以最优耗水量为目标的径流式水电站厂内负荷优化

冯亮 李好敏

四川凉山水洛河电力开发有限公司 四川成都 610000

水电站在同样的水头下，导叶开度不同耗水率也不完全相同，当负荷一定的时候，控制最优开机台数，合理分配机组负荷，保持机组运行在高效率区，以达到较为经济、优化的运行结果[1]。

1 优化过程设计

1.1 确定机组启停顺序

同型号、同容量的水轮发电机组，因工厂制造环境工况不会完全相同、现场人员安装调试存在差异、引水管布置结构位置不同或运行时间的长短不同，其效率也不尽相同，尤其是大型机组效率相差很小的数值，就会引起较大的经济效益差。如单机10万kW的水轮发电机，效率提高1%，按年运行4000h计算，则每年就可多发电400万kW.h。因此首先研究厂内工作机组的最优台数、组合及启停次序。固滴电站枯水期来水最低负荷约17MW，故耗水量从最低负荷17MW开始统计。

（1）利用机组超声波流量仪测定各机组在不同负荷发电流量如下表1：

表1 各机组在不同负荷发电流量（单位：MW、m³/s）：

（2）根据各机组在不同负荷发电流量计算耗水率如表2。

表2 各机组在不同负荷发电流量计算耗水率（单位：m³/KWS）

（3）各机组在不同负荷发电流量计算耗水率折线图如图1。

图1 各机组在不同负荷发电流量计算耗水率

根据耗水量折线图可以得出：①固滴电站#2发电机耗水率整体较#1、#3发电机低，单机运行应优先开启#2发电机；②在17～28MW负荷段，固滴电站#3发电机耗水率较#1发电机低，46～64MW负荷段应优先开启#1，#2发电机，且尽量让两台机组在28～38MW负荷段运行，降低耗水率；③在28～38MW负荷段，固滴电站#1、#3发电机耗水率相差不大，此段#1、#3发电机可以根据需要开启或停运；④在38～46MW负荷段，固滴电站#1发电机耗水率较#3发电机低，84～92MW负荷段应优先开启#2，#3发电机。

1.2 确定机组间负荷分配

针对水电站厂内负荷优化分配问题，其主要任务是:机组间负荷的最优分配，厂内最优运行方式的制定和实施等。其优化准则可表达为在电站总负荷一定的前提下，并根据该出力值合理确定在各机组间的最优分配，以使电站总流量最小，寻求水电站总负荷为N时的最优总发电流量[2]。

1.2.1 建立数学模型

本项目主要研究空间最优，不考虑机组启停所造成的附加损失。以水洛河固滴电站为例，对某时段，当给定总负荷为N时，建立厂内负荷优化分配数学模型。

其目标函数为：

式中，M为电站工作机组的总台数；i为电站机组编号；Ni、Hi、Qi分别为第i台机组所分配的负荷（MW）、净水头（m）及发电引用流量（m3/s）。

其约束条件有：

式中，N为电站的总负荷（MW）。

1.2.2 确定求解算法

针对水电站厂内经济运行模型的求解，常用的方法有等微增率法、动态规划法、逐步优化法以及各种智能优化算法。

一般情况下，水电站机组的布置并非简单独立的并列形式，而是联合供水或分组供水，各个机组之间的关系不是相互独立的。引水管道单独连接一台机组时，这种单元供水情况可采用动态规划方法计算求得优化结果，但针对水洛河固滴电站特性，水流通过分叉管输入多台机组，这种联合供水情况下通过每台机组的流量不仅与其本身的出力值有关，还与其他机组负荷变化情况有关[3]，采用单纯的动态规划方法无法直接求得优化结果，故该项目采用双层逐步优化算法求解。该算法的主要思想是将模型分层，上层模型以引水管道（即工作单元）k为阶段变量，状态变量为单元发电机组所承担的总负荷N，决策变量为工作单元的引用流量；下层模型以机组i为阶段变量，状态变量为机组所承担的负荷Ni，决策变量为机组的引用流量，每层模型采用逐步优化算法进行负荷优化分配，得到厂内经济运行的总体最优解[4]。

1.2.3 求解数学模型

水洛河各站厂内负荷优化分配是在水洛河梯级电站联合优化发电调度的基础上实现的，分配至电站的总负荷N已知，故总体模型的求解可视为求解下层模型，将厂内总负荷平均分配到该电站的每个机组，作为下层模型的初始方案，将某个工作单元中的多台机组寻求流量最小的负荷优化分配问题转换成二台机组的子问题，通过逐步优化算法进行迭代计算，直至下层模型二次迭代结果满足收敛精度为止。

计算出固滴电站厂内负荷优化分配结果，使得给定总负荷在厂内并列运行的发电机之间取得经济合理的分配。选取10个负荷段运行资料，其优化分配结果如表3。

表3 固滴电站厂内负荷优化分配结果

2 实施效果

根据既定优化准则，在电站出力、机组出力和发电流量等约束和边界条件下，计算出固滴电站以最优耗水量为目标的径流式水电站厂内负荷优化结果，使得给定负荷在各并列运行的发电机之间取得经济合理的分配。同时，通过对固滴电站厂内负荷优化分配前后的耗水量科学计算与对比分析，确定了固滴电站厂内负荷优化分配的主攻方向是在少开机组的前提下均分负荷[5]。

将优化成果与固滴电站2019年枯平期实际运行情况相比，此优化分配成果的运用降低耗水率0.76%，发电量增加106万千瓦时。水电站负荷如何取得经济合理的分配，是一个能有效降低水电站耗水率、提高经济效益的途径。此优化分配的研究成果，在实际生产中有效指导生产优化调度，也进一步助力电站精益化管理。如表4所示：

表4 固滴电站厂内负荷优化分配效益计算

3 结语

厂内负荷优化分配从最优耗水量为目标出发，追求厂内负荷分配最优，在实际应用中提高了电站的水量利用率，充分实现了对水洛河固滴电站水能资源的高效利用，通过优化分配径流式水电站厂内负荷，可以达到降低耗水率，增加发电量的目的。当枯平期流域来水不足满发时，在保证安全运行的前提下，采用此流域站厂内负荷的经济分配，使水洛河流域梯级电站在梯级电站间优化发电调度的基础上，实现各站厂内负荷优化分配，达到经济运行的目的。在一定程度上减少了火电等一次性能源的发电量和电力生产对一次性能源的消耗，缓解了日益紧张的能源压力。