万家寨水电站节水发电运行实践

李政伟

(黄河万家寨水利枢纽有限公司，山西 偏关 036412)

1 概 述

万家寨水利枢纽位于黄河北干流托克托至龙口峡谷河段，是黄河中游规划开发的8 个梯级中的第1级，也是山西省引黄入晋工程的龙头工程。坝址控制流域面积39.5 万km2，多年平均入库径流量248 亿m3(河口镇1952 ～1986 年实测年径流系列)，设计多年平均径流量192 亿m3。水库总库容8.96 亿m3，调节库容4.45 亿m3，水库最高蓄水位980.00m，正常蓄水位977.00m。其工程设计任务是供水结合发电调峰，同时兼有防洪、防凌功能，为不完全季调节电站(7、8 月排沙期间为日调节)。电站总装机容量为6 ×180MW，保证出力为185MW，设计多年平均发电量为27.5 亿kW·h 。电站1 ～3 号机接入蒙西电网、4 ～6 号机接入山西电网，在电网中主要起调峰、调频和事故备用作用。

2O 世纪9O 年代以来，由于黄河中上游宁蒙地区人口快速增加、工农业生产发展及气候变化，使黄河中游的来水减少，万家寨水库1998 ～2006 年平均入库径流量为120 亿m3，仅为设计值的62.5%，因此节水发电对万家寨水电站的经济效益尤其重要。如何充分利用水资源，使其发挥最大的经济效益，是一项值得探讨的课题。本文通过对万家寨水电站影响发电耗水率的因素进行分析，从节能降耗的角度提出了节水增发电的措施。

2 发电量与耗水率分析

2.1 水头影响

万家寨水库设计调度方式为:每年汛期7 月15日～10 月15 日，控制在汛限水位966m 以下运行;3 月1 日～4 月上旬，上游流冰入库，流凌开始时水位降至970m;11 月中旬以后，上游封冻流冰花入库，水库蓄水不超过975m。冰花结束后，库水位逐步提到977m;11 月至翌年4 月，水位不低于970m。但实际运行中由于汛期来水偏小，比设计水位更低，水轮机运行由于偏离额定工况(Hr=68m)较大，因而能量特性较差，表现出较高的发电耗水率。

根据天津某水电公司给出的水轮机优化运行参数(见表1)，当净水头在50m 时、发电出力为20MW时，耗水率为12.84m3/(kW·h)，当净水头为80m、发电出力为20MW 时，耗水率为7.43m3/(kW·h)，两种水头运行方式下每千瓦·时的耗水相差5.41m3，耗水率降低42%;净水头在70m、发电出力为180MW时，耗水率为5.92m3/(kW·h)，净水头在80m、发电出力为180MW 时，耗水率为5m3/(kW·h)，两种水头运行方式下每千瓦·时的耗水相差0.92m3，耗水率降低15.5%。从中可看出，机组负荷一定时，随着运行水位的升高，发电的耗水率降低。

表1 水轮机制造厂优化运行参数

2.2 机组负荷率影响

万家寨水库电站是山西、蒙西电网唯一一座大型水电站，是两网主力调峰电厂，近三年山西、蒙西电网大量风电接入，风电负荷波动大，机组调节负荷频繁，如果机组长时间处于旋转备用、连续低负荷运行，将造成发电耗水率高。从表1 看，净水头在80m，发电出力为183.7MW 时，发电耗水率为5.01m3/(kW·h)，发电出力为20MW 时，发电耗水率为7.43m3/(kW·h)，两种负荷运行方式耗水率相差2.42m3/(kW·h)，耗水率降低32.5%;净水头在70m，发电出力为133.8MW 时，发电耗水率5.8m3/(kW·h)，发电出力为204.1MW 时，发电耗水率为5.6m3/(kW·h)，都在优化运行范围内，两者耗水率也只相差0.2m3/(kW·h)，发电耗水率降低3.4%。可以看出相同水头运行时，最大负荷的耗水率是最低的(只限表1 中给出的出力范围)，并且在同一水位下，负荷率越高越节水。

2.3 机组空载运行

万家寨水库电站担任电网调峰、调频任务，电网常常发生为保证一个考核点合格而开机现象，但是开机后没有负荷，几分钟后又停机。频繁的开、停，为了并网前所进行的转速和电压调整，机组需长时间在空载运行，还有机组检修后所进行的开机试验等。机组空载运行时间长短，决定消耗水量的多少，这对枯水期大容量机组来说，影响非常明显。

2.4 水库弃水

万家寨水库来水全年极不均衡，3 月下旬～4 月上旬，水库凌汛期入库日均在1000m3/s，最大峰值在2500m3/s;8 月下旬～9 月上旬，宁蒙地区停灌，或发生区域降雨，水库入库量在1300m3/s，最大在3000m3/s。在防汛期间，水库入库流量急增，电网需求不足，水库水位超过汛限水位时，不得不开闸弃水。但是，如果在洪水到来前准确预报，科学调度，及时加大发电量，腾出库容，可以减少弃水或避免弃水。

3 节水发电措施

水库节水发电工作包括两方面内容:首先是避免无益的弃水，充分利用水资源，提高水能利用率;其次降低发电耗水率，提高水能利用率。

3.1 优化枢纽运行方式

充分挖掘枢纽运用的各种潜能，在保证防汛和调水安全前提下实现枢纽的优化运行，合理抬高水位，增加可调水量提高水电调度灵活性，同时也降低了发电耗水率，为电站多发电创造有利条件。

万家寨水库具有“8 月中旬以前防区间和上游洪水，9 月以后防上游洪水”的防洪度汛特点，且枢纽干流来水可预见期较长，而后汛期时段库区区间已无特大暴雨且枢纽泄流能力也满足要求，从防洪考虑可以适当抬高汛限水位，为此，万家寨水库管理单位组织有关单位，针对伏汛期分期汛限水位运用进行了专题研究和积极尝试，2006 年万家寨水库采取的调度方案是:“后汛期可根据实际来水来沙情况，将其汛限水位提高至974m 运用，8 月20 日前水库汛限水位按966m 控制，9 月1 日后水库汛限水位按974m 控制，8 月下旬为前、后汛期的过渡期。”2006 年汛期开始按照该控制方案实施调度，由于过渡期与后汛期水库运行水位提高，取得了显著经济效益，经测算实行分期汛限水位可以增加发电2500 万kW·h。

3.2 加强水情信息预报

万家寨水库入库径流可分为两部分:一部分是河口镇站径流，主要受上游龙羊峡、刘家峡等大型水库调节的影响;一部分是河口镇站至万家寨水利枢纽坝址区间径流，主要受区间降雨影响，河口镇径流比重约为98%。万家寨水库管理单位与黄河水利委员会、内蒙古气象台签订合作协议，做到信息共享。黄河水利委员会提供上游兰州等6 个水文站水情信息，可得到头道拐以上的干流12h ～12 天的水情预报及宁蒙灌区取水信息;内蒙古气象台为万家寨水库提供短期、中期、长期及5 天滚动天气预报，并对万家寨水库及其周边将出现的重要天气过程作专题预报，结合以中央气象台提供的48 h 天气预报和水文信息网提供的间隔1 h 的实时卫星云图，可定性地判断未来暴雨趋势。水库设有水情自动测报系统，在头道拐至万家寨区间布设有22 个雨量站、4 个支流水位站和1 个干流入库站，控制了头道拐以下干流洪水和区间暴雨洪水，配合以洪水预报调度软件系统，可得到区间暴雨洪水5 h 以上预见期。

利用水情自动化预报系统及气象、水文预报信息，在上游流量有减小趋势时，抬高库水位运行，在洪水到来之前及时将水库降低运行，腾出库容拦水，重复利用了库容，从而减少了水库弃水。

3.3 努力提高汛期负荷率

万家寨水库电站在实际运行中，常因电网调峰、事故备用、大量风电接入及电网负荷需求等因素影响，水库在弃水的情况下仍不能带满负荷发电，在实际调度工作中，提前与中调联系，及时向中调汇报水情信息，取得中调的支持，协调好水火电之间的关系，尽量在汛期适时加大出力，提高负荷率，减少水库弃水。

3.4 实行小指标考核办法，提高机组负荷率

万家寨水库管理单位成立专门的节能降耗领导小组，制定了经济生产指标考核办法、小指标考核办法，强化每个月对每班机组负荷率统计与考核，促使值长加大与水、电调协调力度，机组在电网最需要的时候随调随启，启后联系调度在高负荷运行，机组负荷较低时及时联系停机备用。改变了过去当班人员只管开机、停机，不管发电不发电的局面。实施小指标考核办法后，电站机组负荷率提高了5%。

3.5 确保机组在高效区运行

为找出机组在不同水头下高效经济运行区域，委托天津设计院对机组在不同水头、不同负荷情况下进行真机综合测试，根据科学测试和运行实践制定机组运行曲线，将机组运行区域划分为禁止运行区、过渡运行区、稳定运行区。为机组高效经济运行提供了有效直观的依据，使值班人员发现机组运行工况不好时，及时与两网调度沟通，使机组在稳定高效区运行。

3.6 加大设备治理及改造力度

为提高电站运行的可靠性和负荷调节的快速性，万家寨水库管理单位先后对影响开机及调节速度的技术供水系统、调速器系统、快速闸门控制系统、计算机监控系统等进行了10 余项技术改造，改造后机组的可靠性、快速性显著提高。电站近6 年来主设备完好率一直保持在100%，机组等效可用系数定额完成率一直保持在105%以上;年均为电网开机调峰达1500 台次，开机成功率达到99.99%。

3.7 合理安排机组发电及检修计划

根据水库中期来水预报，科学制定发电及检修计划。每年11 月中旬～12 月中旬(封河前)，上游水库加大下泄防止出现小流量封河形成冰塞，万家寨入库流量在500m3/s，日发电量在700 万kW·h，在此期间，可安排1 台机组小修;12 月下旬至翌年2 月中旬(稳定封河期)，入库流量在300m3/s，日发电量在400 万kW·h，在此期间可以安排1 台机组小修;2 月下旬～3 月下旬(凌汛开河期)，来水逐渐增大，机组全方式带基荷运行，日发电量从1000 万kW·h逐渐增至2500 万kW·h;4 ～6 月凌汛后流量逐渐减少，最低降至100m3/s 左右，机组调峰运行，在此期间可以安排1 台机大修，2 台机组小修;7 ～9 月(伏汛期)，前期可以安排1 台机小修，中后期来水较大，机组全方式运行;10 ～11 月来水在800m3/s 左右，3 ～4 台机带基荷运行，安排一台机小修。

4 结 语

万家寨水库实行节水增发电以来效果明显，尤其是2010 年，全年机组负荷率为62.01%，比2009 年同期机组负荷率54.98%提高7 个百分点以上，发电耗水率为6.43m3/(kW·h)，比2009 年同期耗水6.61m3/(kW·h)降低2.72%，相当于增发电量7800 万kW·h，在全年来水量比设计入库水量减少1.6%的情况下，全年发电量比设计平均发电量增加4.1%，并创造了万家寨电站投产以来发电量新纪录。

万家寨水电站节水发电的实践，说明节水增发电措施是成功的，为今后进一步做好节水发电有一定的指导作用。

任红俊，赵云.某水库汛限水位实施方案的研究［J］.电力学报，2008(2):49-51.