梯级反调节电站最优运行水位控制分析

谭 君，伍 昕，钟平晖

（1.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

1 概述

凌津滩水电站地处湖南省桃源县境内，距上游五强溪水电站47.5 km，距下游桃源水电站38.2 km，坝址控制集雨面积85 800 km2，占沅水流域总面积的95.3%，多年平均流量为2 090 m3/s。厂房装机9台灯泡贯流式机组，总装机容量为9×30 MW，保证出力56.6 MW，多年年平均发电量为12.15亿kW·h，水库校核水位62.93 m，总库容6.34亿m3，正常蓄水位51.00 m，汛期限制水位50.00 m，仅具日调节能力，是一座以发电为主，兼有航运、防洪效益，并作为上游五强溪水电站的反调节电站。

2 电站运行现状

2.1 凌津滩水电站特性分析

（1）凌津滩水库可调节库容较小，上下游水位变化较快。凌津滩总库容6.34亿m3，其中50～51 m之间库容仅为0.242亿m3，从图1可以看出，凌津滩水位库容曲线较陡，当净入库流量达到300 m3/s时，库水位上升速度为0.2 m/h，当净入库流量达到600～700 m3/s时，库水位上升速度为0.1 m/h；通过查凌津滩电站的尾水位流量曲线可知，当出库流量为290 m3/s（单机满发流量）时[1]，下游尾水位38 m，出库流量为2 700 m3/s（8台机组满发流量）时，下游尾水位40.87 m，两者相差2.87 m。

图1 凌津滩水位库容曲线

（2）水头对机组耗水率、出力影响较大。凌津滩电站为灯泡贯流式机组，凌津滩水头耗水率曲线见图2，从图2可知，当水头低于8 m时，耗水率大大增加；设计水头8.5 m，最大水头13.2 m，经分析计算得知，当水头大于8.5 m时，每提高0.5 m、1 m、1.5 m、2.0 m，单位耗水率分别可降低4.7%、9.2%、13.4%、17.5%。实际运行过程中因拦污栅、拦污排等原因造成的水头损失约为0.5 m，故水头低于9.0 m时机组达不到设计出力[2]，且下游桃源水电站2014年全部投产发电后，对凌津滩尾水位产生雍高作用，经实际分析计算得知，凌津滩出库流量1 000 m3/s（尾水位为39.36 m）时，下游的桃源电站将对凌津滩电站的尾水位产生顶托作用[3]，减小了凌津滩运行水头，机组出力也将受到影响。

图2 凌津滩水头耗水率曲线

（3）腾库造成的隐性损失。凌津滩水电站从2018年开始逐步进行机组主轴轴颈裂纹处理，预计到2027年才能完成全部9台机组的主轴更换工作。机组主轴更换检修工期跨越沅水流域枯水期，凌津滩水电站仅有8台机组可调运行方式，今后几年将会成为常态。凌津滩水电站8台机满发流量约2 700 m3/s，最大出力22.7万kW，当上游五强溪水电站大方式运行且日均出库流量略小于凌津滩电站8台机最大发电引用流量时，凌津滩水电站如不采取提前腾库措施，即面临弃水，而在非汛期凌津滩若发生弃水，按规定需向湖南省调和能监办做出解释说明，此操作难度较大。故在实际调度过程中，为避免凌津滩弃水，采取低谷时段腾库的原则，最低降至死水位运行，从上节可知，水头对灯泡贯流式机组出力影响较大，选取2021年8月1日至9月25日机组出力情况进行统计分析，凌津滩单台机组水头与出力对应关系见图3。

图3 凌津滩单台机组水头与出力对应关系

从图3中分析得知：机组水头每抬高0.1 m，机组出力可增加约0.5 MW，按8台机计算，全厂总出力可增加4 MW。

因此提高凌津滩运行水位，对提高发电运行水头、降低耗水率、增加发电效益，具有十分重要的意义。

2.2 凌津滩控制水位边界条件研究

五强溪至凌津滩区间总集水面积为2 000 km2，五强溪至凌津滩水流传播时间约1.5 h，凌津滩流域的洪水系由暴雨形成，其时空变化特性与暴雨情况一致，每年4月～8月汛期，年最大洪水多发生在4月中旬～8月，以5月～7月发生次数最多，9月～10月很少出现年最大洪水，五强溪-凌津滩区间1925～2021年逐月平均流量见表1。

表1 五强溪-凌津滩区间1925～2021年逐月平均流量

从表1可以看出，凌津滩水电站月平均流量为72 m3/s，9月～次年3月平均流量为43 m3/s，因此其来水主要受上游五强溪出库影响。

五强溪水电站安装5台240 MW的混流式水轮发电机组，总装机容量1 200 MW，保证出力25.5万kW，多年年平均发电量53.7亿kW·h，水库总库容43.5亿m3，正常蓄水位108 m，相应库容30.58亿m3，死水位90 m，具备季调节性能。根据目前五强溪实际发电运行数据分析，不同库水位五强溪水电站满发流量及最大出力见表2。

表2 五强溪水电站不同库水位对应满发流量和最大出力

从表2可以看出，随着五强溪库水位升高，发电能力逐渐增加，当五强溪库水位达到101 m时，基本能达到最大发电能力。五强溪水电站发电运行服从电网的统一调度，水库调度运用服从防汛指挥机构的统一指挥，根据湖南省水利厅2022年批复的五强溪水库汛期控制运用方案：五强溪5月1日～31日按不超过102 m控制；6月1日～7月31日在不影响五强溪水库设计防洪能力正常发挥和不增加下游防洪压力的情况下，运行水位在98～102 m之间实施动态控制，且根据降雨和洪水预报情况应能及时降至98 m；8月1日以后库水位逐步蓄至108 m。结合五强溪实际调度过程，非汛期其库水位基本处于100 m以上，且在实际调度过程中，当五强溪需要大方式运行配合电网顶峰或者控制水位时，非汛期为避免凌津滩产生弃水，通常日均出库流量略小于下游凌津滩发电最大引用流量。

由表2可知，当凌津滩只有8台机组运行时，五强溪库水位在105 m以上大方式或满负荷运行且区间无强降雨过程时，凌津滩保持高水位运行即可。因此主要研究在凌津滩只有8台机组运行时，五强溪100～104 m不同库水位之间以凌津滩进行腾库调度不产生弃水的最大发电量作为边界条件，分析比较凌津滩的最优水位控制方案。经五强溪、凌津滩实际发电运行数据分析，五强溪100～104 m不同库水位之间以凌津滩进行腾库调度不产生弃水为前提的最大发电量及日发电计划曲线见图4。

图4 五强溪日发电计划曲线

3 凌津滩最优水位控制分析

3.1 理论分析

在五强溪大方式运行时，凌津滩由于可调节库容较小，当日24:00的库水位较高，因此以凌津滩库水位50.8 m作为初始值，五强溪-凌津滩区间流量为43 m3/s，枯水期五强溪一般2～3 d即可消落1 m库水位，凌津滩库水位低于50.30 m时运行水头已降至8.5 m以下，机组振摆明显加剧。

由图4、表2可知五强溪日发电计划曲线及出库流量，以此作为五强溪出库流量设置，五强溪-凌津滩区间流量43 m3/s、凌津滩初始库水位50.8 m作为边界条件，理论分析计算凌津滩只有8台机组运行时采取腾库措施和在50.3～50.9 m之间不同起调水位控制运行的3 d累计发电效益，从而分析比较得到凌津滩最优控制水位，计算结果见表3。

从表3可知，在五强溪日均出库流量处于下游凌津滩最大发电能力面临弃水的临界值时，不腾库适当提高运行水位优于腾库的发电效益；在不考虑弃水的前提下，凌津滩小流量弃水维持高水位运行较优，库水位控制在50.6 m左右发电量最大；随着起调水位增加，弃水流量加大，发电效益逐渐变小。

表3 五强溪不同水位下凌津滩最优控制水位

3.2 验证分析

选取五强溪2022年3月6日～3月14日的实际发电情况进行验证分析，五强溪实际情况见表4凌津滩对应的特征值见表5。

凌津滩实际初始库水位50.76 m且只有8台机组运行时，从表4、表5可以看出，五强溪库水位在100～104 m之间、日均发电量2 687万kW·h、日均出库流量2 536 m3/s，凌津滩实际调度过程中选择避免弃水采取低谷时段腾库措施时，发电水头势必降低，进一步导致机组出力减小、耗水率增加，从而影响发电效益；若在不考虑弃水的前提下，通过适当提高运行水位，可以增加发电水头、减少耗水率，发电效益优于提前腾库采取的低水位控制方案，且库水位控制在50.6 m凌津滩发电效益最优。由此可知，在边界条件基本相同的前提下，计算结果与理论分析计算基本一致。

综上所述，当凌津滩枯水期只有8台机组运行时，预计日平均入库流量远小于或略大于凌津滩机组最大引用流量时，保持水库高水位运行较优；当五强溪大方式运行且预计日均入库流量处于凌津滩不腾库即面临弃水时，在不考虑弃水影响的前提下，库水位控制在50.6 m小流量弃水的运行方式发电效益最优。

4 结论

通过分析凌津滩水位库容、水头出力特性得知，提高凌津滩库水位运行，一方面有利于增加发电水头、降低耗水率，提升发电效益；另一方面有利于改善机组的运行工况，增加机组安全运行的稳定性。且在近年凌津滩水电站因机组检修造成枯水期只有8台机组运行时，以上游五强溪不同库水位之间凌津滩进行腾库调度不产生弃水的最大发电量作为边界条件，分析比较凌津滩不同起调水位的发电效益，研究结果表明：在不考虑弃水影响的前提下，库水位控制在50.6 m小流量弃水的运行方式发电效益最优。