桃源水电站多机组动态控制水位下过流能力分析

张秀萍 卜福明

(1. 国电投江西公司上犹江水力发电厂,江西 赣州 341000;2. 中国水电顾问集团桃源水电开发有限公司,湖南 常德 415000)

桃源水电站为低水头河槽径流式水电站,电站的开发任务主要是发电,兼顾航运、旅游等综合利用。 电站上游距水电站38.2km,往下汇入洞庭湖。 水库控制集水面积8.67 万km2,正常蓄水位39.50m,死水位39.30m。 电站安装9 台单机容量20MW 的贯流式水轮发电机组,总装机容量180MW,水轮机有效水头2.00 ～9.70m,额定水头5.60m,单机额定流量410.97 m3/s,装机满负荷发电最大设计引用流量3699m3/s[1]。桃源水电站按设计是无调节库容的,运行时库水位应保持在39.50m。 在实际运行过程中,由于通航需求及机组安全运行水头约束,该水电站库水位在枯水期时段水位无法保证维持在正常蓄水位,电站枢纽已就当前的情况与设计单位进行沟通,对死水位重新进行了可行性分析,并通过了38.80m 死水位论证[2],使得枢纽具备一定的日调节能力。 桃源水电站枢纽下游全景见图1。

图1 桃源水电站枢纽下游全景

1 问题的提出

桃源水电站具备调节能力后,就需要考虑腾库调度的经济性问题。 径流式电站因尾水附近的水力条件比较复杂,理论设计较实际情况存在较大的不确定性及误差,设计的尾水水位流量关系基本无法满足实际需求,所以由NHQ 曲线查得的发电流量得到的尾水位与其对应的水头关系往往不能在数理上形成闭合,出库流量和水头互相制约,导致不能直观判断当前备用机组的过水能力,在根据来水情况通过增加出力进行降水位优化调度时,就无法保证最优的腾库深度,腾库过早会导致腾库太深而达不到最优出力,腾库过迟又会导致腾库深度不够而增加弃水量。 结合该水电站运行实际情况,设备的临时性消缺比较多,难免会出现来水略大于可用机组满负荷发电流量的情况,特别是主变消缺的情况,需要停3 台机组。 为保证尽量多发电量和尽可能地减少弃水,就需要提前进行腾库运行操作。 腾库的目的:一是尽可能调节来水,重复利用腾库库容增发电量,腾库的过程即是增发电量的过程;二是通过腾库适当减少水头,增大耗水率从而减少弃水量[3]。 为保障发电效益最大化,提高水量利用率,需要根据当前来水情况进行降水位调度时,就要了解当前可用机组在额定满负荷发电出力条件下的最大过流能力,以判断是否满足来水需求,从而可以为降水位调度提供目标水位参考,进而优化降水位调度过程。

2 计算模型分析

根据机组NHQ 公式计算原理,当机组出力一定时,发电流量越大水头越低;当水头一定时,出力同发电流量成正比例关系。 不考虑下游回水的顶托影响,下游水位只与出库流量有关,即下游尾水水位流量关系为单一流量关系,那么在没有库水位约束的情况下,额定出力下多机组组合的最大过水能力只与水头相关,由此就有额定出力下的水头流量关系曲线。 以该水电站为例,电站9 台水轮机组均为同一型号机组,假定各机组的机组综合出力系数一致,不考虑水头损失,当机组出力相同时,总的发电流量即为单机发电流量乘以开机台数。 不考虑库水位约束,根据其NHQ 曲线,该水电站多机组过水能力见表1。

表1 无库水位约束的额定负荷下多机组水头流量关系

在实际运用过程中,径流式电站都有最高库水位约束,意味着开机台数越多,流量越大,额定负荷对应的水头区间将变窄。 以桃源水电站为例,其正常运行水位为39.50m,9 台机均处于额定负荷运行时的水头区间就不可能达到9.70m,以此类推,可用机组越少,其处于额定负荷运行时的水头选择区间就越大。 所以需要引入库水位约束后修正的水头流量关系。

在负荷一定的情况下,NHQ 公式可以简化为流量与水头的单一关系[4],通过与尾水水位流量关系联立方程组,在正常库水位运行时,各流量所对应的水头最大,此时就可以得到额定出力下多机组发电的最小过流能力曲线。 如果电站具备日调节性能,则按最低库水位运行时,各流量所对应的水头最小,在保证满足额定水头的情况下,就可以得到额定出力下多机组发电的最大过流能力曲线,两条线所围成的区域即为额定出力下多机组发电的过流能力区间。 同理,设置不同的库水位就可得到多条不同的多机组发电过流能力曲线,即可对这个过流能力区间进行加密。

根据NHQ 公式计算原理,在额定出力情况下,单机发电流量与水头为一一对应关系,即有

式中:q发电流量,m3/s;Δh为发电水头,m。

结合尾水流量关系曲线及总发电流量与单机流量关系,联立解算的模型为

式中:Q为总发电流量,m3/s;Z上为库水位,m;Z下为坝下水位,m;n为开机台数;q为发电流量,m3/s;Δh为发电水头,m。

其中开机台数及库水位均为人工设定的已知参数。 经过模型的整理,可以得到一个关于库水位与机组台数、水头的关系式:

即根据当前可用机组的台数,可以解算出在不同库水位控制运行情况下的机组满负荷发电时的水头,满负荷发电水头确定后即可反算出坝下水位,进而推算出不同库水位控制运行情况下多机组的满负荷发电流量关系。

3 具体模型解算

对于该水电站,正常库水位为39.50m,最低库水位按38.80m 计算,则水电站库水位Z上的约束条件为大于38.80m、小于39.50m;根据该水电站水轮机特征曲线,在额定出力情况下,单机发电流量与水头关系为

式中:q为发电流量,m3/s;Δh为发电水头,m。

由于本文论述的是避免发生弃水情况下的过流能力分析,所以考虑的尾水流量关系为9 台机组最大过流流量以下的水位流量关系,根据曼宁公式,采用最小二乘法对实际运行资料进行拟合[5],得到以下关系:

式中:Z下为尾水水位,m;Q为流量,m3/s。

将式(3)和式(2)的模型进行联立,整理后即为

式中:Z上为库水位,m;n为开机台数;Δh为发电水头,m。

根据该水电站的实际运行情况,该水电站为“三机一变”设计,即3 台机组挂1 台变压器,正常情况下,检修期按最多同时有1 台机组消缺加1 台主变消缺计算,退出备用的机组最多为4 台,那么按可用机组最少开机台数为5 台机起算,库水位计算按步长0.10m 计算,死水位38.80m 为约束水位,水头按迭代计算,即可以计算出各开机台数下的水头近似解,然后由水头反算出发电流量,从而可以得到不同库水位条件下多机组的最大发电流量,具体计算结果见表2,绘制的曲线见图2。

表2 不同库水位多机组额定出力工况下过流能力

图2 不同库水位不同组合机组额定出力工况下过流能力

从图2 不仅可以看出不同组合机组在不同库水位运行控制下的最大过水流量,同时也可看出不同组合机组额定出力下受库水位约束或额定水头约束下的最大过水流量。 例如:在有9 台机组可用的情况下,不考虑水头损失,为保证最大出力效率,库水位最多消落至39.40m 左右,过流能力为3500m3/s 左右。 预期来水不大于3500m3/s 时,按出、入库平衡控制,按库水位39.40 ～39.50m 实时调整满负荷运行;预期来水大于3500m3/s 时,最大库水位消落至39.40m。 同理,在有8 台机组可用的情况下,为保证最大出力效率,预期来水不大于3100m3/s 左右时,按出、入库平衡控制,按库水位39.00 ～39.50m 实时调整满负荷运行;预期来水大于3100m3/s 时,最大库水位消落至39.00m。 根据多机组额定出力工况下的过流能力,结合来水预测情况,可以较直观地判断腾库深度,判断弃水产生的风险程度,结合“先腾库后回蓄”的优化调度要求,采用不同的降水位策略,为机组检修及消缺计划决策提供直观依据。

4 结 语

降水位调度的目的,一是尽可能调节来水,重复利用腾库库容增发电量,腾库的过程即是增发电量的过程;二是通过降低库水位可以适当减少水头,以减少弃水水量。 降水位调度必然需要考虑最低控制水位的约束,腾库过深不仅可能导致出力受限,而且可能导致在回蓄时水位调整偏大,使整个腾库调度过程得不偿失。所以,通过当前可用机组数量以及预测入库流量确定最低库水位约束,可以确定降水位的时间,以保证“先腾库后回蓄”得到最大的平衡,实现效益最大化,以达到“度电必争,提质增效”的目的。