乌溪江梯级水电站日运行方式中几个问题的处理

李允军,刘臣亮

(南京南瑞集团公司,江苏 南京 210003)

本文研究对象为浙江华电乌溪江水力发电厂。该厂为浙江省电网的主力调峰电厂之一,隶属中国华电集团公司,是乌溪江流域的梯级开发水电厂,下辖湖南镇水电站和黄坛口水电站。

通过对尾水位的控制、水头损失和日典型负荷的研究,尽可能全面考虑不同因素对乌溪江梯级电站不同时期、不同时段类型的优化调度方式的影响,提高梯级水能利用率,增加年平均发电量,使该梯级水库在不同时期能更好地发挥经济、社会效益。

1 尾水位控制

1.1 问题描述

乌溪江梯级水电站分湖南镇和黄坛口2级,湖南镇有坝后式 (新厂房5号机组)和岸坡式(老厂房1～4号机组)2个厂房(梯级关系示意图见图1)。因此电站有3个尾水断面,湖南镇新厂房尾水断面在最上游,湖南镇5号机组满负荷发电后老厂房尾水将提升0.3 m左右;对黄坛口而言,湖南镇降低尾水位势必会影响其上游水位,也降低了水头和机组运行效率。

图1 乌溪江流域电站梯级关系示意图

1.2 湖南镇尾水位控制

湖南镇老机组,满负荷发电流量45 m3/s,5号机组满负荷发电时流量为130 m3/s,老厂房尾水位将提升0.3 m。

水能与电能关系式:

式中:N为电功率;K为效率系数;H为水头;Q为发电流量。

由式(1)可知,N与H成正比,所以增大水头即可增加发电量。因此,增高水位0.3 m,则减小发电水头,降低了发电效益。

目前研究的重点是5号机组发电流量对老厂房尾水位的影响及程度。以5号机组的发电流量作为第3个因子,在计算老厂房尾水时加以考虑,率定出老厂房尾水流量曲线[1-2](见图2)。

图2 老厂房尾水位流量曲线图

计算过程中根据5号机组的发电流量在0～130 m3/s采用直线插值的方式,再根据老厂的发电流量计算老厂的尾水位,进而计算出水头。老厂尾水流量对5号机组尾水位的影响可忽略不计。

2 引水系统的水头损失

2.1 问题描述

输水系统是水电站工程的重要组成部分,尤其是对于高水头引水式电站,输水系统的水头损失计算显得更加重要。水头损失分为沿程水头损失和局部水头损失,对每个部分进行精确的水头损失计算,为整个输水系统设计和机电设计提供准确的依据。

在机组满负荷发电时湖南镇新、老机组的流量分别为130,45m3/s左右,黄坛口新、老机组的流量分别为100,35 m3/s左右,上游水位变化时稍有波动。

不同开机台数情况下,发电流量和水头损失的关系见表1。

表1 发电流量和水头损失关系表

在不同台数的机组组合下水头损失的差别较大,在优化调度时需加以考虑。

2.2 解决方法

对于日发电计划运行方式的计算有出力计算和出库流量计算2种,在计算过程中计算机组台数和发电流量后,根据文献[3]计算水头损失,具体做法如下:

2.2.1 出力计算方式

该方式为已知水库入库流量、期初水位和出力过程等,计算出库流量及水位过程,针对某计算时段,其计算步骤如下:

Step1:计算时段初库容,并假设时段平均出库流量;

Step2:根据水量平衡方程求出对应的上游时段末水位;

Step3:计算上游时段平均水位 (时段初、末水位均值)、尾水位和水头损失,进而求得时段净水头;

Step4:根据时段可用机组总台数计算电站总预想出力,若给定出力大于总预想出力,则修改为总预想出力;

Step5:根据时段平均出力按当前运行机组容量等比分配方式进行机组出力分配,当机组出力大于预想出力或额定容量时,就按机组加载优先顺序加载机组重新计算;当机组出力小于预想出力的70%时,则按机组停机优先顺序停机重新计算;

Step6:按Step5确定的开机台数、类型、各机组出力和水头,查对应机组的NHQ曲线累加得时段平均发电流量;

Step7:根据累加的时段平均发电流量和开机台数,按照给定的公式计算水头损失,返回Step3,直至满足计算机组台数和上次计算的机组台数相同;

Step8:以发电流量作为出库流量,若计算出库流量与假设出库流量的误差绝对值不满足精度要求,则重新假设出库流量,返回Step2,直至满足精度要求;

Step9:根据水量平衡方程求得时段末库容、时段末水位。

2.2.2 出库流量计算方式

该方式为已知水库入库流量、期初水位和出库流量过程等,计算出力过程及水位过程,针对某计算时段,其计算步骤如下:

Step1:计算时段初库容;

Step2:根据水量平衡方程计算时段末库容,进而求得上游时段末水位;

Step3:计算上游时段平均水位 (时段初、末水位均值)、尾水位和水头损失,进而求得时段净水头;

Step4:计算电站各可用机组预想出力,并求出相应的满发流量,累计得电站最大发电流量,若出库流量超过电站最大发电流量,则按最大发电流量控制,多余部分调整为弃水流量;

Step5:根据时段平均发电流量,按当前运行机组满发流量 (当前水头下的额定流量)等比分配方式进行机组发电流量分配,当机组发电流量大于满发流量时,就按机组加载优先顺序加载机组重新分配;

Step6:根据水头和以上分配的各机组发电流量,查各机组的NHQ曲线得各机组出力;

Step7:当机组出力小于预想出力的70%时,则按机组停机优先顺序减少机组台数,返回Step5重新计算,否则转入Step8;

Step8:根据机组台数和总发电流量,计算水头损失,返回Step3,直至前后2次计算的机组台数相同;

Step9:累加各机组出力得该时段电站平均出力。

在优化调度计算过程中,无论采用哪种计算模式,涉及到出力计算和出库流量计算的,均可采用这2种方式计算引水系统的水头损失。

3 日典型负荷的过程约束

3.1 问题描述

水电站在电力系统中除发挥电源端的供电作用外,由于其机组启闭灵活、并网时间短等特点,作为浙江电网的主力调峰电厂,在汛期来水偏多时,湖南镇和黄坛口机组承担基荷或腰荷以防弃水,其余时间在电网的调峰、调频、负荷备用中发挥了重要作用。因此,在考虑制定电网水电站群的日计划运行方式时,不能简单考虑使发电量最大,必须在保证电力系统安全的前提下使发电效益最大化。湖南镇、黄坛口电站日计划运行方式涉及面广,从厂内经济运行、中长期运行指导、电力电量平衡算法、优化模型及算法等,到水力联系、电网过网能力等约束,是一个多目标、多维的求解过程,因此,概化系统,建立适当的计算模型,寻求快捷、合理的计算方法,成为解决水电站群短期优化调度的关键。

湖南镇、黄坛口之间复杂水力联系和电力联系,日计划运行方式的解算是多约束、多维的非线性问题,应从水电站运行的特点和实用的角度出发,探讨水电站群基于电网日典型负荷的日计划方式的制定方法。

3.2 日典型负荷

电网日典型负荷反映了电网中用户的用电需求规律,在不同的时期具有不同的特性,同时指出了发电厂必须满足的供电要求,日典型负荷反映了电网负荷的峰谷情况和电力价值,即在高峰时段比低谷时段具有更高的电价。图3为浙江电网夏季典型负荷示意图。

图3 浙江电网夏季日典型负荷示意图

因此,水电应在满足电力系统安全运行约束的前提下,积极发挥机组的灵活性,参与调峰,使余留给火电的负荷更加平坦,在有利于火电机组平稳运行的同时获得更好的效益。

在水电站群日优化运行方式中,期望在满足系统安全运行约束和给定可用水量的前提下,寻求水电站群调峰电量最大、发电量尽可能多的目标,分为汛期和非汛期,分别对发电量最大和调峰电量最大进行求解[4-5]。

4 结 语

当入库来水较多时,模型将发挥水量利用优先原则多发电,明显减少总弃水量;当入库来水较少时,较好地利用水库的调节库容和可用水量,在满足给定的约束条件下,尽可能安排电站在峰负荷时段运行;梯级电站间发挥库容补偿调节作用,可显著提高整个梯级电站的发电量和调峰电量。由于现实系统的复杂性,需尽可能多地了解潜在影响运行方式的情况,如尾水位和水头损失等,可能引起计算结果比实际结果偏大,在制定计划时需尽可能地考虑。

日计划方式与系统的特性密切相关,由于受水库特性、电力输送能力、电网负荷需求、用户操作习惯等约束,其制定的方法和流程可能不尽相同。基于日典型负荷,从以水定电的角度考虑电站调峰问题,来制定库群日运行方式,结果能够满足汛期发电量最大和非汛期调峰电量最大等要求。由于日计划运行方式涉及的因素较多,其基于静态信息和约束条件制定出来的结果与实际存在一定的差距,需要在实际运用中不断调整和完善。

[1]唐建设.对降低双牌水电站尾水位增加发电量的探讨[J].湖南电力技术,1989(4):34-38.

[2]肇磊.降低尾水位提高发电效益 [J].农业与技术,2007,27(5):107-109.

[3]张忠辉.斐济南德瑞瓦图水电站工程输水系统水头损失计算探讨 [J].水利水电工程没计,2010,29(3):45-52.

[4]黄春雷.基于日典型负荷的水电站群日计划方式[J].水电自动化与大坝监测,2005,29(4):45-47.

[5]成涛.湖南电网几种典型负荷曲线的初步分析 [J].湖南电力,2000(4):20-24.