水电站运行调度绩效考核方法

张卫国,钟平安,陈 璇,戴 力,杨明明

(河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098)

水电是目前开发程度最高、技术相对成熟的清洁可再生能源[1-2]。水电的运行效益不仅受到来水的随机性、水量与水头的利用方式、机组设备效率等多种因素的影响[3-4],而且取决于调度管理人员的技术水平。因此,建立合理有效的水电站调度工作考核方法有利于调动电站调度人员的积极性,对进一步挖掘水电站发电潜力具有重要意义。

目前,关于水电站运行调度考核方法的研究已受到广泛关注。主要研究成果集中在评价指标体系的建立以及指标的定量计算上[5-7],大多结合某个具体电站的特殊需求展开研究,造成现有的水电节能考核指标种类繁多,各指标对不同类型的水电站适用程度不同。

本文对现有的考核指标进行归纳、分类,并进行优缺点评述分析,提出推荐评价指标,并对该推荐指标涉及的库容差电量的计算方法进行比较。

1 现有考核指标分析评价

根据现有文献收集相关的考核指标,将国内常用的考核指标分成3种类型,即主观型、客观单因素型、客观综合型。所谓主观型指标是以上级主管部门制定的发电量任务为考核标准,其中发电量任务的制定主观性较强;所谓客观单因素型指标是以某个可定量的指标反映水电站在某单因素方面的运行调度水平;客观综合型指标,是以某个可定量的指标反映水电站的综合运行调度水平。目前常用考核指标的比较分析见表1。

表1中主观型指标由于受来水不确定性影响,下达的计划发电量与实际发电量无可比性,是所有考核指标中最差的,应当尽量避免使用。

客观单因素型指标仅考虑了影响发电效益的某个因素,因而不具有广泛适用性。只有针对不同电站的特性分析选用不同的指标,才能客观评价调度水平,如水量利用率一般适用于调节性能较低的水电站。但单因素型指标对于剖析水电站增加发电量的潜力,改进运行调度措施还是有指导意义的。

表1 现有常用考核指标比较

客观综合型指标包含了水量、水头和机组效率三大主要因素,可以衡量水电站运行调度的综合水平。表1的2个综合型指标中,水能利用提高率反映了实际发电量偏离考核电量的程度,发电完成率反映了实际发电量接近理论最大发电量的程度,若将考核电量当成下限,将理论最大发电量作为上限,则这2个指标是互补的,评价结论应该是一致的,但从复杂程度看,水能利用提高率相对简单一些,本文推荐使用水能利用提高率作为首选评价指标。水能利用提高率计算中涉及库容差电量,下面就库容差电量的计算方法进行分析比较。

2 库容差电量的计算

水能利用提高率的计算中,实际发电量可通过实际运行资料统计得到,考核电量的计算是关键,一般t时段考核电量E考,t按式(1)计算:

式中:E计,t为第t时段计算电量,可根据时段初水位按照水库调度图或调度规则,并考虑弃水期发电负荷率和弃水调峰等因素的影响计算;E库,t为第t时段库容差电量。

阶段累积考核电量为

式中:T为阶段的时段数。

E库,t指时段内计算与实际所用库容差水量对应的电量。由于不考虑实际水位的校正,在考核过程中计算与实际的各时段初、末水位通常都不一致(图1),两者利用的库容差水量的差值为

式中:ΔVt为第t时段实际与计算所利用的库容差水量;V实际,t,V实际,t+1分别为第t时段初、末的实际水库蓄水量;V计算,t,V计算,t+1分别为第t时段初、末的计算水库蓄水量。

如何较为合理地将 ΔVt转化为E库,t,目前尚无统一的计算方法,常用的主要有以下几种[11-13]:

a.方法 1:按当前时段的发电耗水率计算E库,t。计算公式为

图1 时段库容差示意图

式中:μt为当前时段发电耗水率。

b.方法2:按当前时段的平均水头计算E库,t。计算公式为

式中:K为综合出力系数;Ht为当前时段平均毛水头。

c.方法 3:按水库的蓄能曲线计算E库,t。首先,建立水位与累计电能的关系曲线(蓄能曲线)Z～E蓄;然后利用Z～E蓄求解,在实际计算中根据时段初、末的水位按式(6)计算E库,t:

所以

式中:Z坝为水库坝上水位;Z尾为发电尾水位。

可见,当ΔZ→0且K,Z尾已知时,蓄能曲线在Z坝处的斜率可由相应水位下库容曲线的斜率刻画。所以,是否选用方法 3可以用库容曲线的非线性程度判别。

在制作蓄能曲线时,水位分级步长不宜过大,为了提高计算精度,考虑下游尾水位对蓄能的影响,对于下游水位变幅较大的水库,可以尾水位为参数建立蓄能曲线簇。

3 计算实例

3.1 不同方法库容差电量计算结果比较

某不完全年调节水电站,库容系数为8%,装机容量为11.5万kW·h,4—7月为所处流域的汛期,水库的库容曲线、蓄能曲线簇如图2、图 3所示。图 3中205.0m,207.5m,210.0m,212.5m,215.0m为发电尾水位。

图2 水库库容曲线

图3 水库蓄能曲线簇

在图2、图3中取线性程度较好的A段(水位区间268.5～274.5m)和线性程度较差的B段(水位区间250.0～256.0m)。在A段中取1个计算时段,在B段中取2个计算时段(时段2和时段3),分别采用方法1和方法3计算时段库容差电量,结果见表2。

表2 库容差电量计算对比

由表2可见:①当库容曲线线性程度较高时(图2中A段),利用方法1计算库容差电量与利用方法3计算的结果十分接近,时段 1两者仅相差0.03%;时段 3虽然位于库容曲线非线性程度较高的B段,但由于水位变幅较小,时段内水位变化的线性程度仍然较高,2种方法计算结果也仅差0.06%。②当库容曲线在时段内非线性程度较高,且时段初末水位变幅较大时,两者的计算结果相差比较明显,如时段2,两者相差达1.21%。③由于方法1利用的是时段平均水头,其库容差电量计算结果总是比方法3的小。

所以,可以依据库容曲线的非线性程度、时段初末水位变幅作为库容差电量计算方法的选择依据:当库容曲线的非线性程度不高或时段初末水位变幅较小时,2种方法计算结果相差不大,选择方法 1计算库容差电量相对比较容易;当库容曲线的非线性程度较高且时段初末水位变幅较大时,采用方法3计算库容差电量可以获得较高的精度。

3.2 评价指标优劣比较

在表1中选择考核指标,由于计划发电量指标主观性较强,不予考虑;计算可用水能利用率指标所需的可用来水对应的计算电量数据不易准确度量,本文亦不予考虑;水能利用提高率和发电完成率2个互补性指标只选择水能利用提高率指标,以最新核定的能量指标、水库调度图为依据,库容差电量采用方法3计算。计算结果见表3。

由表3可见:①相对水量利用率指标 η相对比水量利用率指标η更能客观地反映水量利用水平。表中汛期(4—7月)η与来水或弃水的多少成反比,由于一般情况下弃水时水库处于蓄满状态、出力为预想出力,所以 η的大小取决于来水的多少,并不能客观反映汛期水量利用程度;而 η相对反映了实际运行对计算条件的超越或背离,η相对的大小与来水的多少没有必然联系,客观上能反映实际调度水平的高低。②相对发电耗水率指标 μ相对比发电耗水率指标μ更合理。由于水库的调蓄作用,汛期与供水期初期水位较高,供水期后期水位较低,汛期还可能来水太丰产生弃水影响发电水头,水头高,发电耗水率就低,所以 μ的大小不仅取决于调度水平的高低,还隐含水库水位消涨的自然因素;而 μ相对中计算与实际的发电耗水率中都包含有水位消涨和汛期弃水等因素,其比值可以在一定程度上消除这部分的影响,从而更能准确反映水库调度的水平高低。③客观综合型指标比客观单因素型指标适应性强。一般而论,对于年调节以下水库汛期水量利用(减少弃水)是主要矛盾,非汛期水头利用(维持高水头)是主要矛盾,表 3中 ξ考核结论在汛期与η相对的考核结论一致,在非汛期与 μ相对的结论一致,ξ集合了η相对和 μ相对的优点 。

4 结 语

对现有的水电站经济调度考核指标进行归纳、分类,并进行优缺点评述分析,提出推荐评价指标,并对库容差电量计算方法进行比较,主要结论如下:①相对水量利用率和相对发电耗水率指标比其相应的绝对指标更能反映调度水平的高低。综合指标水能利用提高率具有相对水量利用率和相对发电耗水率的优点,反映因素全面、数据易于获取,可作为首选的考核指标。②水能利用提高率计算中涉及的库容差电量,当库容曲线的线性程度较高时,可以直接采用当前时段的发电耗水率计算;当库容曲线的非线性程度较高且时段初末水位变幅较大时,采用以尾水位为参数的水库蓄能曲线簇计算精度较高。

本文着重于发电效益的考核,而水库综合调度已经成为当前水库调度研究与实践的热点,如何统筹考核发电、防洪、生态等多目标调度效益的方法是值得进一步研究的问题。

表3 某水电站节能考核指标计算结果

:

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