位，既增加了電網(wǎng)調(diào)峰需要的日調(diào)節(jié)庫(kù)容，有利于充分發(fā)揮小浪底電站在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻中的作用，又實(shí)現(xiàn)了黃河生態(tài)調(diào)度，優(yōu)化了兩站機(jī)組精益運(yùn)行，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

收稿日期：2020-09-04

作者簡(jiǎn)介：劉耀（1981—），男，四川蒼溪人，工程師，從事水電站設(shè)備運(yùn)行管理工作。