石泉水电站增容发电量分析

洪　华

(大唐石泉水力发电厂，陕西省石泉县　725200)



石泉水电站增容发电量分析

洪华

(大唐石泉水力发电厂，陕西省石泉县725200)

摘要：石泉水电站经过40多年运行，入库径流、有效库容、径流资料序列、水库的调节能力、防洪要求及环境因素都发生了变化，电站原设计电量已不能作为评判水库效能的指标依据；加之机组老化严重，亟需增容改造，所以对其能量指标复核十分必要。对石泉水电站机组增容改造后，提高了水量利用率，增加了发电量，获取了经济效率。

关键词：石泉水电站；增容；多年平均发电量；能量复核

0前言

石泉水电站目前装机容量22.5万kW(5×4.5万kW，混流式水力发电机组)，由两期工程组成。一期工程装机容量13.5万kW(3×4.5万kW)，于1971年开工， 1975年7月全部3台机组并网运行，设计水量利用率65%，设计年发电量6.34亿kWh，1995年复核设计年发电量6.06亿kWh。二期工程装机容量9万kW(2×4.5万kW)，1998年开工，2000年11月2台机组并网运行，设计年发电量1.75亿kWh。

一期工程机组已运行40 a，机组已到使用寿命期,出现水轮机磨蚀和漏水严重、机组效率较低、发电机绝缘老化、定子铁芯严重变形以及定子绕组已出现老化等问题。上述机组存在的主要问题给机组的安全稳定运行带来严重影响，加之受到当年设计水平、设备材料和加工工艺的限制，设备缺陷较多，潜藏的安全隐患较大，危及到电站和机组的安全。鉴于上述实际存在的问题，应利用当代技术，通过重新设计和制造，将已运行40 a的老机组更换为具有当今水平的新机组，以重新建立整机的机械和电气性能，消除机组长期运行带来的安全隐患，确保机组能长期安全稳定运行，目前初步的设计结论是一期工程通过设备更换单机容量可达到5万kW。

石泉水库经过40 a运行，目前库容系数1.7%，调节能力严重降低，基本是日调节水库；二期工程投运后，多年平均发电量6.45亿kWh(2001—2013年)，与设计年发电量7.81(6.06+1.75)亿kWh相差甚远，所以复核设计发电量很有必要。

1分析方法

水电站出力N计算的基本公式：

N=9.81 ηQH

(1)

式中：Q为通过水轮机的流量，m3/s；H为水电站净水头，m；η为水电站效率，等于水轮机效率、发电机效率和机组传动效率的积；9.81η又称机组出力系数K。

水电站在不同时段的出力，因电网负荷的变化、库容情况、入库流量变化而不断变动。所以，水电站在[t1～t2]时段内的发电量E：

(2)

由于机组出力的不连续性，在实际应用中一般用式(3)(差分法)计算水电站的发电量：

(3)

式中：Np为水电站某一时段的平均出力，Np=KQpHp；Qp为该时段的平均发电流量；Hp为相应时段的平均水头。

约束条件如下：

(1) 各时段水量平衡约束

(4)

式中：Vt+1为t时段末库容；Vt为t时段初库容；Qt为t时段入库流量平均值；qt为t时段出库流量平均值，包括发电流量和弃水流量。

(2) 库容约束

(5)

式中：Vx为水库在t时段的下限约束值；Vs为水库的上限约束值。

(3) 水库泄流能力约束

水库下泄流量qt受水库泄洪建筑物最大泄流能力Gt制约，即：

(6)

(4) 出力约束

(7)

式中：Nx为水电站出力的下限值，为系统所要求的最低出力；Ns为水电站出力的上限值，为预想出力或装机容量。

(5) 水电站水头约束

(8)

式中：Hx为水电站允许最小水头；Hs为水电站允许最大水头。

(6) 还有水库调度约束和水库调度规则约束[1-2]。

2发电量复核计算

2.1水文序列

资料序列：本次多年平均设计发电量计算采用全部水文系列(1954—2013年)及代表典型年日平均径流资料分别计算。典型年至少采用丰、平、枯各两年共6 a(或更多)的资料，分别按照保证率为10%、50%、90%；20%、50%、80%选定典型年。

石泉水库建坝前坝址处设有石泉水文站，建坝后的水文资料由水电站观测和整理，水文系列为1954—2013年(缺1973—1975年流量数据资料)。石泉水库属于峡谷型河道水库，建库前后蒸发量相差不大，库盆由透水微弱的花岗岩类及变质岩类构成，周围为高山峻岭，地形闭合，分水岭高厚，库水无大的永久渗漏问题。因此，在计算年平均发电量时，不再额外扣除蒸发渗漏损失，直接采用1954—2013年长系列数据进行多年径流调节计算。具体多年平均发电量复核计算时段选择是：长系列旬平均径流调节和典型年日径流(丰、平、枯；保证率分别为10%、50%、90%；20%、50%、80%)调节2种算法进行径流调节计算。

2.2石泉水电站运行情况

石泉水电站一期工程于1975年全部3台机组并网运行，二期工程于2000年并网运行。至2013年共发电228.06亿kWh，其中一期工程单独运行(1975—2000年)时发电144.67亿kWh，平均年发电量5.55亿kWh；全部二期5台机运行(2001—2013年)时发电83.80亿kWh，平均年发电量6.45亿kWh。

石泉水库1954—1972年多年平均入库流量为343.2 m3/s，而1954—2013年(缺1973—1975年)多年平均入库流量为301.8 m3/s。显然，径流系列加长后，多年平均入库流量降低到原设计径流系列入库流量的88%，径流序列更具代表性。

2.3发电量复核计算

按以上方法，依据长系列旬平均径流调节和典型年日径流调节2种算法分别对石泉水电站原5台机组、装机容量22.5万kW和考虑增容后装机容量24万kW进行年发电量计算。成果见表1～3(出力系数依据实际运行资料分析整理后，按8.35、8.4和8.5分别计算年发电量)。

表1　　　　石泉水电站不同水文资料年平均发电量计算结果对

表2　　　　石泉水电站不同水文资料年平均发电量计算结果对

表3　　　　石泉水电站不同水文资料年平均发电量计算结果对

3复核结果分析

3.1电站实际运行指标统计分析

(1) 出力系数

径流调节电量计算的一个重要参数为电站出力系数K值，叶秉如[3]建议中型电站K一般取8.0；黄强[4]建议中型水电站(N=50～300 MW)，取K=8.0～8.5；待机组选定时，再合理分析计算，并作出修正。

1995年水利部南京水文水资源研究所在对石泉水电站能量复核时,根据资料分析出K值为8.31。

根据《石泉二期工程初步设计报告》，对石泉水电站1974—1990年运行资料中的1987—1990年4 a逐日运行资料进行统计计算，求得电厂在毛水头下的综合出力系数为8.41[5]。

根据石泉水电站提供的1976—2013年共38 a电站实际运行月平均出力、发电引用流量、水头等资料，推求电站多年平均出力系数为8.48。

本次复核综合考虑电站以往的统计资料、设计规范以及石泉水电站实际运行情况等多种因素，电量复核计算成果按电站出力系数K取值为8.4。同时为了进一步分析电站出力系数对多年平均发电量结果的影响，分别将K值取为8.35和8.5进行对比分析，成果可比性强。

(2) 水量利用率

根据长系列时历法的计算结果，统计1954—2013年多年平均电站弃水量为23.20亿m3，多年平均来水量为93.89亿m3，装机5×45 MW水量利用率为75.3%；1—3号机更换后装机容量为3×50 MW+2×45 MW时，统计1954—2013年多年平均电站弃水量为22.5亿m3，多年平均入库径流量为93.89亿m3，石泉水库的水量利用率为76.0%。

电站原设计水量利用率65%，在不断的优化调度，节水增发，实施主汛期动态控制提高水量利用率的情况下，统计1976—1998年3台机时实际水能利用率为61%；2001—2014年5台机的水量利用率74.3%。

3.2不同资料序列及不同装机容量下的结果分析

1954—1972年水文资料：根据径流系列1954—1972年水文资料，按石泉技术报告径流调节水库调度图计算，电站装机规模为5×45 MW时，年平均发电量为7.620亿kWh；电站装机规模为3×50 MW+2×45 MW时，年平均发电量为7.776亿kWh。

1954—2013年水文资料：根据径流系列1954—2013年水文资料，按汉江石泉水电站技术报告径流调节水库调度图计算，电站装机规模为5×45 MW时，年平均发电量为6.845亿kWh；电站装机规模为3×50 MW+2×45 MW时，年平均发电量为6.976亿kWh。

采用典型年日径流调节计算方法，电站装机容量为240 MW(2×45 MW+3×50 MW)时，电站年加权平均发电量约为亿6.381亿kWh。装机容量为225 MW(5×45 MW)时，年平均发电量为6.276亿kWh。见表4。

表4　丰、平、枯典型年发电量(K=8.4)表　/亿kWh

从复核结果可以看出，随着资料序列的延长，径流量呈逐年减少趋势，平均发电量随之减少；典型年计结果比长系列资料计算结果有所减少，但与电站实际运行统计结果接近。长系列采用旬流量计算，计算时段长，虽可满足要求，但均化了入库流量使弃水减少导致计算电量偏大，与其它水电站的结论基本相同[6-8]。

3.3增容改造后的电量结果分析

从3.2节的结果可以看出，采用典型年日径流调节计算方法，增容后年平均发电量与增容前相比可以增加约0.105亿kWh，采用长系列时历法计算增容后年平均发电量与增容前相比可以增加0.131亿kWh，基本接近。1～3号更换后，电站因减小机组停机漏水而增加的年平均发电量约为0.069 6亿kWh，同时消除了旧机组由于水轮机转轮叶片变形而导致效率降低可多获得电量效益为0.020 5亿kWh，水轮发电机组加权平均效率初估可增加约3.0%～3.5%左右，发电量增加值为0.1232～0.143 8亿kWh；根据石泉水电站检修和改造的原始记录，统计1976—2013年1～3号机组在汛期相应检修时段的停运电量效益约为0.027 8亿kWh。在不考虑1～3号机组存在安全隐患可能带来电量损失，仅从机组更换容量增加，效能提高方面考虑，石泉水电站1～3号更换后增加的电量效益合计为0.372 1亿kWh。

3.4存在的问题

从计算结果看，应用1954—2013年的长系列水文资料计算及典型年计算方法复核的电量指标与实际运行统计数据都较接近。典型年电量小,是水库调节能力接近实际运行状态；长系列的电量大，属旬序列调节计算，提高了水能利用率。

水量利用率与实际比较偏大。水量利用率原设计值65%，实际统计1976—1998年3台机时水能利用率61%；按2001—2014年的实际水量利用率为74.3%(不考虑水能利用提高率增大的增发情况仅为71%),实际运行中通过优化调度，节水增发，实施主汛期动态控制提高水量利用率,复核时按实际运行统计资料计算会出现水量利用率提高，综合出力系数增大。

装机年利用小时数偏大。根据石泉电站的实际运行资料统计，1975—2000年电站装机容量为135 MW，实际年利用小时数为4 110 h，而复核为4 692 h， 2001—2014年电站装机容量为225 MW，实际年平均利用小时数仅2 670 h(剔出汛限水位动态控制增发因素)，本次复核电站装机容量为225 MW，年利用小时数3 043 h，高于实际统计值。

4结论

石泉水电站机组增容改造后，水量利用率提高，平均年发电量增加5.3%，因此从提高石泉水电站的水能利用效率上看，进行机组增容改造也是十分必要的。长系列水文资料计算的多年平均发电量比较真实地反映电站发电效益情况，即水文系列愈长计算的结果愈接近真实值，推荐采用1954—2013年长系列水文资料对电站不同装机容量下的指标复核结果。经过40多年运行，电站相应的特征指标发生了变化，对石泉水电站能量指标进行复核是必要的，希望复核的结果能为指导水电站运行提供帮助，加速机组增容改造进程，以充分利用水资源，获得更大的经济效益。

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Analysis on Power Generation after Extension, Shiquan Hydropower Plant

HONG Hua

(Datang Shiquan Hydropower Plant, Shiquan County, Shaanxi725200,China)

Abstract:Through over 40-year operation, inflow runoff, effective storage capacity, runoff data series, reservoir regulating capacity, flood control requirement and environmental factors of the hydropower plant all are changed. The original design power generation cannot be applied as an indicator to evaluate the reservoir efficiency. Furthermore, the hydropower plant needs to be updated and extended with the serious aging of the plant equipment. Therefore, it is necessary to recheck the energy indicator. After the plant extension, water utilization is improved, the power generation is increased and the economic benefit is obtained.

Key words:Shiquan Hydropower Plant; capacity extension; average carryover power generation; energy recheck

中图分类号：TV74

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.017

作者简介：洪华(1975- )，女，陕西省安康市人，工程师，主要从事水资源、水能及水库调度管理工作.

收稿日期：2015-07-07

文章编号：1006—2610(2016)01—0064—04