日調(diào)節(jié)性能水電站節(jié)水增發(fā)電量考核方法研究

武世峰

(陜西漢江投資開(kāi)發(fā)有限公司喜河水力發(fā)電廠，陜西 安康725200)

0 引言

自2017年以來(lái),受電力市場(chǎng)和電煤市場(chǎng)影響，火電企業(yè)經(jīng)營(yíng)整體虧損，國(guó)資委幾大發(fā)電集團(tuán)公司為改變經(jīng)營(yíng)不利狀況，均在大力推進(jìn)水電企業(yè)全面提升專(zhuān)項(xiàng)工作。要求建立“一流牽引、機(jī)制驅(qū)動(dòng)、對(duì)標(biāo)推進(jìn)、持續(xù)改善、全面提升”的對(duì)標(biāo)機(jī)制，以整體水能利用和效益最大化為原則，優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行，促進(jìn)水電管理全面提升。在此形勢(shì)下，水電生產(chǎn)管理單位很有必要建立企業(yè)節(jié)能調(diào)度效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，研究一套合理方法來(lái)量化考核水電站節(jié)水增發(fā)電量效益，以提高水電站科學(xué)管理運(yùn)行水平。

研究水電站節(jié)水增發(fā)電量考核辦法的目的是考核水電站撇開(kāi)機(jī)電設(shè)備、水庫(kù)特性、水工設(shè)施條件差異后，對(duì)水庫(kù)來(lái)水和電網(wǎng)系統(tǒng)提供的運(yùn)行條件的利用水平[1]。對(duì)于有較好調(diào)節(jié)性能的水電站，設(shè)計(jì)有指導(dǎo)水庫(kù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的調(diào)度圖，考核水位直接取用調(diào)度圖中線，節(jié)水增發(fā)電量可按照原水電部頒布的《水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度考核暫行辦法》直接考核計(jì)算；對(duì)日調(diào)節(jié)性能水電站，由于沒(méi)有設(shè)計(jì)指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)行的調(diào)度圖，電站又大多承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)，水庫(kù)水位變幅較大，不能直接參照上述辦法考核計(jì)算節(jié)水增發(fā)電量。本文結(jié)合漢江喜河水電站實(shí)際情況，對(duì)日調(diào)節(jié)性能水電站節(jié)水增發(fā)電量考核方法進(jìn)行深入研究，明確計(jì)算考核的關(guān)鍵參數(shù)，提出節(jié)水增發(fā)電量計(jì)算考核流程和計(jì)算辦法。此研究結(jié)果對(duì)于各大發(fā)電集團(tuán)公司系統(tǒng)日調(diào)節(jié)性能水電站節(jié)水增發(fā)電量的考核計(jì)算具有參考意義。

1 水電站節(jié)水增發(fā)考核評(píng)價(jià)分析

水電站按照水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能可分為日調(diào)節(jié)、月調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)等幾種類(lèi)型，例如漢江上游流域石泉水電站為季調(diào)節(jié)，喜河水電站、蜀河水電站及在建的旬陽(yáng)水電站為日調(diào)節(jié)，安康水電站為年調(diào)節(jié)。目前在考核評(píng)價(jià)石泉、喜河、蜀河3家水電企業(yè)水庫(kù)調(diào)度工作時(shí),沒(méi)有考慮電站水庫(kù)調(diào)節(jié)性能的差異，而是采用同一考核指標(biāo)：一是考核發(fā)電量完成情況,二是統(tǒng)計(jì)機(jī)組發(fā)電利用小時(shí)數(shù)，三是評(píng)價(jià)發(fā)電耗水率大小，且均與計(jì)劃值、設(shè)計(jì)值或歷史同期值相比較，這是很不合理的。發(fā)電量雖是一項(xiàng)重要指標(biāo)，但其不能反映電站對(duì)水能利用的合理程度[2]。水電站發(fā)電量的多少,除與水庫(kù)調(diào)度方式,即水頭和水量的利用程度有關(guān)外,與徑流狀態(tài)的關(guān)系更大,如豐水年和枯水年的發(fā)電量就相差很大[3]；發(fā)電利用小時(shí)是機(jī)組裝機(jī)容量利用率的一項(xiàng)指標(biāo)，隨著水庫(kù)調(diào)節(jié)性能的不同及在串聯(lián)式水庫(kù)群所處位置不同，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)會(huì)有較大差異，如上游有季調(diào)節(jié)水庫(kù)控制的喜河水電站發(fā)電利用小時(shí)數(shù)比上游有年調(diào)節(jié)水庫(kù)控制的蜀河水電站機(jī)組利用小時(shí)客觀上就少；發(fā)電耗水率大小不僅取決于調(diào)度水平的高低，還與發(fā)電設(shè)計(jì)水頭、發(fā)電機(jī)型及徑流在年內(nèi)的分配過(guò)程有關(guān)，電站建成后即使在同一流域也有天然性差異。對(duì)標(biāo)計(jì)劃值為主觀型指標(biāo)，人為因素較大；設(shè)計(jì)值受設(shè)計(jì)水文系列年限影響，數(shù)據(jù)均偏安全，指標(biāo)相對(duì)較低；歷史同期值受來(lái)水不確定性影響較大?；谝陨戏治觯l(fā)電量、機(jī)組發(fā)電利用小時(shí)數(shù)、發(fā)電耗水率3個(gè)考核指標(biāo)不宜作為評(píng)價(jià)水電站間經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，且當(dāng)前水電企業(yè)對(duì)標(biāo)考核評(píng)價(jià)不在一個(gè)平臺(tái)。

2 水電站節(jié)水增發(fā)電量考核方法

原水電部頒發(fā)的《水電站水庫(kù)經(jīng)濟(jì)調(diào)度條例》指出：“水電站水庫(kù)經(jīng)濟(jì)調(diào)度要進(jìn)行考核。發(fā)電耗水率和水能利用率是考核水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)”。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，由于發(fā)電耗水率和運(yùn)行水頭呈反比關(guān)系，在枯水期耗水率指標(biāo)考核較為合理，但在汛期或行洪期間，由于防汛要求限制，發(fā)電水頭變化較大，約束條件較多，單純考核評(píng)價(jià)耗水率指標(biāo)意義不大； 考核水量利用率對(duì)調(diào)節(jié)性能低的水電站可以很好評(píng)價(jià)水庫(kù)調(diào)度水平，但對(duì)于調(diào)節(jié)性能較高的水庫(kù)或是遇到徑流偏枯年份，水量利用率幾乎總是100%，沒(méi)有考核評(píng)價(jià)意義。鑒于以上情況，采用絕對(duì)的發(fā)電耗水率和水能利用率不能直接用來(lái)考核,而且在不同水電站之間也不能用以互相比較。因此,為了有同一可比基礎(chǔ),可把相對(duì)發(fā)電耗水率和水能利用提高率作為考核指標(biāo)[4]。相對(duì)發(fā)電耗水率是考核期內(nèi)實(shí)際耗水率與考核計(jì)算發(fā)電耗水率的比值，水能利用提高率是考核期內(nèi)實(shí)際超過(guò)考核電量的百分比。前者消除了無(wú)效來(lái)水對(duì)耗水率的影響，后者剔除了不同調(diào)節(jié)性能、不同流域、不同來(lái)水的影響，客觀反映水頭與水量的利用情況。

全國(guó)大中型水電站大多以水能利用提高率指標(biāo)作為達(dá)標(biāo)創(chuàng)一流的必備條件[5]。

2.1 考核計(jì)算時(shí)段分類(lèi)

水文計(jì)算中，多年調(diào)節(jié)水庫(kù)計(jì)算時(shí)段為月，年調(diào)節(jié)及季調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)段為旬，日調(diào)節(jié)及無(wú)調(diào)節(jié)水庫(kù)計(jì)算時(shí)段為日[6]，本文按日進(jìn)行節(jié)水增發(fā)電量的計(jì)算考核。

2.2 考核計(jì)算有關(guān)參數(shù)

2.2.1 棄水電量Eq

日調(diào)節(jié)水電站發(fā)電過(guò)程受天然來(lái)水的約束，在棄水日因不能按額定出力滿(mǎn)發(fā)而損失電量。正常情況下，棄水電量主要指工況約束棄水電量，即由于棄水造成下游水位抬高，造成機(jī)組運(yùn)行凈水頭變小，從而影響機(jī)組不能達(dá)到額定出力所造成的電量損失[7]；特殊情況還有調(diào)峰棄水電量、檢修棄水電量和調(diào)壓棄水電量。

2.2.2 綜合出力系數(shù)K

綜合出力系數(shù)K值反映的是水輪發(fā)電機(jī)組的綜合效率性能。由于受到水頭、發(fā)電流量、出力大小等諸多參數(shù)的影響，其值很難確定具體數(shù)據(jù)，因此，對(duì)K值的考核計(jì)算工作，應(yīng)在設(shè)計(jì)規(guī)定基礎(chǔ)上不斷結(jié)合實(shí)際運(yùn)行資料，找出不同出力、不同水頭及不同發(fā)電流量的K值的有效辦法，并隨時(shí)加以更正。K值取值范圍：大中型水電站，K=8.0～8.5；中小型水電站，K=6.5～8.0；對(duì)于小型電廠，K=6.0～6.5。目前在實(shí)際水能計(jì)算中，K值通常取一固定常數(shù)[8]。

2.2.3 計(jì)算考核上游水位Z上k

日調(diào)節(jié)水庫(kù)由于相對(duì)于調(diào)度考核時(shí)段水庫(kù)不具備調(diào)節(jié)性能，壩上水位按核定運(yùn)行水位進(jìn)行計(jì)算，即核定運(yùn)行水位是水庫(kù)的考核計(jì)算壩上水位。日調(diào)節(jié)特性水庫(kù)上游水位在日內(nèi)是變化的，一日內(nèi)庫(kù)水位應(yīng)控制在設(shè)計(jì)正常蓄水位與死水位之間，一般不應(yīng)低于死水位運(yùn)行，故以日為計(jì)算時(shí)段上游水位應(yīng)取平均值，一般將正常蓄水位與死水位的平均值做為上游考核水位。

2.2.4 計(jì)算考核發(fā)電凈水頭H

根據(jù)考核日確定的發(fā)電流量，查詢(xún)下游水位-流量關(guān)系曲線，確定下游水位Z下；再考慮因?yàn)檫M(jìn)水口攔污柵、引水管道、水道沿程等因素引起的水頭損失HS，水頭損失無(wú)論是引水式電站還是壩后式電站，均按最大水頭損失計(jì)算[9]。求得計(jì)算考核發(fā)電凈水頭如下：

H=(Z上K-Z下)-HS

2.2.5 計(jì)算考核發(fā)電流量QK

考核日時(shí)段內(nèi)，比較入庫(kù)流量和發(fā)電限制流量大小，較小者確定為計(jì)算考核發(fā)電流量QK。

2.3 計(jì)算考核發(fā)電量Ej

計(jì)算考核發(fā)電量以日為計(jì)算時(shí)段，采取“秋后算帳”的辦法進(jìn)行水能計(jì)算，得出計(jì)算考核發(fā)電量以進(jìn)行考核。

Ej=24KQKH

2.4 修正考核發(fā)電量EXk

考核電量應(yīng)該是考核期內(nèi)(日)水電站按照來(lái)水并考慮電力系統(tǒng)或電站客觀運(yùn)行約束條件后應(yīng)該發(fā)出的電量。實(shí)際運(yùn)行中因電網(wǎng)調(diào)度原因或非電廠原因?qū)е掠锌赡墚a(chǎn)生棄水而損失電量，需對(duì)計(jì)算考核電量進(jìn)行修正。修正考核電量為計(jì)算考核電量減去棄水電量的差值。

EXk=Ej-Eq=24KQKH-Eq

2.5 增發(fā)電量ΔE

增發(fā)電量為日實(shí)際發(fā)電量Es減去修正日考核電量EXk的差值。分月逐日累計(jì)即為月節(jié)水增發(fā)電量，各月累計(jì)即為年節(jié)水增發(fā)電量。

ΔE=Es-EXk=Es-(24KQKH-Eq)

2.6 節(jié)水增發(fā)電量考核指標(biāo)

2.6.1 相對(duì)水能利用率及水能利用提高率。

相對(duì)水能利用率是考核水電站優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的指標(biāo)?？己藭r(shí)段內(nèi)實(shí)際發(fā)電量與修正考核電量之比為相對(duì)水能利用率α，增發(fā)電量與修正考核電量之比為水能利用提高率β。

相對(duì)水能利用率α>1，水能利用提高率β>0，則電站調(diào)度合理。β值越大，電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度效果越好[10]。

2.6.2 相對(duì)發(fā)電耗水率

從節(jié)能降耗的角度，可通過(guò)耗水率的計(jì)算考核水電站的經(jīng)濟(jì)調(diào)度情況。相對(duì)發(fā)電耗水率<1，說(shuō)明電站調(diào)度合理。

2.7 考核計(jì)算流程

水電站節(jié)水增發(fā)電量考核計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 日調(diào)節(jié)水電站節(jié)水增發(fā)電量考核計(jì)算流程Fig.1 Calculation flow of assessment of water-saving and power-increasing capacity of hydropower station’s daily regulating performance

3 實(shí)踐成效

3.1 喜河水電站概況

喜河水電站位于漢江上游陜西省石泉縣，2006年6月30日第1臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，12月19日3臺(tái)機(jī)組全部投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。壩址控制流域面積25 207 km2，占漢江流域總面積的15.8%。上、下游分別已建成石泉水電站和安康水電站，河道距離分別為40和145 km。水電站主要由碾壓混凝土重力壩、河床式電站廠房等組成，壩頂高程367.8 m，最大壩高62.8 m，壩頂長(zhǎng)346 m，水庫(kù)正常蓄水位362.00 m，死水位360.00 m，設(shè)計(jì)洪水位362.20 m，水庫(kù)校核洪水位367.00 m，校核洪水位以下庫(kù)容2.29億 m3，正常蓄水位以下庫(kù)容1.67億 m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.22億 m3，具有日調(diào)節(jié)性能。電站裝機(jī)容量3×60 MW，保證出力21.8 MW，多年平均發(fā)電量4.878億 kW·h。電站主要承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用任務(wù)。

3.2 節(jié)水增發(fā)電量考核有關(guān)參數(shù)的取值

3.2.1 棄水電量Eq

根據(jù)近幾年喜河水電站實(shí)際運(yùn)行情況，棄水電量主要指工況約束棄水電量，即由于棄水造成下游水位抬高，造成機(jī)組運(yùn)行凈水頭變小，從而影響機(jī)組不能達(dá)到額定出力所造成的電量損失。棄水電量可用考核期內(nèi)機(jī)組出力與額定出力的差值逐時(shí)計(jì)算。

3.2.2 綜合出力系數(shù)K

喜河水電站屬大(2)型水電企業(yè)，結(jié)合電站設(shè)計(jì)單位給定的設(shè)計(jì)值，綜合出力系數(shù)K值取常數(shù)8.5。

3.2.3 計(jì)算考核上游水位Z上k

根據(jù)喜河水電站日調(diào)節(jié)特性水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn)，可將正常蓄水位與死水位的平均值做為上游考核水位。喜河水電站正常蓄水位362 m，死水位360 m，節(jié)能考核上游水位Z上k確定為361 m。

3.2.4 計(jì)算考核發(fā)電凈水頭H

根據(jù)考核日確定的發(fā)電流量，查詢(xún)下游水位-流量關(guān)系曲線確定下游水位Z下，喜河水電站設(shè)計(jì)平均水頭損失0.5 m[11]，則計(jì)算考核發(fā)電凈水頭如下：

H=(Z上k-Z下)-Hs=(361.00-Z下)-0.50

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

運(yùn)用喜河水電站2011—2016年水庫(kù)運(yùn)行資料，根據(jù)節(jié)水增發(fā)電量考核方法研究成果計(jì)算喜河水電站年度相對(duì)水量利用率α、水能利用提高率β，結(jié)果如表1所示；逐年分月水能利用提高率β值如表2所示。

表1數(shù)據(jù)分析表明：喜河水電站2011—2013年相對(duì)水能利用率α>1，水庫(kù)調(diào)度合理；水能利用提高率β為正、最大值2.38%，水庫(kù)調(diào)度工作及洪水調(diào)度增發(fā)電量顯著，符合原水電部創(chuàng)一流水電企業(yè)水能利用提高率0<β≤5要求，水庫(kù)運(yùn)行較為經(jīng)濟(jì)。2014—2016年漢江上游流域來(lái)水偏枯，洪水場(chǎng)次偏少，洪水量級(jí)較大，洪水調(diào)度增發(fā)電量效果不佳，再加之水庫(kù)調(diào)度參與社會(huì)因素(2016年參與地方陽(yáng)安鐵路建設(shè)降水位至358 m近40 d)水位控制較低，水能利用提高率β<0，水庫(kù)運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。

表2數(shù)據(jù)分析表明：個(gè)別月份水能利用提高率平均值出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行情況不合理也不經(jīng)濟(jì)。造成這一結(jié)果的原因是錯(cuò)綜復(fù)雜的，除與漢江上游流域來(lái)水明顯減少(1月、4月)和洪水場(chǎng)次較多(8月、10月)的自然因素有關(guān)外，人為因素是另一主要原因：一方面沒(méi)有嚴(yán)格控制水位，不管來(lái)水豐枯參與系統(tǒng)發(fā)電較多；另一方面水庫(kù)調(diào)度人員對(duì)天氣形勢(shì)、洪水預(yù)見(jiàn)期的判斷失誤造成洪前騰庫(kù)長(zhǎng)期低水位運(yùn)行，耗水率增大，降低了水能利用率。

表1 2011—2016年相對(duì)水量利用率α、水能利用提高率β計(jì)算表Table 1 Calculation table of relative water utilization rate α from 2011 to 2016 and water energy utilization improvement rate β

表2 2011—2016年逐年分月水能利用提高率β計(jì)算表Table 2 Calculation table of water energy utilization improvement rate β from 2011 to 2016 year by month

3.4 對(duì)標(biāo)考核

實(shí)際考核時(shí)，以日為計(jì)算時(shí)段按月統(tǒng)計(jì)指標(biāo)并求出各月水能利用提高率來(lái)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，并可平衡流域水電站之間調(diào)節(jié)性能不同、機(jī)型不同、豐水段和枯水段之間的差異，實(shí)現(xiàn)水電站流域?qū)?biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 本文針對(duì)日調(diào)節(jié)水庫(kù)的特點(diǎn)，明確了本研究關(guān)鍵指標(biāo)Z上k和QK的取值規(guī)則，提出了相應(yīng)的電站節(jié)水增發(fā)電量考核計(jì)算辦法；

2) 結(jié)合日調(diào)節(jié)特性漢江喜河水電站實(shí)際情況，運(yùn)用2011—2016年水庫(kù)運(yùn)行資料，對(duì)相應(yīng)年份逐月計(jì)算驗(yàn)證相對(duì)水量利用率α、水能利用提高率β，所得結(jié)果正確，表明了研究方法適用于喜河水電站的實(shí)際運(yùn)行情況；

3) 建議漢江喜河水電站按照日調(diào)節(jié)水庫(kù)特性，加強(qiáng)和電網(wǎng)調(diào)度協(xié)調(diào)溝通，合理控制水位，科學(xué)調(diào)度洪水，降低發(fā)電耗水率，提高水能利用率，發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益。