西霞院水库优化运行分析

刘耀 宋丽波 张鹏飞 陈健

摘要：西霞院水库与小浪底水库首尾相接，相互影响，经过理论计算与实际生产数据对比分析可知，在一定的下泄流量下，西霞院水库水位会对小浪底电站机组发电量产生一定影响，为保证黄河生态调度，实现发电效益最大化，提出了两库优化运行建议。

关键词：尾水位;流量;水头;出力;调峰调频;经济效益;生态调度

0 引言

小浪底、西霞院水库位于洛阳市以北40 km的黄河干流中游段。小浪底工程开发目标以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电功能，于1999年10月蓄水运用，电站安装了6台单机300 MW的混流式机组。西霞院水库为小浪底水库的反调节水库，位于小浪底水库下游16 km处，该水库是以反调节功能为主，结合发电，兼顾灌溉、供水综合利用功能，于2007年5月蓄水运用，电站安装了4台单机35 MW的轴流转浆式机组。自2009年开展小浪底、西霞院水库联合调度以来，在以水定电的前提下，小浪底主要按照河南电网指令参与调峰调频，西霞院以反调节为主，按照黄委水调指令平稳下泄流量，基本实现了水电和谐发展的目标。

近年来，在两库联合调度研究的基础上，我公司开展了两站机组优化精益运行研究，保持西霞院水库高水位运行，以提高西霞院机组发电效益，但两个电站相距16 km，西霞院水库水位过高，势必会抬高小浪底电站尾水水位，从而影响小浪底机组出力效率。针对这个问题，有必要对西霞院高水位运行对两站机组出力产生的影响开展深度的分析研究，为黄河生态调度及两站的精益运行提供更多的依据和理论支持。

1 理论分析依据

发电机功率计算公式：

P=9.81QHη

式中：Q为流过水轮机的流量;H为水轮机的工作水头;η为发电机的工作效率。

水轮机的工作水头是指水轮机进、出口断面单位重量的水流能量之差，是水轮机做功用的有效水头，也等于毛水头（水库的上下游水位差）减去引水系统的水头损失。

因此，要研究西霞院高水位运行对两站机组的影响，就需要研究西霞院库水位对两站机组工作水头的影响。

2 小浪底机组工作水头

小浪底机组工作水头计算公式：

H0=H1-H2-H3

式中：H0为机组工作水头;H1为小浪底库水位;H2为小浪底尾水位;H3为机组引水系统水头损失。

2.1    小浪底库水位（H1）计算

根据《小浪底电站初步设计报告》，小浪底水库设计采用1950—1975年的水库调节计算成果，小浪底水库历年汛期、非汛期运用水位如表1所示。

根据小浪底机组实际生产情况，在非汛期下泄流量一般较低，且出入库平衡运用，可以近似认为小浪底库水位H1=257 m。

2.2    小浪底尾水位（H2）计算

为了准确研究小浪底尾水位与西霞院库水位之间的关系，本文从中心水量调度处调阅近3年来两站水位的变化情况，选择了具有代表性的下泄流量数据进行分析。经过大量数据统计，在300 m3/s、350 m3/s、400 m3/s、500 m3/s、600 m3/s、800 m3/s下泄流量情况下，生成小浪底尾水位与西霞院库水位对应关系曲线。通过分析得出结论，在不同下泄流量下，小浪底尾水位與西霞院库水位变化趋势基本一致。同时，借助数理统计理论，本文对两者进行相关性分析。

经过计算，不同流量下西霞院库水位与小浪底尾水位对应的相关系数如表2所示。

当下泄流量较小时，小浪底尾水位与西霞院库水位之间可以认为具有高度正相关关系，即西霞院库水位对小浪底尾水位有很大影响。当下泄流量为800 m3/s时，小浪底电站共用一条尾水洞的2台机组同时运行，也会对小浪底尾水位产生影响。

假设西霞院库水位在133～134 m变化，近似认为小浪底尾水位与西霞院库水位之间为线性关系，即h1（小浪底尾水位）=h2（西霞院库水位）+△h（水位差值），经过插值计算可得出不同流量下小浪底尾水位的变化范围，水位差计算结果如表3所示。

当西霞院库水位在133～134 m变化时，300 m3/s流量下，小浪底尾水位为133.65～134.65 m;350 m3/s流量下，小浪底尾水位为133.67～134.67 m;400 m3/s流量下，小浪底尾水位为133.70～134.70 m;500 m3/s流量下，小浪底尾水位为133.78～134.78 m;600 m3/s流量下，小浪底尾水位为133.83～134.83 m;800 m3/s流量下，小浪底尾水位为134.16～135.16 m。

2.3    小浪底机组引水系统水头损失（H3）计算

水头损失计算包括局部水头损失和沿程水头损失。

沿程水头损失采用谢才-曼宁公式计算：

hf=LV2/（C2R），其中，C=R1/6/n

式中：hf为沿程水头损失;L为压力钢管长度;V为水流速度;C为谢才系数;R为水力半径;n为压力水道糙率值，钢管衬砌取0.012。

局部水头损失按下式计算：

hm=ξV2/（2g）

式中：hm为局部水头损失;ξ为局部水头损失系数;V为水流速度;g为重力加速度。

机组引水管道长度按均值373 m、过机流量按300 m3/s计算，得出小浪底机组引水系统水头损失H3=1.27 m。

综上所述，当西霞院库水位在133～134 m运行时，小浪底机组工作水头变化如表4所示。

3 小浪底机组发电量

根据小浪底机组水轮机综合特性曲线，查询出一定水头下不同出力点的效率，可以计算出机组每日理论少发电量。

结合2019年机组实际生产数据，将负荷率引入小浪底机组发电量计算中，计算出机组每日实际少发电量，结果如表5所示。

4 西霞院水库机组

非汛期，西霞院库水位在133～134 m变化，根据西霞院水库2019年下半年水情相关数据，统计出不同流量下西霞院水库机组毛水头及尾水位对应关系如表6所示。

从表6可以看出，随着下泄流量增加，西霞院水库尾水位逐渐抬升，当西霞院库水位在133～134 m变化时，西霞院机组毛水头逐渐降低。

西霞院机组工作水头为5.83～13.82 m，适当保持较高水头运行，可以提高机组的发电效率，查询机组效率曲线可知，最高效率是94.37%，对应水头为13.82 m。西霞院水库机组为轴流转桨式机组，水头过高会导致冲击力增强，影响设备使用寿命，也会使机组偏离最优工况区，从而降低机组效率。

5 结语

本文经过理论分析计算，小浪底尾水位与西霞院库水位变化趋势基本一致，在黄河下泄流量较大情况下，河道槽蓄效应叠加，西霞院水库高水位运行对小浪底机组尾水位产生一定影响，从而对小浪底机组出力效率产生影响。因此，建议非汛期黄河下泄流量大于600 m3/s时，可以在规定范围内适当降低西霞院水库水位，既增加了电网调峰需要的日调节库容，有利于充分发挥小浪底电站在电网调峰调频中的作用，又实现了黄河生态调度，优化了两站机组精益运行，提高了经济效益。

收稿日期：2020-09-04

作者简介：刘耀（1981—），男，四川苍溪人，工程师，从事水电站设备运行管理工作。