水電站短期經(jīng)濟運行技術(shù)研究

易 瑞 吉

(國電科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都　610000)

水電站短期經(jīng)濟運行技術(shù)研究

易 瑞 吉

(國電科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都610000)

摘要：通過對水電站運行環(huán)境進行分析，建立了水電站經(jīng)濟運行模型，確定了約束條件，明確了水電站進行經(jīng)濟運行所必備的條件，在不降低水庫防洪安全的前提下，增加了水電站的發(fā)電效益，并通過具體的實例分析，證明了水電站經(jīng)濟運行的可行性。

關(guān)鍵詞：水電站；經(jīng)濟運行；研究

水電站經(jīng)濟運行是從電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟發(fā)供電的目標出發(fā)，制定出水電站的最優(yōu)運行方式，以一定的水電能源獲取水電站最大的發(fā)電量。2008 年金融危機以來，世界經(jīng)濟深度調(diào)整，我國也在加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展的方式。宏觀經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及環(huán)保方面的壓力必然會導(dǎo)致電力市場結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的調(diào)整，向清潔、高效、安全、可持續(xù)的方向發(fā)展。因此，充分發(fā)揮水電清潔、可再生能源的屬性，最大限度地利用水能資源、發(fā)揮水電效益，實現(xiàn)節(jié)能減排、能源資源可持續(xù)利用具有重大意義。

水電站運行過程中受外部環(huán)境因素制約較大，入庫徑流、水庫綜合利用、自身管理水平以及電力系統(tǒng)調(diào)度等均影響水電站最優(yōu)效益的發(fā)揮。[1]在實際運行中，水電站的運行策略較為保守，指導(dǎo)思想為嚴防各種小概率事件，以不變應(yīng)萬變，但是，在確保安全的同時，勢必會造成不必要的棄水，客觀上浪費了水電站投資。如何在兼顧安全的前提下，以科學(xué)的方法指導(dǎo)水電站運行，開展水電站優(yōu)化調(diào)度工作，充分挖掘水庫的潛力、提高水電站水庫的運行管理水平，對增加水電站的收入，實現(xiàn)“工程水利”向“資源水利”轉(zhuǎn)變具有重要的現(xiàn)實意義。

1水電站經(jīng)濟運行模型[2]

1.1經(jīng)濟運行目標

在現(xiàn)有考核體系下，水電站在社會公益方面的效益往往因為難以計量而被忽略，評價水電站的收益主要取決于發(fā)電收益，即發(fā)電量最大。考慮在一定周期范圍內(nèi)水電站調(diào)度目標函數(shù)E為：

maxE=∫lN(t)dt

(1)

N(t)=KQ(t)H(t)

(2)

式中N(t) 為水電站第t時段的出力；K為第t時段的出力系數(shù)；Q(t)為第t時段的發(fā)電流量；H(t)為第t時段的平均發(fā)電水頭；l為水電站單場次洪水預(yù)見期。

由式(1)、(2)可以得出：短期調(diào)度過程中，電站的發(fā)電量取決于時段平均水頭的大小和預(yù)見期的長短。水頭越高、預(yù)見期越長，則時段發(fā)電量越大。同時，水頭的抬高也與預(yù)見期相關(guān)，預(yù)見期越長，則可利用的水量就越大，相應(yīng)的水庫運行水位就越高。由此可見，水電站短期運行目標的實現(xiàn)關(guān)鍵在于預(yù)見期的提高。

1.2邊界控制條件

水電站在運行過程中還應(yīng)兼顧各方面的效益因素，不能夠一味的追求發(fā)電效益而盲目抬高運行水位，否則將帶來嚴重的防汛危險以及淤積問題。因此，為了更好地指導(dǎo)水庫運行、規(guī)避運行風(fēng)險，水電站在制定運行規(guī)則時均取外包線，即各種不利情況相遇時。此種方式利于操作，但也犧牲了一部分發(fā)電收益。

①水量平衡約束。

V(t)=V(t-1)+(Qin(t)-Qout(t)

-EP(t) )Δt

(3)

式中V(t)表示水庫第t時段初庫容；Qin(t)表示第t時段水庫入庫流量；Qout(t)表示第t時段水庫平均出庫流量；EP(t) 表示t時段水庫蒸發(fā)、滲漏損失。

②水庫水位約束。

ZL(t)≤Z(t)≤ZU(t)

(4)

ZU(t)= Z限+f((Qout(t)-Qin(t) )l)

(5)

式中ZL(t)為水庫第t時段允許的最小蓄水位，原則上取原設(shè)計汛限水位。若考慮泥沙調(diào)度以及預(yù)泄騰空庫容，則其低于原設(shè)計汛限水位；ZU(t)為水庫允許的最大蓄水位，取允許汛限水位的上限 ；Z限為該時段內(nèi)水庫的限制運行水位；f(v)為水位庫容曲線。

③下泄流量限制。

QL(t)≤Qout(t)≤QU(t)

(6)

式中QL(t))為第t時段下泄流量，由下游生態(tài)、灌溉、供水或航運要求決定；QU(t)為下泄流量上限，受下游區(qū)間來水、防洪控制斷面行洪要求以及水庫泄流方式影響。

④電站出力限制。

PL(t)≤N(t)≤PU(t)

(7)

式中N(t)為第t時段出力；PL(t)為電站第t時段出力下限；PU(t)為水電站第t時段出力上限，由機組額定出力、振動區(qū)及系統(tǒng)調(diào)度要求等確定。

上述優(yōu)化過程屬于一個多維優(yōu)化決策過程，可以通過計算取得最優(yōu)解。

2水電站經(jīng)濟運行的必要條件

2.1水庫應(yīng)具有一定的調(diào)節(jié)能力

水電站經(jīng)濟運行的關(guān)鍵在于運行水頭H的抬高和發(fā)電水量的增加，因此，水庫必須具備一定的調(diào)節(jié)庫容，用以洪水入庫前抬高運行水位以及洪峰過后容納尾洪資源，以達到增發(fā)電量的目的。換言之，水庫調(diào)節(jié)能力越強，則經(jīng)濟運行空間越大，反之則沒有經(jīng)濟運行的可能。[3]

2.2水庫應(yīng)建有完善的水情測報系統(tǒng)

流域內(nèi)從降雨落地到形成徑流入庫需要一定的時間，水電站可以通過建設(shè)功能完善的水情測報系統(tǒng)，第一時間獲取流域內(nèi)的水雨情信息，然后開展洪水預(yù)報作業(yè)，可以有效計算出入庫洪水等級，依據(jù)即將入庫的洪水等級選擇相應(yīng)的運行策略。在洪峰過后，依據(jù)上游降雨信息適時關(guān)閘攔蓄尾洪，達到洪水資源化的目的。遙測站點的布設(shè)應(yīng)覆蓋控制流域重要暴雨區(qū)以及下游防洪控制區(qū)，主要支流控制斷面應(yīng)設(shè)有水位控制站，同時，多泥沙河流應(yīng)設(shè)有出入庫泥沙監(jiān)測設(shè)施。

2.3水工建筑物應(yīng)處于健康狀態(tài)

水電站水工建筑物的健康水平是經(jīng)濟運行的前提。抬高運行水頭的同時，意味著改變了水工建筑物的設(shè)計運行狀態(tài)。電站應(yīng)加強樞紐建筑物的安全監(jiān)測工作，確保工程質(zhì)量良好，避免其帶病運行，尤其是泄洪系統(tǒng)，應(yīng)確保其100%處于健康狀態(tài)。必要時還應(yīng)論證高水頭運行條件下樞紐區(qū)邊坡穩(wěn)定情況、泄洪設(shè)施消能情況以及大壩穩(wěn)定狀態(tài)等相關(guān)影響安全的因素。

2.4行洪管理體系

水電站短期經(jīng)濟運行期間，必然改變原有控泄方式，電站的下泄方式將由固定下泄改為湊泄或錯峰下泄，因此，應(yīng)對下游河道的行洪能力進行充分論證，聯(lián)合地方防汛部門，針對下游重點防汛目標加強泄洪預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，防止人造洪水造成破壞的情形發(fā)生。

2.5決策指揮體系

大中型水庫為了防洪安全，設(shè)計標準一般較高，在實際運行過程中不是每次都能夠遭遇小概率洪水事件，故如何準確的預(yù)報洪水等級，研判水庫運行風(fēng)險，選擇相應(yīng)的策略成為水庫經(jīng)濟運行的關(guān)鍵，因此，非工程措施與工程措施具有同等重要的作用。電站應(yīng)具備完善的組織機構(gòu)、合理的應(yīng)急預(yù)案、熟練的專業(yè)人員及暢通的通訊體系等。在一次洪水的優(yōu)化調(diào)度過程中，時間就是效益，決策時間的長短直接關(guān)系到電站效益，即整個指揮體系從水雨情研判、洪水預(yù)報作業(yè)、制定洪水調(diào)度方案、下達泄洪指令直至選擇關(guān)閘攔蓄時機等應(yīng)準確及時。

3工程實例

某水電站是一座以灌溉和供水為主，兼有防洪、發(fā)電、環(huán)境保護和旅游等綜合效益的一等大(I)型水利工程，下游有大型灌區(qū)和大型城市。水庫正常蓄水位高程877 m，死水位高程817 m，汛限水位高程850 m，總庫容11.12億m3，正常水位庫容為9.98億 m3，具有不完全年調(diào)節(jié)功能。該水電站原有運行方式采用固定汛限水位方式，即不考慮上游水雨情變化情況，汛期保持水位在汛限水位，當(dāng)洪水入庫時，依據(jù)壩前水位作為水庫調(diào)度的惟一依據(jù)，在洪峰過壩后，將庫水位迅速恢復(fù)至汛限水位。實際運行過程中，該水庫往往是洪水入庫前期棄水較多，平水期無水可用，既未能有效發(fā)揮水庫的防洪作用，同時還造成了汛末蓄滿困難。為解決防汛與發(fā)電的矛盾，通過采取經(jīng)濟運行方式，適時抬高運行水位，取得了良好的經(jīng)濟效益。

表1　某電站年度運行統(tǒng)計表

由表1中的數(shù)據(jù)可見，2013年較2010年徑流總量少了近14億m3，運行水位高了3.21 m，耗水率少了0.13 m3/kW·h，發(fā)電量多了0.42億kW·h。

由圖1、2可以看到，在年度運行過程中，2010年的運行策略較為保守，汛期運行水位較為平穩(wěn)，處在汛限水位附近；2013年有兩次明顯的優(yōu)化調(diào)度過程，在汛末來水偏枯的形勢下，依然取得了良好的效益。

圖1　2010年日發(fā)電量與水位運行示意圖

4結(jié)語

經(jīng)濟運行方式是對目前水位控制方式的修改和完善，無論是豐水年、平水年、枯水年，都能使水電站科學(xué)、合理地運行。[4]實踐表明：在充分調(diào)動水電站現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上，通過科學(xué)的調(diào)度，在不降低防洪標準的前提下，尋求水電站更大效益的發(fā)揮是可行的。

圖2　2013年日發(fā)電量與水位運行示意圖

參考文獻 ：

[1]周佳，馬光文，黃煒斌，等.流域梯級水電站經(jīng)濟運行效益評價體系研究[J].水電能源科學(xué)，2011,29(5)：145-147.

[2]周妍來，郭生練，劉德地，等.三峽梯級與清江梯級水庫群中小洪水實時動態(tài)調(diào)度[J].水力發(fā)電學(xué)報，2013,32(3)：20-26.

[3]陳桂亞，郭生練.水庫汛期中小洪水動態(tài)調(diào)度方法與實踐[J].水力發(fā)電學(xué)報，2012,31(4)：22-27.

[4]張秀斌，張雷，李繼功，姜桂雙.白山水電站經(jīng)濟運行研究[J].東北水利水電，2006,24(261)：37-38.

易瑞吉(1981-)，男，黑龍江鶴崗人，工程師，碩士，從事水電站水工建筑物技術(shù)監(jiān)督、水電站經(jīng)濟運行、水庫防洪管理及水庫調(diào)度工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2014-12-11

文章編號:1001-2184(2015)03-0074-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV62；TV697；TV736

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