密云水库调蓄工程多级泵站峰谷运行情况研究

王鑫鑫 郝鸿晨 褚霄杨

(北京市南水北调团城湖管理处，北京 100195)

2021年7月，国家发展改革委印发《关于进一步完善分时电价机制的通知》，部署各地进一步完善分时电价机制，服务以新能源为主体的新型电力系统建设，促进能源绿色低碳发展。此前发布的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标的建议》中已明确了力争在2030年实现“碳达峰”，2060年实现“碳中和”的目标。“十四五”是我国碳达峰的窗口期和关键期，电力调水泵站如何实现削峰填谷、改善电能使用状况、促进新能源消纳，瞄准“碳达峰、碳中和”目标，实现降本增效，保障电力输水泵站安全稳定经济运行成为需要研究一个新课题。

1 工程概况

1.1 泵站工程

密云水库调蓄工程是南水北调中线北京市内配套工程之一，总长103km。南水北调来水从团城湖“出发”，加压输送至密云水库，增加密云水库蓄水量，提高北京市水资源战略储备和城市供水率。南来之水通过京密引水渠上的9级提升泵站“爬高”133m，再流入密云水库。团城湖—怀柔水库段设计输水流量为20m3/s，中途从李史山泵站通过小中河向密怀顺水源地补水，补水设计流量为10m3/s；怀柔水库—密云水库段输水流量为10m3/s。

1.2 渠道工程

密云水库调蓄工程9级泵站中，1～6级、7～8级泵站利用京密引水渠进行反向输水，8～9级泵站使用PCCP管道输水，9站至密云水库采用钢管和输水隧洞进行输水。京密引水渠道全长110km，横贯密云、怀柔、顺义、昌平、海淀5区。渠首从密云水库白河坝下的调节池出水口，经六次跌水进入怀柔水库调节后，再从水库峰山口闸出口，西经李家史山、西崔村、大辛峰，沿西部山前地带南折至青龙桥，穿流昆明湖，在海淀区罗道庄与永定河引水渠汇合后，流入玉渊潭。南水北调中线一期工程通水后，一方面自来水厂使用南水替代密云水库向北京城区供水，另一方面通过京密引水渠反向输送南水至密云水库存蓄。

2 能耗分析

2.1 泵站运行现状

能源消耗水平，大的方面反映出一个国家的经济结构和社会发展综合水平，小的方面反映出一个单位或一个企业的管理水平和发展能力。节能降耗是一项重要的工作，在高耗能生产单位尤为重要，节能降耗就意味着为单位或企业增效，对于直接消耗电力的长距离、高扬程梯级泵站工程，电能消耗也是直接反映该工程管理水平和高效节能工程的重要指标。密云水库调蓄工程是北方少有的长距离、高扬程、长时间运行的梯级泵站工程。主要工程内容包括9座泵站、8座节制闸，22km的PCCP管道，以及泵站水泵、电机、电气自动化设备等，装机33台，装机容量36.32MW，全年运行天数在250天左右，年耗电量在2000万kW·h 左右。因此，研究节能降耗运行方式是一项重要的、具有现实意义的工作。

2.2 峰谷电价

《泵站技术管理规程》(GB/T 30948—2014)8.2.8要求：有条件的泵站，宜根据供排水需要实行电能峰谷调度。如能够利用输水渠的有效容积，通过峰谷运行，减少电力输水泵站能源消耗，就能够达到多级电力泵站经济运行、减少电费支出的目标。

目前，指导电能无法大规模存储，生产与消费需要实时平衡，不同用电时段所耗用的电力资源不同，供电成本差异很大。在集中用电的高峰时段，电力供求紧张，为保障电力供应，在输配环节需要加强电网建设、保障输配电能力，在发电环节需要调动高成本发电机组顶峰发电，供电成本相对较高；反之，在用电较少的低谷时段，电力供求宽松，供电成本低的机组发电即可保障供应，供电成本相对较低。分时电价机制是基于电能时间价值设计的，是引导电力用户削峰填谷、保障电力系统安全稳定经济运行的一项重要机制安排。分时电价机制又可进一步分为峰谷电价机制、季节性电价机制等。峰谷电价机制是将一天划分为高峰、平段、低谷，季节性电价机制是将峰平谷时段划分进一步按夏季、非夏季等作差别化安排，对各时段分别制定不同的电价水平，使分时段电价水平更加接近电力系统的供电成本，以充分发挥电价信号作用，引导电力用户尽量在高峰时段少用电、低谷时段多用电，从而保障电力系统安全稳定运行，提升系统整体利用效率、降低社会总体用电成本。以北京市的非居民分时电价规定为例，夏季执行四时段电价，其他时间执行三时段电价(不含尖峰)：

尖峰：11 ∶00—13 ∶00,16 ∶00—17：00(每年7—8月)

峰段：10 ∶00—15 ∶00,18 ∶00—21 ∶00;

平段：07 ∶00—10 ∶00,15 ∶00—18 ∶00,21 ∶00—23 ∶00；

谷段：23 ∶00—07 ∶00。

北京市分时电价见图1。

图1 北京市非居民用电分时电价

3 方案研究

3.1 渠道蓄水量

密云水库调蓄工程1～6站采用明渠输水，输水至怀柔水库，7站从怀柔水库取水通过明渠输水至8站，8站通过22km管道输水至9站调节池，9站通过两条钢管输水至密云水库。正常调度模式下，各站采用双机24小时不间断运行，1～6站通过调节机组角度和频率来控制站前水位在合理范围内，流量稳定在10m3/s。7～9站调度采用双机24小时不间断运行，流量稳定在10m3/s，因受PCCP管道设计因素限制，基本不做调节(根据设计文件和运行经验1～9站前池各水位可控制调蓄量见表1)。

表1 各站站前可调蓄量

3.2 峰谷运行方案

结合北京市分时电价规定、近几年工程调度运行情况和各站站前可调蓄量，选取1～6站为峰谷运行泵站，考虑1站前水厂取水需求，水位可调节范围小，可调蓄量不可控，仍采取双机24小时运行，输水流量稳定在10m3/s。

2站在电费平段开双机，全站流量约15～15.2 m3/s；峰段(含尖峰)不开机，全站流量0m3/s；谷段开双机，全站流量约15m3/s，站前渠道水量站前变化不超过+17.8万m3，可得24h内前2站前渠道水量整体平衡情况。

3站在电费平段开双机，全站流量约10m3/s；峰段(含尖峰)不开机，全站流量0m3/s，；谷段开三机，全站流量约20m3/s，站前渠道水量变化不超过-28.8万m3，可得24h内3站前渠道水量整体平衡情况。

4、5、6站在电费平段开双机，全站流量约10m3/s；峰段(含尖峰)不开机，全站流量0m3/s，；谷段开三机，全站流量约20m3/s，站前渠道水量站前基本无变化，可得24h内4、5、6站前渠道水量整体平衡情况。

7～9级泵站因扬程较高且为PCCP管道需保持24小时满管运行要求，因此无法按照分时电价调节频繁开停机，调水期间保持24小时双机运行，流量10m3/s(峰谷运行情况见表2)。

表2 1～6站峰谷调度

3.3 数据核算

3.3.1 日输水量计算

本项计算目的为核对各站日输水量是否相近，假设各站流量计准确且无明显波动，根据表2计算结果如下：

1站日输水量：10m3/s×3600s×24h=86.40(万m3)(以下计算单位省去)；

2站日输水量：15×3600×3+15.2×3600×5+14.88×3600×8=86.40(万m3)；

3、4、5、6站日输水量10×3600×8+20×3600×8=86.40(万m3)。

由此，各站日输水量完全相同，说明峰谷调度运行，可以满足日常调水工作要求，能够完成日常调水任务需求。

3.3.2 日用电量计算

本项计算目的为核对峰谷调度用电量，经查询机组出厂特征曲线图及参数表在5～7.5m3/s时机组功率变化不大，因此为简化计算过程，结合日常运行工况，设各站单台机组在5～7.5m3/s时耗电量均为200kW·h，根据表2计算结果如下：

正常调度模式下各站用电费用(不含尖峰)：

2×200kW×(8h×1.2884+8h×0.7697+8h×0.3023)=7553.3(元)(以下计算单位省去)；

1～6站单日总用电费用：6×7553.3=45319.8(元)。

峰谷调度模式下各站用电(不含尖峰)：

1站日用电费用：2×200×(8×1.2884+8×0.7697+8×0.3023)=7553.30(元)；

2站日用电费用：2×200×8×0.7697+2×200×8×0.3023=3430.04(元)；

3、4、5、6站日用电费用：4×(2×200×8×0.7697+3×200×8×0.3023)=15659.20(元)。

1～6站单日总用电费用：7553.30+3430.04+15659.20=26642.54(元)。

根据以上费用计算：26642.54(元)/45319.8(元)=58.79%,采用峰谷调度模式的梯级调度日耗电量为目前控制站前水位调度模式下的58.79%，由此，在不计算尖峰费用和其他辅机费用的情况下节能电量也是相当可观的。

4 结 论

随着经济社会的不断发展，各个行业对于电能的需求更加迫切，需要更加科学合理制定用电方案，才能响应国家发展需求，降低能耗，实现碳达标。在本工程调度运行方案研究中充分利用渠道容量和峰谷电价政策，结合机组实际工况，制定合理的调度方案，在发挥工程效益，节能降耗，降低工程运行成本，体现绿色发展理念等方面的突出优势。

然而，在实际工程运行管理过程中，仍需根据辖区天气情况、机组运行效率、机组工况等适时适度的调节，以调水工程安全稳定运行为重点，实现最大限度的节能降耗运行。