三峽水電站泄洪對(duì)發(fā)電影響分析

冉洪偉，龔保紅，劉小錕

(1.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長(zhǎng)江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

大型水電站通常同時(shí)肩負(fù)著防洪、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)調(diào)度、水資源利用等綜合功能。為充分利用水能，汛期一般優(yōu)先采用機(jī)組發(fā)電過流下泄，但當(dāng)機(jī)組滿發(fā)下泄流量仍不滿足要求時(shí)，將開啟泄洪設(shè)施進(jìn)行泄洪，以增加下泄流量。電站泄洪引起的下游水位波動(dòng)，將不可避免地對(duì)運(yùn)行機(jī)組發(fā)電水頭產(chǎn)生影響，需要重點(diǎn)關(guān)注電站運(yùn)行設(shè)備能否有效、正確的響應(yīng)，關(guān)系到電站及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

三峽水電站作為世界上規(guī)模最大的水利樞紐工程，防洪是最核心效益，肩負(fù)著長(zhǎng)江中下游流域防洪的重要任務(wù)。汛期嚴(yán)格按照防洪主管部門批復(fù)的相關(guān)規(guī)程和調(diào)度指令控制水庫水位，當(dāng)對(duì)出庫流量的要求大于機(jī)組滿發(fā)流量時(shí)，將會(huì)開啟泄洪設(shè)施進(jìn)行泄洪。三峽水電站由左岸電站、右岸電站、地下電站組成，裝機(jī)容量大、機(jī)組數(shù)量多，站內(nèi)運(yùn)行設(shè)備能否對(duì)水頭變化作出可靠響應(yīng)更關(guān)系到電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。本文通過電站泄洪前后下游水位、有功功率、調(diào)速器、AGC等數(shù)據(jù)實(shí)際變化情況，分析了電站泄洪對(duì)發(fā)電的具體影響過程及原因。

1 泄洪影響分析

1.1 對(duì)下游水位影響

水電站泄洪時(shí)出庫流量突然增大必然會(huì)引起下游水位較大波動(dòng)，圖1為三峽水電站汛期2次開啟深孔前后實(shí)測(cè)下游水位變化趨勢(shì)圖，其中第一次泄洪開啟1個(gè)深孔，第二次泄洪為連續(xù)開啟2個(gè)深孔。

圖1 泄洪前后下游水位變化趨勢(shì)Fig.1 Change trend of water level in downstream before and after flood discharge

如圖1所示，三峽水電站開啟深孔泄洪后下游水位均會(huì)快速上升，上升達(dá)0.7～1.0 m后逐漸趨于穩(wěn)定。結(jié)合電站歷年開啟深孔泄洪后下游水位實(shí)際變化情況，總結(jié)規(guī)律如下：所開深孔位置和數(shù)量對(duì)下游水位變化幅度的影響略有差別，但每次開啟深孔后，下游水位立即快速上升隨后保持穩(wěn)定的變化過程均一致，其中開啟首個(gè)深孔對(duì)下游水位變化短時(shí)影響最大，連續(xù)開啟時(shí)，下一個(gè)深孔開啟對(duì)下游水位變化影響相對(duì)變小。此外，運(yùn)用不同的泄洪設(shè)施泄洪對(duì)下游水位的影響也略有不同[2]。

1.2 對(duì)水電站有功功率影響分析

水電站水頭的變化會(huì)直接影響到運(yùn)行機(jī)組的有功功率，為應(yīng)對(duì)水頭在短時(shí)間內(nèi)變化引起有功功率波動(dòng)，目前主要運(yùn)用電站監(jiān)控系統(tǒng)AGC和機(jī)組調(diào)速器的調(diào)節(jié)功能[3]。

水電站監(jiān)控系統(tǒng)AGC投入時(shí)，會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)電站設(shè)定總有功值和實(shí)際總有功值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者差值大于設(shè)定的死區(qū)定值后，AGC將重新對(duì)有功進(jìn)行計(jì)算分配并下達(dá)至機(jī)組執(zhí)行。由于三峽水電站各分廠監(jiān)控系統(tǒng)AGC功能及死區(qū)定值設(shè)置等均一致，本文默認(rèn)各分廠AGC應(yīng)對(duì)開啟深孔泄洪后運(yùn)行機(jī)組單機(jī)有功功率變化的調(diào)節(jié)功能均一致，重點(diǎn)從機(jī)組調(diào)速器調(diào)節(jié)功能分析開啟深孔泄洪后對(duì)運(yùn)行機(jī)組有功功率影響的情況。

水電站機(jī)組調(diào)速器的基本任務(wù)是根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷變化不斷調(diào)節(jié)機(jī)組的有功功率，維持機(jī)組轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速規(guī)定范圍內(nèi)，以滿足電網(wǎng)對(duì)頻率質(zhì)量的要求。三峽水電站機(jī)組正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器均投功率模式，在此模式下，會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)組給定有功值和實(shí)際有功值進(jìn)行比較，而后調(diào)整導(dǎo)葉開度，使實(shí)際有功功率接近給定有功功率。但為避免機(jī)組調(diào)速器頻繁調(diào)節(jié)影響設(shè)備壽命及性能，目前行業(yè)普遍做法是設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)，只有給定有功功率和實(shí)際有功功率差值大于死區(qū)定值后，調(diào)速器才會(huì)發(fā)出增減導(dǎo)葉開度指令，將實(shí)際有功功率調(diào)節(jié)至給定有功功率[4]。通過查詢?nèi)龒{水電站機(jī)組調(diào)速器資料得知，左岸電站和地下電站機(jī)組的調(diào)速器功率模式算法相類似，均設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)且定值一致，但是右岸電站機(jī)組調(diào)速器未設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)，在調(diào)速器功率模式下，實(shí)時(shí)根據(jù)功率給定值，查詢水頭、功率及導(dǎo)葉開度的三維曲線實(shí)時(shí)進(jìn)行機(jī)組有功功率調(diào)整[5]。

1.2.1 對(duì)水電站機(jī)組有功功率影響

分別對(duì)三峽水電站泄洪前后3個(gè)分廠機(jī)組調(diào)速器動(dòng)作、有功功率變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，找出泄洪引起的下游水位波動(dòng)對(duì)機(jī)組具體影響情況及異同的原因，圖2～4為泄洪后三峽電站各分廠機(jī)組功率及導(dǎo)葉開度變化趨勢(shì)圖。

圖2 泄洪后左岸電站機(jī)組功率及導(dǎo)葉變化趨勢(shì)Fig.2 Change trend of power and guide vane of left bank power station unit after flood discharge

圖3 泄洪后右岸電廠機(jī)組功率及導(dǎo)葉變化趨勢(shì)Fig.3 Change trend of power and guide vane of right bank power station unit after flood discharge

圖4 泄洪后地下電站機(jī)組功率及導(dǎo)葉變化趨勢(shì)Fig.4 Change trend of power and guide vane of underground power station unit after flood discharge

三峽水電站開啟深孔泄洪后，下游水位快速上升，運(yùn)行機(jī)組發(fā)電水頭降低，而調(diào)速器導(dǎo)葉開度不變的情況下，機(jī)組有功功率會(huì)緩慢下降，由于3個(gè)分廠的調(diào)速器功率模式下算法存在是否設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)的區(qū)別，相對(duì)應(yīng)調(diào)速器表現(xiàn)出明顯不同的響應(yīng)過程。右岸電站機(jī)組因調(diào)速器功率模式下算法未設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)，實(shí)際功率減少后，立即查詢水頭、功率及導(dǎo)葉開度的三維曲線，得出設(shè)定功率在水頭變化后的對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉開度值，動(dòng)作導(dǎo)葉調(diào)整功率和機(jī)組實(shí)際功率基本維持設(shè)定值不變。而因左岸電站和地下電站機(jī)組調(diào)速器設(shè)置死區(qū)，實(shí)時(shí)對(duì)實(shí)際有功功率及設(shè)定有功功率進(jìn)行比較，但只有當(dāng)差值超過死區(qū)值后，調(diào)速器才會(huì)響應(yīng)動(dòng)作導(dǎo)葉調(diào)節(jié)功率，導(dǎo)葉開度表現(xiàn)出先維持不變后快速增加的過程，機(jī)組實(shí)際有功功率表現(xiàn)出先緩慢下降隨后上升穩(wěn)定過程。從圖2，3可以看出，開啟泄洪后左岸電站和地下電站機(jī)組調(diào)速器響應(yīng)時(shí)間并不一致，其中左岸電站機(jī)組較地下電站機(jī)組晚15 min左右響應(yīng)，主要原因是泄洪前每臺(tái)機(jī)組實(shí)際有功功率和設(shè)定有功功率差值并不完全一致，加上受下游導(dǎo)墻、離泄洪點(diǎn)位置遠(yuǎn)近等因素影響各分廠下游水位變化也不可能完全一致，對(duì)應(yīng)機(jī)組實(shí)際有功功率下降至死區(qū)值時(shí)間也會(huì)有所差別。

1.2.2 對(duì)水電站分廠總有功功率影響

各分廠總有功功率會(huì)隨單機(jī)功率波動(dòng)疊加而變化，分析時(shí)考慮最不利的極端情況，即各分廠監(jiān)控系統(tǒng)AGC調(diào)節(jié)功能退出，機(jī)組有功功率實(shí)際值與設(shè)定值完全一致時(shí)開啟泄洪，且下游水位變化情況一致，那么分廠實(shí)際總有功功率波動(dòng)理論上最大值等于調(diào)速器死區(qū)定值乘運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)。目前該電站調(diào)速器死區(qū)定值3.5 MW，理論上左岸電站和地下電站總有功功率最大偏差分別為49，21 MW。但水電站實(shí)際電力生產(chǎn)過程中，各分廠監(jiān)控系統(tǒng)AGC功能均保持正常投入狀態(tài)，且廠內(nèi)機(jī)組有功功率實(shí)際值與設(shè)定值之間差值不可能完全一致，下游水位變化也不可能完全一致，各分廠實(shí)際總有功功率與設(shè)定值的偏差遠(yuǎn)達(dá)不到理論上的最大值。表1為泄洪后三峽水電站各分廠及全廠實(shí)際總有功最大偏差統(tǒng)計(jì)。

表1 泄洪后各分廠及全廠總有功功率最大偏差統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of maximum deviation of total active power of each branch and the whole plant after flood discharge

由表1可見，雖然水電站站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)AGC和調(diào)速器具有調(diào)節(jié)功能，但開啟泄洪后各分廠總有功功率實(shí)際值與設(shè)定值之間仍會(huì)存在偏差，其中右岸電站最大偏差8.4 MW，左岸電站和地下電站偏差均接近30 MW，偏差大小可能受機(jī)組臺(tái)數(shù)及調(diào)速器是否設(shè)置死區(qū)等因素影響，變化趨勢(shì)是否與站內(nèi)單機(jī)有功變化一致還需進(jìn)一步研究。圖5～7為泄洪前后各分廠總有功功率實(shí)際變化趨勢(shì)圖。

圖5 左岸電站總有功功率變化趨勢(shì)Fig.5 Change trend of total active power of left bank power station

圖6 右岸電站總有功功率變化趨勢(shì)Fig.6 Change trend of total active power of right bank power station

圖7 地下電站總有功功率變化趨勢(shì)Fig.7 Change trend of total active power of underground power station

由圖5～7可以直觀展示三峽水電站在開啟泄洪后各分廠總有功功率波動(dòng)趨勢(shì)與分廠典型機(jī)組有功功率變化趨勢(shì)一致，其中右岸電站總有功功率無明顯波動(dòng)，左岸電站和地下電站總有功功率短時(shí)快速下降后緩慢上升至設(shè)定值，波動(dòng)均在允許范圍內(nèi)，滿足并網(wǎng)調(diào)度協(xié)議及實(shí)時(shí)調(diào)度控制要求。

2 對(duì)策分析

針對(duì)因三峽水電站泄洪時(shí)水頭變化可能引起的站內(nèi)運(yùn)行機(jī)組有功功率及分廠總有功功率短暫的波動(dòng)。一方面，運(yùn)用電站泄洪設(shè)施時(shí)，嚴(yán)格按照調(diào)度規(guī)程內(nèi)各泄洪設(shè)施安全運(yùn)行條件、開啟的先后順序、“均勻、間隔、對(duì)稱”開啟原則等相關(guān)規(guī)定執(zhí)行；另一方面，泄洪期間，電站運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行設(shè)備監(jiān)視和檢查，特別是針對(duì)泄洪設(shè)施連續(xù)開啟時(shí)造成的下游水位長(zhǎng)時(shí)間波動(dòng)，必要時(shí)可采取人工干預(yù)，避免實(shí)際有功功率長(zhǎng)時(shí)間偏離設(shè)定值，從而給電站和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成安全隱患。

3 結(jié) 語

通過對(duì)三峽水電站泄洪前后運(yùn)行設(shè)備實(shí)際數(shù)據(jù)變化開展相關(guān)性分析，得出因站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)AGC及機(jī)組調(diào)速器的調(diào)節(jié)功能，泄洪僅會(huì)引起運(yùn)行機(jī)組有功及電站總有功在正常范圍內(nèi)短時(shí)波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)和電站設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行無影響。運(yùn)用泄洪設(shè)施時(shí)仍需嚴(yán)格按照調(diào)度規(guī)程執(zhí)行，期間加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行設(shè)備監(jiān)視和檢查，盡量避免有功實(shí)際值長(zhǎng)時(shí)間偏離設(shè)定值。后續(xù)為了更加精準(zhǔn)掌握泄洪對(duì)電站運(yùn)行設(shè)備的具體影響，可對(duì)不同上游水位和運(yùn)用不同泄洪設(shè)施泄洪時(shí)下游水位變化規(guī)律、機(jī)組調(diào)速器功率調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置的必要性及定值合理性等開展進(jìn)一步專題研究。