尼尔基水库尾水段清淤发电效益研究
2018-10-24王飞宇胡宝军
刘 涛，王飞宇，胡宝军
（嫩江尼尔基水利水电有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔161005）
1 概述
2013年，尼尔基水库遭遇超过50年一遇特大洪水的袭击，为承担水库的防洪任务，保障上下游的防洪安全，水库共开启溢洪道下泄洪水30 d，水流冲刷了下游河床并使部分泥沙向水电站尾水段淤积，加上尾水段残留的一处混凝土围堰，造成机组发电运行时水流受阻而壅水，发电水头减小，水电站发电效益因此受损。
为了改善下游河道的过流条件，增加机组发电水头，降低耗水率，提高电站发电效益，2014年10月，公司针对残留混凝土围堰以及泥沙淤积的尾水段开展了有关清淤处理工作。
本文从清淤前后发电水头和机组耗水率的变化趋势入手，开展有关的数据分析研究工作，计算出清淤前后水电站年发电量的变化值，进而从定量角度确定清淤工作对发电效益的影响情况。
此次清淤主要完成了坝下残留混凝土围堰和淤积泥沙的清除工作。混凝土围堰建在坝下约200 m处，位于河道右侧，长度约占河道宽度的一半，堰顶高程约181.30 m，拆除后围堰处底板高程179.00 m。
2 研究资料选取
2.1 选取原则
对比清淤前后机组发电耗水率的变化情况，分析研究清淤对机组发电耗水率的影响程度。在具体资料选择过程中，应遵循以下原则：
1）因开启溢洪道造成的尾水段泥沙淤积发生在2013年特大洪水后，故此次研究所选取清淤前后资料都应为2013年以后的数据。
2）为排除封冻对上下游水位的影响，不应选取11月至次年4月的水情数据资料。
2.2 资料选取结果
根据以上原则，选取清淤前后的相关资料进行对比分析，确定清淤后的数据采用2015年5月1日至2017年9月21日（不含11月至翌年3月）的水情数据，共计308 076条；清淤前采用2014年5月1日至9月11日的水情数据，共计147 413条。
3 研究方法
机组耗水率是反映水电站发电效益情况的重要指标，为研究水电站发电效益的增减，可以从机组耗水率入手。水电站机组耗水率公式：
式中：μ——机组耗水率；E——发电量；W——发电用水量；η——机组综合系数；η——发电水头；Q——发电流量；T——发电时长。
在实际水务计算中机组综合系数采用定值（8.0），因此，从公式（1）可以看出，机组耗水率的变化只与发电水头变化有关。
经分析，发电水头主要受坝上水位、电站出力和清淤工作等因素的影响，因此，在分析清淤工作前后发电水头的变化情况时，首先应使清淤前后上述前两个因素（即坝上水位和电站出力）一致，然后计算电站水头的变化情况，从而判断出清淤工作对发电水头的影响情况，在此基础上进一步推算出清淤对耗水率和发电效益的影响情况。
4 研究步骤
1）从数据库中提取清淤前后2个研究时段的各单机出力及坝上坝下水位瞬时值；
2）由于机组出力等数据采集时段过短或过长，致使数据时间节点不一致和不连续，故应对提取的2个研究时段各项数据资料进行插值处理；
3）先按全厂出力一致的原则，筛选出2个对比时段中满足条件的数据，再在筛选出的数据中按坝上水位相同的原则，查找出符合要求的样本；
4）对比分析清淤前后样本坝下水位的变化规律，计算出水头增加或减少的数值，进而推出耗水率的变化趋势。
5 耗水率对比分析研究
5.1 数据准备
1）数据处理
在耗水率的数据筛选、分析、研究过程中，按照研究方法和步骤，对样本数据进行处理：清淤后数据自2015年5月1日0时4分开始，清淤前数据自2014年5月1日0时4分开始，每间隔1 min进行处理，没有资料的进行插值处理，以保证数据在时间节点上的一致性。
2）坝上水位、电站出力一致的假定
为了研究清淤对耗水率的影响，即清淤对发电水头的影响，在实际分析过程中，应保持清淤前后坝上水位和电站出力2个要素一致。
坝上水位方面，水位相差2 cm，约占平均水头22 m的0.09%，据此将坝上水位相差2 cm以内假定为坝上水位一致；而在电站出力方面，机组发电时全厂出力一般控制在120 MW（单机出力约30 MW）和240 MW（单机出力约60 MW）两级，由于全厂出力120 MW的样本较少，历史数据不能较准确反映水电站该工况运行时的水头变化情况，因此，出力只考虑全厂出力240 MW左右的运行工况，在分析研究过程中，将电站出力相差0.2 MW（占全厂出力0.08%）以内假定为电站出力一致。
此外，如果遇到坝下水位波动较大、不稳定时，对应数据应予舍弃。
5.2 变化统计
根据分析研究方法和研究步骤，将水情数据按表1所示边界条件进行划分和筛选，统计发电水头及耗水率的变化情况。
表1 耗水率研究边界条件划分表
表2 各运行工况下发电水头及耗水率变化统计表
5.3 变化分析
利用筛选出的数据，计算整理出清淤前后不同运行工况下发电水头和耗水率的变化情况，具体统计结果见表2。
从表2可以看出，清淤以后机组发电水头较清淤前增加约0.29 m，表明原残留混凝土围堰和泥沙淤积对机组尾水段的壅水作用明显，清淤有效改善了尾水段的过流条件，提高了电站发电效益。
在机组耗水率方面，清淤后的耗水率较清淤前降低约1.08%，尼尔基水库多年平均发电量为6.387亿kW·h，则清淤后年发电量增加约695万kW·h，每年可以为公司带来约269万元的额外经济收入。
由于清淤前后资料的欠缺，此次分析结论只基于坝上水位在209.88 m至211.90 m之间和机组满负荷运行的情况，未能涵盖所有运行工况。要更准确地分析研究发电效益的变化情况，应在发电调度过程中按各种出力组合控制运行（调度运行时不易实现），收集相关资料，据此进行更加精细化的分析对比，从而得出更为可靠的结论。
