梯级水电站经济运行和电水优化调度探索

邓海建

(四川明星电力股份有限公司，四川 遂宁 629000)

四川明星电力发电公司下辖4座水电站，总装机容量115.58 MW，年均发电量约5.4亿kW·h，均实现远程梯调集控。4座水电站中龙凤和小白塔水电站位于渠河末端，通过涪江上游黄连沱处低坝拦水后由闸门调节进入渠河发电；
过军渡和三星水电站位于主河道(见图1)，上下游电站距离约25 km。

4座水电站中龙凤和小白塔水电站各5台机组，设计水头20 m，引用流量约134 m3/s；
过军渡水电站2台机组，设计水头11 m，引用流量约464 m3/s；
三星水电站3台机组，设计水头11 m，引用流量约531 m3/s。通过对三星水电站2005—2020年流量数据统计得知，涪江流域遂宁段平均每年流量小于550 m3/s的天数约318 d，占全年总天数的87.34%。根据各水电站机组满发额定流量及水头数据、龙凤和小白塔水电站特点以及过军渡和三星水电站库区允许调节库容，如何在这318 d中做好各水电站电水优化调度和各站机组的经济运行，确保不弃水并充分高效利用来水多发多供，成为发电公司精益化管理的重要着眼点。

2.1 经济运行思考

根据渠河安全运行要求，渠河引水口闸后最高运行水位不能超过285.75 m。从2016年《渠道流速流量监测技术总结》中得知，在引水口闸后水位285.75 m时，进入渠河流量约160 m3/s。

经多年观察，在涪江流量低于550 m3/s时，即使保持进水口闸后最高水位运行，在龙凤和小白塔水电站10台机组持续全开满发时，两站前池水位会以约0.04 cm/s速度下降。为防止龙凤和小白塔水电站前池水位过低影响渠河渠系安全，以前均采用降低部分机组出力或停机的方式来保持前池水位在安全且相对较高区间运行。因两站各台机组存在效率差异，在来水不足时如何做到既保持前池高水位机组高效率运行，同时又要保证车间的各类损耗尽可能最低，这就需要在充分掌握各台机组性能和运行工况的前提下，做好龙凤和小白塔水电站各机组的精细调节和组合运行方式探索，根据不同来水量确定机组开停顺序；
并用详细的数据指导调整方法，以便运维人员能直接参照执行。

2.2 龙凤和小白塔水电站机组区间开度出力关系摸索

2.2.1 机组区间开度出力表

为清楚掌握龙凤和小白塔水电站各机组在不同水头下的实际效率区别和开度出力关系，在两个不同前池水位情况下对各台机组区间开度和出力情况进行了多次测试，因结果偏差极小，所以只展示了1个水头下相关数据(见表1、表2)。

表2：龙凤水电站机组区间开度出力(着色部分为低效率开度区间)

2.2.2 机组区间开度出力关系曲线

依据开度出力表，绘制了相对应的曲线图(见图2、图3)。

2.3 经济运行措施

根据龙凤和小白塔水电站各台机组区间开度出力表和对应的曲线图，可以明显看到各台机组的效率差异及水头对机组出力的影响。另外，根据测试数据及水轮机组工作特性曲线可知，龙凤和小白塔水电站各台机组增加8%～10%的导叶开度(着色部分)而出力仅增加0.03 MW左右；
这个区间称为低效率区间，负荷不随导叶增大而增加或随导叶增大而下降的开度区间称为无效区间(见表3)。

表3 龙凤和小白塔水电站机组低效开度区间和负荷增加情况

从上表和所收集的龙凤和小白塔水电站10台机组开度出力情况，可以估算出低效率区间导叶开度所消耗的水量和增加的发电量远远不成正比。根据水轮机组一般工作特性曲线所知，机组最大出力并不代表机组最优运行工况，特别是龙凤和小白塔水电站在来水不能保证机组持续最高负荷运行时，保持低效区间运行并不能做到高效利用来水经济多发。因相关机组原始资料缺失(龙凤水电站始建于1958年，小白塔水电站始建于1978年)，无法准确计算出增加的8%～10%低效率开度区间耗水量。为对耗水数据有个大概的掌握，通过对龙凤和小白塔水电站10台机组分别调整导叶开度(在来水基本相同情况下，将龙凤水电站5台机组导叶开度从96%降至86%左右，将小白塔水电站5台机组从91%降至82%左右)和停1台龙凤水电站效率最低的机组蓄水后前池水位变化基本相似情况看，龙凤和小白塔水电站10台机组低效开度区间耗水量接近8 m3/s(龙凤站单机额定耗水量)。据此，对龙凤和小白塔水电站1 d(24 h)采取避开低效开度区间措施所减少的发电量和停1台机组所减少的发电量进行计算对比：

避开低效开度区间减少的发电量：0.003×5×2×24=0.72万kW·h。

龙凤水电站停1台机组减少的发电量：0.125×24=3万kW·h。

从对比数据可以看出，在进入渠河水量保持在120～130 m3/s时，采取对龙凤和小白塔水电站10台机组导叶开度优化调节的方式比以往停1台机组的运行方式每天可增加发电量约2.28万kW·h。根据渠河设计分流量及近两年涪江流量及龙凤和小白塔水电站机组运行情况，在涪江流量200～550 m3/s时，进入渠河流量基本120～130 m3/s；
从多年历史数据统计，涪江流量200～550 m3/s时间约140 d。通过以上数据得出对龙凤和小白塔水电站机组优化调整确保经济高效运行年可增加发电量如下：

增加发电量：140×(3-0.72)=319.2万kW·h。

因此，在渠河正常引水而又不能保证龙凤和小白塔水电站前池高水位和机组10台机组持续最高负荷运行的情况下，优先通过以下方式来提高渠河来水的利用效率，达到机组经济高效发电。

一是在涪江流域上游来水小于550 m3/s时，集控站通过遥调将龙凤和小白塔水电站10台机组满发，待前池水位逐步下降无法保持各台机组最高满发出力时，遥调或协调现地运维人员调整各机组导叶开度，避开各台机组低效开度区间运行。这样既能减少机组的低效耗水损失，逐步提高前池水位，又能在前池水位企稳或逐步提高后因水头增加而弥补降低导叶开度而减少的机组发电量。

二是因上游来水减少造成通过第一种方式仍不能保持前池水位稳定时，采取将龙凤和小白塔水电站效率最低的机组停运的方式保持前池高水位，以确保其他机组高效率运行。

三是因小白塔水电站自然水头相较于龙站机组水头高0.2 m，停机时优先停龙凤水电站部分机组保小站机组运行。

需要注意的是：集控站值班员对各站机组负荷的调整只能通过负荷设置的方式进行遥调，但因各站机组调速器死区原因，对有功负荷0.2～0.3 MW左右的调整时，现地调速器基本不会动作。这就需要和现地值班员做好沟通协调，及时根据前池水位的变化要求现地运维值守人员对各机组导叶开度进行实时调整。

3.1 渠河引水优化调度

因龙凤和小白塔水电站机组水头比过军渡水电站水头高约8 m，因此在涪江来水低于170 m3/s时，除通过黄连沱低坝处泄放40 m3/s生态流量外，需全力将剩余来水调度引入渠河通过龙凤和小白塔水电站机组发电，以此可提高来水发电效率约40%。

3.2 过军渡和三星水电站电水优化调度及经济运行措施

分别以流量占全年总天数的87.34%(流量≤550 m3/s)和5.36%(550 m3/s≤流量≤1 000 m3/s)两种情况为例进行说明。

当流量≤550 m3/s时，经渠河分流约134 m3/s后，进入过军渡库区流量小于414 m3/s。因过军渡水电站机组满发流量为456 m3/s，所以经渠河分流后的剩余流量并不能保持过军渡站2台机组持续满发。三星水电站通过闸门泄放生态流量约60 m3/s，所以，在涪江流量≤550 m3/s时，三星水电站机组也无法持续保持机组长期满发。因公司在省网下网电价的调整，目前过军渡和三星水电站机组不需要冲早晚高峰负荷，在机组高效发电上只需要通过机组导叶开度调整保持前池高水位和机组高水头运行即可。

在上游来水流量≥550 m3/s、≤1 000 m3/s时，需根据流量区间适时通过机组满发耗水对过军渡和三星水电站库区提前腾库，尽量减少直接通过大坝闸门的泄水量，以确保对上游来水的充分利用(见表4)。

表4 过军渡和三星水电站不同流量下库区建议调节深度

过军渡和三星水电站机组均属于轴流转桨式机组，集控站能通过遥调使调速器精准达到当前水头下的最优发电工况，能有效避开机组低效率发电区间。但针对部分特殊时段(市防洪办库区特殊运行方式、泄洪时)，因前池尾水变化导致机组水头变化大于0.5 m左右时，现地运维人员需及时对调速器水头进行修改，以达到调速器最优运行工况、高效利用水源多发多供的目的。

3.3 过军渡和三星水电站电水优化调度及效益

根据近5年对涪江上游来水短时超过机组额定流量次数统计(平均5次/a)，可算出在梯调集控站统筹调度下，通过电水优化调度每年可增加发电量(见表5)：

57.3×5=286.5万kW·h。

表5 过军渡和三星水电站单次腾库增发电量

3.4 4座水电站电水优化调度及经济运行效益合计

通过对龙凤和小白塔水电站机组经济运行及过军渡和三星水电站电水优化调度措施的落实，合计增加发电量及公司售电效益(按居民生活用电最低档电价计算)：

(319.2+286.5)×0.522 4元/kW·h=316.418万元。

4.1 过军渡和三星水电站机组开机组合方式

过军渡和三星水电站机组开度出力表及不同流量下参考开机组合方式如下所示(见表6)。

表6 过军渡和三星水电站机组开度出力

4.2 4座水电站不同流量下机组开停机顺序及组合运行方式

根据对各水电站机组协联曲线参数和各台机组相同水头下的实际出力效率情况收集分析，为保证让上游来水通过各水电站时高效发电，对4座水电站机组在不同流量下的开停机顺序及组合运行方式确定如下(见表7、表8)：

表7 不同流量下龙凤和小白塔水电站参考开机顺序及组合方式

表8 不同流量下过军渡和三星水电站参考开机顺序及组合方式

5.1 强化机组进水口清污

在汛期，集控站和现地运维人员需有效协同配合，加强对机组进水口拦污栅的清污工作。集控站运行人员需根据前池水位、水头和机组负荷变化情况对机组进水口拦污栅是否堵塞进行分析判断，督促现地值守人员检查核实进水口拦污栅堵塞情况，要求及时清污。同时，现地值守人员也需加强对拦污栅淤堵情况的定期检查，实时清污，确保机组各流道顺畅，保持机组高水头高效率运行。

5.2 汛期闸门调节过程中机组导叶开度和调速器水头的勤调整

各水电站在汛期闸门调整范围较大时，尾水高

程随着闸门开度的变化实时变化明显，对机组的出力影响较大。集控与现地运维人员需加强信息沟通和配合协调，现地运维人员需实时根据水头的变化对调速器运行水头和导叶开度进行调整，时刻保持机组在良好运行工况下满发满供。

5.3 避免机组长时间在低效区间运行

根据4座水电站各机组运行特性曲线，在额定水头附近，三星水电站机组在有功出力低于9 MW时效率将降至0.91及以下，过军渡水电站机组在有功出力低于10 MW时效率将降至0.93及以下，龙凤和小白塔水电站机组分别在有功出力低于1.8、0.8 MW时效率将降至0.90及以下，机组运行时应避免长时间在此低效率区运行。

通过对一定流域内电站的梯调集控，不仅解决了以往上下游电站水情信息不畅、腾库泄水、防洪度汛等工作各自为阵的诸多问题，还能充分发挥梯调集控站监控中枢和厂站调度的功能，为数据统计分析和水资源的高效利用提供有力保证。

虽然梯级水电站电水优化调度和机组经济运行受水情信息的准确性、洪调水调要求、河道安全运行和机组振动区间等因素影响较大，但随着各水电站智慧电厂建设，再借助科学手段对上游准确流量、不同流量流速、各站可调节库容等数据进行精确掌握，各水电站优化调度和经济运行工作将会越来越科学有效，梯级水电站效益最大化也将成为常态。