亭子口机组低负荷运行发电调度方式浅析

张建明

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 苍溪，628400)

1 工程概况

亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内，下距苍溪县城约15km，是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程，以防洪、灌溉及城乡供水、发电为主，兼顾航运，并具有拦沙减淤等功能。水库正常蓄水位458.00m，总库容40.67亿m3，预留防洪库容10.6亿m3(非常运用时为14.4亿m3)，可灌溉农田19.48万hm2。电站装机1100MW(4×275MW)，保证出力187MW～163MW，设计年平均发电量(31.75～29.51)亿kW·h(不灌溉～全灌溉)，是川东北地区规模最大的具有年调节能力的大型水电电源。

2009年11月25日亭子口水利枢纽工程正式开工，2010年1月23日大江截流，2013年6月18日下闸蓄水，8月9日首台机组72h试运行成功、正式并网发电，2014年5月1日，实现全部机组并网发电。

2 亭子口水利枢纽发电调度

2.1 发电调度任务

亭子口水利枢纽发电调度的任务是在保证亭子口水电厂安全稳定运行前提下，服从防洪调度，并协调与灌溉和供水、航运等方面的关系，利用兴利库容，承担四川电力系统调峰、调频和事故备用任务。

2.2 发电调度原则

2.2.1 发电调度方案制定应以电网和电站安全运行为前提，并努力做到经济、优质运行。

2.2.2 亭子口水利枢纽电站下游河段为通航河段，电站按电网要求日调节下泄流量的水力流态应符合河道通航要求，避免和减少电站调峰运行对航运的影响。

2.2.3 发电调度应服从防洪调度，在汛期要严格控制水库运行水位。

2.3 调度方式

2.3.1 亭子口水利枢纽电站发电调度方式根据电网调度运行，一般应尽可能维持高水位运行，使水电站发电水头较高。可能发生弃水时，要及时加大出力充分利用水能资源;当遭遇特枯水年时，应降低出力运行，减少对四川省电网的影响。

2.3.2 根据上游来水，结合亭子口水利枢纽水库特点，将水库调度图划分成加大出力区、保证出力区和降低出力区。各运行区调度方式如下:

2.3.2.1 加大出力区。在丰水期或遇丰水年份，水电站按加大出力至预想出力工作，以减少弃水，获得更多的电量。

2.3.2.2 保证出力区。水电站可按保证出力工作，向系统提供保证的容量和电量。

2.3.2.3 降低出力区。在遭遇特枯水年份时，水电站适当降低出力工作，以减轻对电力系统供电的影响。

3 亭子口水利枢纽发电运行实际和问题

3.1 下游最小需水量制约

根据亭子口水利枢纽的设计任务及所在河段下游取水设施、通航所需最小流量和下游河道所需最小生态用水的要求，2009年1月国家环境保护部“关于嘉陵江亭子口水利枢纽环境影响报告书的批复”，要求:“制定水库蓄水和运行调度环保方案，建立坝下生态流量自动监测系统，通过电站承担发电任务或生态放水等方式，下泄不小于120m3/s生态流量”。

亭子口水利枢纽坝址处多年平均流量598m3/s，最小下泄流量(120m3/s)约占全年来水的20%，因此若出现全厂停机，则必须开启闸门泄水，这将严重影响水电厂的发电效益。亭子口水电厂全厂四台发电机组，单机容量275MW，单机额定流量472m3/s，远大于最小下泄流量的要求，为解决来水偏枯却又不得不为确保生态流量而开启闸门泄水的问题，机组不可避免会出现低负荷运行的情况。

3.2 川北电网特性的制约

四川省水力资源蕴藏量丰富，四川电网电源结构以水电为主，但缺乏有较好调节性能的大型水电站，同时川东北地区电网相对薄弱，缺乏支撑的电源点。亭子口水利枢纽拥有一座装机容量达1100MW的年调节电站，是四川电网的骨干电源之一，是川东北地区规模最大的具有年调节能力的大型水电电源，可有效地缓解川东北地区电网调峰容量不足的紧张局面，承担四川电力系统调峰、调频和事故备用任务。《四川电网并网发电厂无功电压管理规定》规定，具有水库调节能力的水电厂，在蓄水发有功和不发有功时段，应根据本厂高压母线的电压情况，开机调相(滞相或进相)运行，保证本厂高压母线电压运行在电压曲线规定的范围之内。

投产发电以来，按照四川电网要求，亭子口水电厂机组夜间不能全停，须空载或低负荷运行，一定程度限制了年调节水库的调节性能，不能将有限的电能充分利用到最需要的高峰时段。

3.3 电价结构及电力市场分析

为进一步发挥价格的杠杆作用，引导用户避峰填谷使用电力资源，更好地调整用电负荷，调动发电企业枯水季节和用电高峰时段的发电积极性，提高社会经济效益，四川电网实行丰枯、峰谷分时电价。将一年分为丰水期、枯水期、平水期三个季节;将一日分为峰、平、谷三个时段，每个时段时间长度相等，均为8小时;丰枯电价、峰谷电价在基准电价基础上按一定比例上下浮动。

近年来，四川水电全面提速，呈现出全流域开发局面，造成我省发电能力过剩，而这一局面短期难以改变。为了适应四川电力发展的新格局，积极开展不同边界条件下的电量结构分配研究、制定科学合理的发电调度运行方式十分必要。

4 发电效益对比计算方法

4.1 引用资料与计算条件

4.1.1 机组出力～水头～流量关系曲线

机组出力～水头～流量曲线，是在厂家提供的预期真机效率曲线基础上，采用与机组超声波流量计实测值进行对比修正后得到的曲线。

4.1.2 计算时段电价资料

计算时段电价，采用省电力公司财务部提供的亭子口水电厂电价资料。

4.1.3 计算条件

亭子口水利枢纽电站机组额定水头73m，机组正常运行水头范围为62.65m(净水头)～85.40m(毛水头)，有效发电水头较高。发电机组带3万kW、187MW(保证出力)、275MW(单机容量)负荷运行时，尾水位上下相差均约0.5m，对水头影响较小，在出入库稳定条件下以日为时段计算时可以忽略。

4.2 发电量及发电效益计算公式

式中，Ep、Ef、Eg分别为平段、峰段、谷段时间的发电量(万kW.h);k为峰谷电量比，即峰段发电量与谷段发电量的比值;N0为保证出力(万kW);Nl为谷段时间较差工况运行时的较低出力(万kW);Tg为谷段时间较差工况运行时间(h)。按国家计委颁布的《四川省电网丰枯、峰谷电价暂行规定》中的划分，四川电网谷段时间为8h;Ji为峰段、平段、谷段上网电价(元/kW.h);Y为不同运行方式的发电效益(万元);

4.3 低负荷运行时发电水量计算

水电站水轮发电机组效率随发电水头高低和负荷大小而变化，在同一水头下，带较低负荷时，机组在小开度区运行，相对运行工况较差，发电耗水率增大，与按保证出力运行相比，同样的发电量需要消耗更多的水量。

计算公式如下:

式中，ΔW为全天按固定保证出力运行与不同峰谷电量比情况下发电水量差(万m3);W0为按保证出力运行的日发电水量(万m3);Ql、Q0分别为低负荷、保证出力运行时对应的发电流量，可通过机组NHQ曲线查取(m3/s);Tfl、Tf分别为机组在峰段低负荷和保证出力运行时的时间。

4.4 等水量情况下发电效益计算

不同运行方式所消耗的水量不同，为比较不同运行方式发电效益的高低，以全天保证出力时消耗的水量为基准。通过调整平段时间发电量的大小，以获得不同运行方式在等水量情况下发电效益的大小。

式中，Yd为与全天按固定保证出力运行所耗水量相同时，按不同峰谷电量比运行方式所获得的发电效益(万元);ΔY为不同运行方式发电效益与全天按固定保证出力运行发电效益的差值。

5 计算成果及分析

按照前面的计算方法，设定以下几种运行方式进行发电效益测算。

基准运行方式:机组全天按固定负荷187MW运行。

运行方式1:假定谷段出力30MW，平段1～2台机组保证出力，峰段根据k值按30MW、187MW两种出力进行分配，分别对k=4、3、2、1进行计算;

运行方式2:假定谷段出力40MW，平段1～2台机组保证出力，峰段根据k值按30MW、187MW两种出力进行分配，分别对k=4、3、2、1进行计算;

运行方式3:假定谷段出力50MW，平段1～2台机组保证出力，峰段根据k值按30MW、187MW两种出力进行分配，分别对k=4、3、2、1进行计算;

运行方式4:假定谷段出力60MW，平段1～2台机组保证出力，峰段根据k值按30MW、187MW两种出力进行分配，分别对k=4、3、2、1进行计算。

各种运行方式与基准运行方式相比发电效益差值见表1。

表1 不同运行方式与基准运行方式发电效益差值单位:万元

根据同样的计算方法，对枯水期机组在不同水头下的不同运行方式进行试算，得到峰、谷段低负荷运行时与全天保证出力运行产生的发电效益持平时所需达到的最低峰谷电量比值绘制曲线见1。

图1 不同水头下最低峰谷电量比曲线

根据计算结果可以得出，谷段机组运行负荷越小，发电效益越差，应尽可能在高峰安排发电;机组在谷段运行负荷一定时，随着峰谷电量比值的增大，高峰时段的电价差所获得的效益可以一定程度弥补因机组低负荷运行损失的效益;峰谷电量比值至少高于2时，高峰时段的电价差所获得的效益，才随着负荷的变化逐步与基准运行方式产生的发电效益持平。

针对机组夜间(峰、谷段)低负荷运行及峰谷分时计价的实际情况，本次以日为时段，选择枯水期时全天按保证出力(187MW)固定负荷运行为基本方案，以不同峰谷电量比为依据对日发电量进行分配，对比测算不同运行方式下的发电效益，得出因全厂全天不能全停而夜间低负荷运行对发电效益较为不利的现状下，峰段电价差获得的效益与机组在低效率工况运行损失的效益之间的平衡关系。

6 结语

目前，电力市场竞争日益激烈，电力市场新局面对发电企业提出了更高的要求，要做到关键时刻(如调峰、调频、调压等)能发电，而且要发优质电。因此，开展不同边界条件下的电量结构分配研究，制定科学合理的发电调度运行方式十分必要。理论和实践表明，科学合理地利用机组特性和电价特点进行发电优化调度所能增加的收益十分可观。随着亭子口水利枢纽工程的投产运行，还需在以后的实际调度工作不断总结，持之有效地进行探索，开展优化调度工作，充分发挥工程的综合效益。