基于超声波测流的机组NHQ曲线率定

陈 鹏，唐杰阳，余 平，王 贵(雅砻江流域水电开发有限公司集控中心，成都 610051)

水轮发电机组NHQ曲线精度直接影响梯级水电站优化运行结果及水库实时水务计算。本文以雅砻江干流下游梯级水库系统为例，分析机组NHQ曲线偏差产生的原因及对梯级水库调度的影响，提出通过超声波测流获取机组NHQ曲线的方法消除机组NHQ曲线偏差，提高流域经济运行水平。

1 雅砻江流域下游梯级电站及优化运行现状

1.1 梯级水库特点

雅砻江干流卡拉至江口为流域下游河段，河道长约412 km，天然落差930 m，可开发装机容量1 470万kW，规划“两库五级”开发，自上而下依次为锦西(已投产)、锦东(已投产)、官地(已投产)、二滩(已投产)、桐子林(未投产)，各电站特征参数如表1所示。由表可知该梯级水库系统中锦西为龙头水库，具有年调节能力，二滩具有季调节能力，锦东、官地、桐子林仅具有日调节能力。此外，锦西与锦东为“一厂两站”开发方式，两水库采用“首尾连接”布局，即在靠近锦西坝址下游处建有锦东拦河闸坝，该坝拦蓄锦西出库水流形成锦东水库，库区内通过长约16.67 km的引水隧洞将干流河道“截弯取直”，获取约310 m水头供锦东机组发电。因锦西、锦东两库“首尾连接”且区间无支流入库，故区间流量可忽略不计。同时锦东引水隧洞“截弯取直”横穿锦屏山，使得雅砻江干流约150 km的锦屏大河湾成为减水河段，为降低对生态环境的影响，锦东需向减水河段泄放指定的生态流量。

1.2 梯级水库运行现状

雅砻江干流下游梯级电站采用中长期优化与短期优化相结合的运行模式[1]。中长期优化调度方案依据流域径流预测，龙头水库以弃水流量最小、蓄能最高为目标，调节性能差的水库保持高水位运行等规则制定。短期优化则以中长期优化成果为依据，结合近期水情预测，在满足电网安全、稳定运行需求及电站运行安全的前提下，以尽量减少弃水、提高水能利用率为目标制定，其制定流程如图1所示。梯级电站中锦西、锦东、官地属国调直调厂站，经其审核下发的发电计划一般情况下需严格执行，因此短期优化调度制定上报的发电计划直接决定流域经济运行水平。显然，在满足锦屏大河湾生态需求前提下锦东生态流量越低则流域经济运行水平越高，而该生态流量的精确调控与机组NHQ曲线精度直接相关。

表1 雅砻江流域下游梯级电站特征参数

图1 雅砻江流域梯级水电系统短期优化运行流程

2 机组NHQ曲线获取方法与精度分析

2.1 机组NHQ曲线获取流程

水位-库容曲线、闸门泄流曲线、机组NHQ曲线是水电站调度的三种基本曲线，机组NHQ曲线典型获取流程如图2所示。首先由水轮机制造厂商提供净水头下水轮机预期运转特性曲线，由发电机制造厂商提供预期发电机效率。然后由式(1)[2]计算引水发电系统的沿程水头损失和局部水头损失。再根据机组出力及发电机效率计算水轮机出力；结合水头损失及水轮机净水头下运转特性曲线获取毛水头下机组过机流量；进行插值计算获取全水头、全出力下机组过机流量，形成毛水头下机组NHQ曲线；最后将毛水头下机组NHQ曲线导入水调自动化系统用于梯级水库优化调度与水库水务计算。

图2 机组NHQ曲线典型获取流程

(1)

式中：hf为沿程水头损失,m；C为谢才系数；L为管道长度,m；V为水流速度,m/s；R为水力半径,m；n为壁面粗糙度；hm为局部水头损失,m；ξ为局部水头损失系数。

2.2 机组NHQ曲线偏差与梯级水库调度

由于水轮机厂商提供的净水头水轮机预期运转特性曲线及发电机厂商提供的预期发电机效率不可能与真机完全一致，引水发电系统水头损失计算不可避免地存在误差，从而导致机组毛水头下NHQ曲线存在偏差。常规梯级水库调度计算经验表明可通过区间入库平衡该曲线偏差，锦西、锦东两库“首尾连接”，区间入库为零，故无法平衡此偏差，该偏差对梯级水库经济运行带来的负面影响如下：

流域枯期无弃水时由锦西机组NHQ曲线确定的下泄流量与锦东机组NHQ曲线及库容曲线确定的入库流量不匹配，不符合两库“首尾连接”实际。目前，水调自动化系统水务计算采用置信锦东机组NHQ曲线、反算锦西发电流量的方式处理，具体计算公式为式(2)[3]：

(2)

式中：Qrd为锦东入库流量，m3/s；ΔVd为Δt内锦东水库蓄变量，m3/s；Qfd为锦东发电流量，m3/s；Qsd为锦东生态流量，m3/s；Qfx为锦西发电流量，m3/s。

由锦东机组NHQ曲线查询发电流量，结合生态流量及库容曲线通过式(2)水量平衡获取锦东入库流量和锦西发电流量。此流量与上述锦西机组NHQ曲线查询的发电流量存在偏差，对比某日锦西小时发电水量反算值与机组NHQ曲线查询值如表2所示。由表可知反算值较查询值偏大，均值偏差约7.73万m3，对应流量约为21.5 m3/s，二者存在偏差表明两站机组NHQ曲线存在偏差，无法自洽。

表2 锦西小时发电水量反算值与NHQ曲线查询值对比表 万m3

由于两站机组NHQ曲线存在偏差，从而导致短期优化调度计算中锦东生态流量预想控制值与实际运行值出现偏差，且开机台数越多偏差越明显。实际运行中考虑锦东调节库容小、装机容量大等特点，为避免锦东水库拉空，制定计划时锦东生态流量往往还需考虑一定裕度，使得生态流量运行值进一步偏大，从而降低流域经济运行水平。以日均流量偏大20 m3/s，耗水率1.3 m3/kWh计，每天锦东少发电约132.9万kWh，按上网电价0.3元/kWh计算，每天损失约39.87万元。

3 基于超声波测流的机组NHQ曲线率定

3.1 超声波测流原理及其动态特性

超声波测流具有测量范围宽、精度高且几乎不受温度、压力、黏度、密度等因素的影响，已广泛用于水轮发电机组过机流量测量[4]。常见超声测流工作原理有时差法、多普勒法等，通过不同层面的超声波探头，检测不同液体面的介质流速，进而得到流体的瞬时流量。以时差法为例，上下游两个换能器组成一对极，上游换能器发出顺流超声波，测量到达下游换能器的时间T1，下游换能器接收到上游所发超声波后发逆流超声波，测量到达上游换能器的时间T2，由时间差(T2-T1)可计算出该层平均流速。理想工况下仅用一对换能器即可准确测量流体流速，对于水轮机大管径、紊流工况，一般采用多通道进行测量[5-8]。

锦西、锦东、官地采用德尔塔多声道超声波系统，该系统由换能器、同轴射频电缆、德尔塔波主机组成，具有很高的测量精度和良好的动态特性[9]。以锦东4号机减负荷停机为例，负荷调整过程中机组功率、导叶开度、超声测流量如图3所示。由图可知，超声波测流波形与导叶开度和机组功率变化趋势基本一致，动态滞后时间及精度均满足机组NHQ曲线率定要求。

图3 锦东4号机减负荷期间机组功率、导叶开度、过机流量曲线

3.2 机组NHQ曲线率定

选取合适的毛水头间隔，对机组进行给定毛水头下的全出力负荷调整，记录出力和流量数据，形成给定水头下的机组NHQ曲线。其他水头和功率下的过机流量则通过插值获取。表3为锦东4号机313.8 m毛水头下的部分率定数据，该数据图形显示如图4所示，红色曲线为率前该水头下过机流量曲线，蓝色曲线为基于超声波测流数据率后的过机流量曲线，显然率前曲线数据较率后数据普遍偏大。偏大原因除前文分析的水轮机预期运转特性曲线偏差、引水发电系统水头损失计算值误差等因素外，考虑锦西、锦东两库“首尾相连”布局，为避免锦东水库拉空风险，故将锦东NHQ曲线按适度放大考虑，由此导致的多余流量以锦东生态流量的形式下泄。因此锦东生态流量往往偏离调控计算预想控制值且开机台数越多越明显，与实际运行规律相符。

图4 锦东4号机313.8 m毛水头下率定前后过机流量对比图

表3 锦东4号机313.8 m毛水头下率定前后过机流量偏差表

4 率定后机组NHQ曲线运用案例

以率定后的机组NHQ曲线重现了某日梯级水库实际运行情况，锦西、锦东联合运行方式及率定前后机组NHQ曲线流量查询值如表4所示。该方式下根据锦东率前流量按式(2)进行锦东水量平衡反算锦西发电流量为819.30 m3/s，与锦西率前机组NHQ查询值782.78 m3/s相差约36.52 m3/s；而采用率后流量进行锦东水量平衡反算锦西发电流量为789.27 m3/s，与率后锦西机组NHQ查询值791.35 m3/s相差2.08 m3/s，相差甚小。重现结果表明由于超声波测流精度高，能如实反应机组真实过机流量，采用率后机组NHQ数据不仅能使锦东水库流量平衡反算锦西发电流量与锦西机组NHQ曲线查询值基本一致，而且锦东生态流量控制值也与日计划制定申报计算中的预期控制值相差无几。

表4 锦西、锦东联合运行重现案例

综上所述，利用超声测流率定的机组NHQ曲线可以很好地解决两库“首尾连接”梯级水库系统水务计算流量自洽性问题以及锦东生态流量控制精度问题，可有效提高流域经济运行水平。

5 结 语

机组NHQ曲线作为梯级水库优化运行基础曲线，其精确程度直接影响优化运行效果和水库实时水务计算。常规梯级水库系统机组NHQ曲线偏差可通过区间入库流量实现流域水量平衡，但对于存在两库“首尾连接”、区间实际入库为0的梯级水库系统，机组NHQ曲线偏差不但造成水库水务计算结果不能自洽，而且也不利于生态流量的精确控制。本文以雅砻江下游梯级水库为例，采用超声波测流对机组NHQ曲线进行率定，结果表明率定后机组NHQ曲线能如实反应机组过机流量实际，可实现锦东生态流量的精确控制，提高流域经济运行水平。

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