水电站短期经济运行技术研究

2015-02-01易瑞吉

四川水力发电 2015年3期

关键词：经济运行水电站研究

易瑞吉

(国电科学技术研究院，四川成都　610000)

水电站短期经济运行技术研究

易瑞吉

(国电科学技术研究院，四川成都610000)

摘要：通过对水电站运行环境进行分析，建立了水电站经济运行模型，确定了约束条件，明确了水电站进行经济运行所必备的条件，在不降低水库防洪安全的前提下，增加了水电站的发电效益，并通过具体的实例分析，证明了水电站经济运行的可行性。

关键词：水电站；经济运行；研究

水电站经济运行是从电力系统安全、优质、经济发供电的目标出发，制定出水电站的最优运行方式，以一定的水电能源获取水电站最大的发电量。2008 年金融危机以来，世界经济深度调整，我国也在加快转变经济发展的方式。宏观经济产业结构调整以及环保方面的压力必然会导致电力市场结构做出相应的调整，向清洁、高效、安全、可持续的方向发展。因此，充分发挥水电清洁、可再生能源的属性，最大限度地利用水能资源、发挥水电效益，实现节能减排、能源资源可持续利用具有重大意义。

水电站运行过程中受外部环境因素制约较大，入库径流、水库综合利用、自身管理水平以及电力系统调度等均影响水电站最优效益的发挥。[1]在实际运行中，水电站的运行策略较为保守，指导思想为严防各种小概率事件，以不变应万变，但是，在确保安全的同时，势必会造成不必要的弃水，客观上浪费了水电站投资。如何在兼顾安全的前提下，以科学的方法指导水电站运行，开展水电站优化调度工作，充分挖掘水库的潜力、提高水电站水库的运行管理水平，对增加水电站的收入，实现“工程水利”向“资源水利”转变具有重要的现实意义。

1水电站经济运行模型[2]

1.1经济运行目标

在现有考核体系下，水电站在社会公益方面的效益往往因为难以计量而被忽略，评价水电站的收益主要取决于发电收益，即发电量最大。考虑在一定周期范围内水电站调度目标函数E为：

maxE=∫lN(t)dt

(1)

N(t)=KQ(t)H(t)

(2)

式中N(t) 为水电站第t时段的出力；K为第t时段的出力系数；Q(t)为第t时段的发电流量；H(t)为第t时段的平均发电水头；l为水电站单场次洪水预见期。

由式(1)、(2)可以得出：短期调度过程中，电站的发电量取决于时段平均水头的大小和预见期的长短。水头越高、预见期越长，则时段发电量越大。同时，水头的抬高也与预见期相关，预见期越长，则可利用的水量就越大，相应的水库运行水位就越高。由此可见，水电站短期运行目标的实现关键在于预见期的提高。

1.2边界控制条件

水电站在运行过程中还应兼顾各方面的效益因素，不能够一味的追求发电效益而盲目抬高运行水位，否则将带来严重的防汛危险以及淤积问题。因此，为了更好地指导水库运行、规避运行风险，水电站在制定运行规则时均取外包线，即各种不利情况相遇时。此种方式利于操作，但也牺牲了一部分发电收益。

①水量平衡约束。

V(t)=V(t-1)+(Qin(t)-Qout(t)

-EP(t) )Δt

(3)

式中V(t)表示水库第t时段初库容；Qin(t)表示第t时段水库入库流量；Qout(t)表示第t时段水库平均出库流量；EP(t) 表示t时段水库蒸发、渗漏损失。

②水库水位约束。

ZL(t)≤Z(t)≤ZU(t)

(4)

ZU(t)= Z限+f((Qout(t)-Qin(t) )l)

(5)

式中ZL(t)为水库第t时段允许的最小蓄水位，原则上取原设计汛限水位。若考虑泥沙调度以及预泄腾空库容，则其低于原设计汛限水位；ZU(t)为水库允许的最大蓄水位，取允许汛限水位的上限；Z限为该时段内水库的限制运行水位；f(v)为水位库容曲线。

③下泄流量限制。

QL(t)≤Qout(t)≤QU(t)

(6)

式中QL(t))为第t时段下泄流量，由下游生态、灌溉、供水或航运要求决定；QU(t)为下泄流量上限，受下游区间来水、防洪控制断面行洪要求以及水库泄流方式影响。

④电站出力限制。

PL(t)≤N(t)≤PU(t)

(7)

式中N(t)为第t时段出力；PL(t)为电站第t时段出力下限；PU(t)为水电站第t时段出力上限，由机组额定出力、振动区及系统调度要求等确定。

上述优化过程属于一个多维优化决策过程，可以通过计算取得最优解。

2水电站经济运行的必要条件

2.1水库应具有一定的调节能力

水电站经济运行的关键在于运行水头H的抬高和发电水量的增加，因此，水库必须具备一定的调节库容，用以洪水入库前抬高运行水位以及洪峰过后容纳尾洪资源，以达到增发电量的目的。换言之，水库调节能力越强，则经济运行空间越大，反之则没有经济运行的可能。[3]

2.2水库应建有完善的水情测报系统

流域内从降雨落地到形成径流入库需要一定的时间，水电站可以通过建设功能完善的水情测报系统，第一时间获取流域内的水雨情信息，然后开展洪水预报作业，可以有效计算出入库洪水等级，依据即将入库的洪水等级选择相应的运行策略。在洪峰过后，依据上游降雨信息适时关闸拦蓄尾洪，达到洪水资源化的目的。遥测站点的布设应覆盖控制流域重要暴雨区以及下游防洪控制区，主要支流控制断面应设有水位控制站，同时，多泥沙河流应设有出入库泥沙监测设施。

2.3水工建筑物应处于健康状态

水电站水工建筑物的健康水平是经济运行的前提。抬高运行水头的同时，意味着改变了水工建筑物的设计运行状态。电站应加强枢纽建筑物的安全监测工作，确保工程质量良好，避免其带病运行，尤其是泄洪系统，应确保其100%处于健康状态。必要时还应论证高水头运行条件下枢纽区边坡稳定情况、泄洪设施消能情况以及大坝稳定状态等相关影响安全的因素。

2.4行洪管理体系

水电站短期经济运行期间，必然改变原有控泄方式，电站的下泄方式将由固定下泄改为凑泄或错峰下泄，因此，应对下游河道的行洪能力进行充分论证，联合地方防汛部门，针对下游重点防汛目标加强泄洪预警系统建设，防止人造洪水造成破坏的情形发生。

2.5决策指挥体系

大中型水库为了防洪安全，设计标准一般较高，在实际运行过程中不是每次都能够遭遇小概率洪水事件，故如何准确的预报洪水等级，研判水库运行风险，选择相应的策略成为水库经济运行的关键，因此，非工程措施与工程措施具有同等重要的作用。电站应具备完善的组织机构、合理的应急预案、熟练的专业人员及畅通的通讯体系等。在一次洪水的优化调度过程中，时间就是效益，决策时间的长短直接关系到电站效益，即整个指挥体系从水雨情研判、洪水预报作业、制定洪水调度方案、下达泄洪指令直至选择关闸拦蓄时机等应准确及时。

3工程实例

某水电站是一座以灌溉和供水为主，兼有防洪、发电、环境保护和旅游等综合效益的一等大(I)型水利工程，下游有大型灌区和大型城市。水库正常蓄水位高程877 m，死水位高程817 m，汛限水位高程850 m，总库容11.12亿m3，正常水位库容为9.98亿 m3，具有不完全年调节功能。该水电站原有运行方式采用固定汛限水位方式，即不考虑上游水雨情变化情况，汛期保持水位在汛限水位，当洪水入库时，依据坝前水位作为水库调度的惟一依据，在洪峰过坝后，将库水位迅速恢复至汛限水位。实际运行过程中，该水库往往是洪水入库前期弃水较多，平水期无水可用，既未能有效发挥水库的防洪作用，同时还造成了汛末蓄满困难。为解决防汛与发电的矛盾，通过采取经济运行方式，适时抬高运行水位，取得了良好的经济效益。