优化银盘电站运行水头增发电量

李华穗

（重庆大唐国际武隆水电开发有限公司，重庆 408506）

0 引言

水电站运行在某一个特定水文年里，其发电量的多少主要取决于当年对水头和水量的利用程度以及电站的出力系数。当该年的入库水量（扣除弃水）一定时，水电站运行水头越高，机组的发电出力越大，电能越多，反之电能越少；当机组出力一定时，运行水头越高，发出同样电能的耗水量越少，单位耗水率越低。要获得最大的发电效益，就必须采取不同的调度决策和运行方式增加水头、降低单位耗水率，以此来增加发电量。

一般水电站在丰水期以充分利用水量、减少弃水、抢发季节性电能和提高水量利用率为主；枯水期以保证高水位运行、充分利用水头为主；对于调节性能很差的水库，在枯季才以尽量避免弃水、增加电量为主要措施，其他多以提高运行水头来争取多发电，有条件的实行上下游联合梯级调度，互相补偿调节，发挥总体经济效益。

1 乌江银盘水电站概述

乌江银盘水电站位于乌江下游河段重庆市武隆县境内，上距彭水县城约47.3km，至重庆市主城区直线距离约160km，是乌江干流水电开发规划的第十一梯级电站，上接彭水水电站，下游为白马梯级，是发电兼顾彭水水电站的反调节任务和渠化航道的枢纽工程，在电力系统中主要承担基荷和部分腰荷。该工程的开发任务以发电为主，其次为航运。水库正常蓄水位为215.00m，死水位211.50m，总库容为3.2 亿m3，调节库容0.37 亿m3，具有日调节性能。电站设计装机容量600MW，保证出力161.7MW，多年平均发电量27.08 亿kW·h，年利用小时数4513h。发电额定水头26.50m，最小水头13.00m，最大水头35.12m[1]。

2 水头与发电量的关系

高位蓄水具有重力势能与动能，这是带动水轮机转动的能源，水轮机的出力与水头的大小有直接关系。水电站按照水头的高低可分为高水头、中水头和低水头水电站。我国通常称水头大于70m 的水电站为高水头水电站，低于30m 为低水头水电站，30m～70m 为中水头水电站。中低水头的电站水头大小对电量的影响更明显。

2.1 银盘电站水头范围

银盘电站设计水轮机最大水头为35.12m，最小水头为13.00m，当发电机发出额定功率时，水轮机需要的最小工作水头即额定水头为26.50m，在规定的运行范围内，考虑出力和工作历时的水轮机水头的加权平均值即加权平均水头为29.66m。银盘电站为低水头水电站。

2.2 水头对发电量的影响

银盘水电站为河床式电站，引水发电系统水头损失包括拦污栅局部损失、喇叭口水头局部损失、两个门槽水头局部损失以及沿程损失。根据计算，水电站引水发电系统平均水头损失取0.2m。

水轮机的出力公式如公式（1）所示。

式中：N为出力；H为工作水头；Q为发电引用流量；η为水轮机效率；A为综合出力系数。

当正常运用时上下游水位运行区间为库水位211.50m～215.00m，尾水位179.8m～185m，对应的水头区间为26.5m～35.2m。在扣除电站水量损失和水头损失的情况下，电站综合出力系数采用设计值8.4[1]。水头对出力的影响见表1。通过计算得出水头对出力的影响如下：1）在发电引用流量相同的情况下提高水头，出力有所增加；2）随着发电引用流量的增大，提高水头对出力的增加作用也会增大。

表1 水头对出力的影响计算表

水头和坝上水位的关系分析见表2，发电引用流量和坝下水位关系线采用设计值。由表2 可以得出：1）同一坝上水位下的水头随着发电引用流量的增大而减少；2）为了保持相同水头，库水位随着发电引用流量的增大须相应抬高，但抬高的绝对值逐渐减少；3）银盘电站发电引用流量每增加500m3/s，随着坝下水位的上涨，增加1m 水头须抬高库水位2.04m～2.35m。

2.3 历史数据校验

该文收集了2018 年1 月1 日～2020 年2 月1 日未发生泄洪的非汛期近500 个日数据，排序并绘制日发电量和水头的关系曲线，如图1 所示。数据表明，随着日发电量的增加，水头呈下降趋势。

图1 日发电量-水头关系曲线

利用样本数据分别制作坝下水位-发电流量、水头-坝上水位、日均水头-坝下水位和日均水头-坝上水位等关系曲线。

由此修改理论分析中的表2 为表3，剔除坝上水位正常运行范围之外的数据。

表2 水头和坝上水位的关系

表3 水头和坝上水位的关系

发电引用流量每增加500m3/s，抬升水头1m 需要库水位抬高1.99m～2.24m，与前述理论分析中的结果基本吻合，即提高水头1.00m，需要上游水位抬升大约2.00m。

只抬升库水位或降低下游水位或抬升部分库水位同时降低部分下游水位均可增加水头。

3 水位的优化空间

银盘水电站是日调节电站，日调节指的是水库中的水位涨落在一昼夜内完成一个循环。银盘水电站反调节日运行方式为在电力系统日负荷低谷时段（当上游彭水水电站不发电时），发电下泄流量不小于345m3/s，满足下游航运对最小水深的要求；在电力系统日负荷高峰时段（当彭水水电站担任调峰和调频任务，释放不恒定流时）进行反调节，承担部分腰荷，即分两级增加和减少出力，以满足库区及其下游控制河段航运对水力流态要素的要求[1]。

根据银盘水电站水库调度图可知，银盘电站正常蓄水位215.00m，死水位211.50m，正常运用水位中线是213.25m。

银盘电站可研报告指出，在银盘水库正常运行期间，每天的水库水位在正常蓄水位215m 和死水位211.5m 之间变化，水位变幅只有3.5m，一般是在一天内变化，在径流调节计算中库水位按213.25m 计算[1]。

近5年枯季运行实况为月平均水位最高值214.14m，最低值212.91m，多年月平均水位213.59m，比水位中线高0.34m，5 年发电量比按水位中线控制多6664 万kW·h，平均年增发电量达1332 万kW·h。

在精细化调度下，银盘水头的优化空间主要是库水位的优化。当日均水位运行在213.25m 上时即可认为达到了优化水头运行的目标。

4 提高水头的方法

水头的增加有时通过抬升库水位实现，有时通过降低下游水位实现，有时通过两者同时作用实现。当运行时提高水头可以增加发电量，随着流量的增大，提高水头对出力的增加作用也在增大，增发电量的理论值如下：如果日间运行水头提高0.1m，日增发电量2.1 万kW·h，一年按非汛期的180天计算，可增发电量392 万kW·h。当运行水头抬高数呈几何倍数增长时，年增发电量也呈几何倍数增加。

4.1 抬升坝上水位的措施

发电进水口如果有漂浮物聚集，会增加水头损失，因此进水口拦污栅发现有堵塞，应及时进行清理。很多电站在发电进水口均设有拦污排，可以拦截河流中的漂浮物，没有拦污排或拦污排效果不佳的电站会根据发电进水口拦污栅的堵塞情况，将拦污栅提出水面进行污物清理。因为乌江漂浮物较少，银盘电站的拦污排效果较好且会定期检修维护，及时清理拦污栅和拦污排，发电进水口基本没有漂浮物导致水头损失的情况。

在正常蓄水位至死水位范围内抬高日间库水位的最高值和最低值运行。在银盘电站，即尽可能长时间保持库水位在213.25m 上运行，减少213.25m 之下的运行时间。

在实际运行中，银盘电站通过采取枯季日典型经济运行方案抬高枯季银盘运行水头、汛期泄洪优化提高发电峰期水头和拦蓄洪尾等手段来进行库水位抬升运行，优化调度以增发和抢发电量。

4.2 降低坝下水位的措施

尾水位变化对发电量的影响不容忽视，电站应加强尾水河道管理，避免尾水位抬高影响发电水头。在电站投运一段时间后，监测下游出水口和下游河道，当发生淤积时，须及时开挖疏通，减少下游河床高度对下游水位的抬升影响。有些山区小水电站为了降低坝下水位，会不定期地对下游河道进行开挖，开挖后电站预想出力有明显提高。

尾水河道整治须比较多种河道整治方案的工程投资和效益，结合实际综合考虑工程投资、发电效益、枢纽布置条件、施工难度和工程风险等因素，以此提出合理的工程措施，确定合理的河道整治范围和方式。当尾水河道整治投资大于收益时，应慎重考虑实施。

流域进行梯级开发后，下游水库水位对降低本级电站尾水位效益影响较大，特别是下游水库水位已衔接或高于本站正常发电运行尾水位的情况。银盘电站下游为白马梯级枢纽，预计2028 年蓄水运行，白马水库正常蓄水位184m，高于银盘最小通航流量345m3/s，对应的坝下水位179.88m，也高于银盘3 台机组发电时的尾水位183.66m。当银盘水库进行水头优化调度时，需要考虑白马枢纽蓄水运行后抬高蓄水位和壅水的情况，与原来自然状态相比，银盘水电站的发电尾水位会有所抬高。进行合理的梯级水库水量分配、水库群优化调度和减少上下游水库水位重叠也是提高银盘电站发电量的重要措施。

5 效果检验

该文选取2014 年1 月1 日至2022 年5 月20 日之间的日运行数据，剔除有泄洪的数据来进行排序，统计结果表明：1）随着水位的上升，出力呈增加趋势，增加的幅度较该文中表1 的理论计算值略大；2）发电引用流量每增加500m3/s，抬升水头1m 需要库水位抬高1.99m～2.24m。

6 结语

当上下游梯级水库进行日调度时，上游彭水水库先承担较大负荷，使银盘水库水位抬升，后期运行时银盘水库加大出力，消落水位至起调水位，该日运行方式具有较好的发电效益。在没有其他约束条件（例如航运和生态约束条件）的情况下，银盘保持较高库水位与彭水水库同步调峰运行，具有较好的发电效益。

在无弃水风险的情况下，综合考虑上游电站调峰运行特性，抬高银盘电站每日的最低和最高库水位运行；控制坝上水位长时间维持在213.25m，减少在213.25m 以下的运行时间，这是提高银盘电站运行水头、增发电量的有效途径。当枯季无特别情况时，日均库水位应以不低于213.25m 运行，实际运行中以不低于213.50m 为目标。