基于超聲波測流的機組NHQ曲線率定

陳 鵬，唐杰陽，余 平，王 貴(雅礱江流域水電開發有限公司集控中心，成都 610051)

水輪發電機組NHQ曲線精度直接影響梯級水電站優化運行結果及水庫實時水務計算。本文以雅礱江干流下游梯級水庫系統為例，分析機組NHQ曲線偏差產生的原因及對梯級水庫調度的影響，提出通過超聲波測流獲取機組NHQ曲線的方法消除機組NHQ曲線偏差，提高流域經濟運行水平。

1 雅礱江流域下游梯級電站及優化運行現狀

1.1 梯級水庫特點

雅礱江干流卡拉至江口為流域下游河段，河道長約412 km，天然落差930 m，可開發裝機容量1 470萬kW，規劃“兩庫五級”開發，自上而下依次為錦西(已投產)、錦東(已投產)、官地(已投產)、二灘(已投產)、桐子林(未投產)，各電站特征參數如表1所示。由表可知該梯級水庫系統中錦西為龍頭水庫，具有年調節能力，二灘具有季調節能力，錦東、官地、桐子林僅具有日調節能力。此外，錦西與錦東為“一廠兩站”開發方式，兩水庫采用“首尾連接”布局，即在靠近錦西壩址下游處建有錦東攔河閘壩，該壩攔蓄錦西出庫水流形成錦東水庫，庫區內通過長約16.67 km的引水隧洞將干流河道“截彎取直”，獲取約310 m水頭供錦東機組發電。因錦西、錦東兩庫“首尾連接”且區間無支流入庫，故區間流量可忽略不計。同時錦東引水隧洞“截彎取直”橫穿錦屏山，使得雅礱江干流約150 km的錦屏大河灣成為減水河段，為降低對生態環境的影響，錦東需向減水河段泄放指定的生態流量。

1.2 梯級水庫運行現狀

雅礱江干流下游梯級電站采用中長期優化與短期優化相結合的運行模式[1]。中長期優化調度方案依據流域徑流預測，龍頭水庫以棄水流量最小、蓄能最高為目標，調節性能差的水庫保持高水位運行等規則制定。短期優化則以中長期優化成果為依據，結合近期水情預測，在滿足電網安全、穩定運行需求及電站運行安全的前提下，以盡量減少棄水、提高水能利用率為目標制定，其制定流程如圖1所示。梯級電站中錦西、錦東、官地屬國調直調廠站，經其審核下發的發電計劃一般情況下需嚴格執行，因此短期優化調度制定上報的發電計劃直接決定流域經濟運行水平。顯然，在滿足錦屏大河灣生態需求前提下錦東生態流量越低則流域經濟運行水平越高，而該生態流量的精確調控與機組NHQ曲線精度直接相關。

表1 雅礱江流域下游梯級電站特征參數

圖1 雅礱江流域梯級水電系統短期優化運行流程

2 機組NHQ曲線獲取方法與精度分析

2.1 機組NHQ曲線獲取流程

水位-庫容曲線、閘門泄流曲線、機組NHQ曲線是水電站調度的三種基本曲線，機組NHQ曲線典型獲取流程如圖2所示。首先由水輪機制造廠商提供凈水頭下水輪機預期運轉特性曲線，由發電機制造廠商提供預期發電機效率。然后由式(1)[2]計算引水發電系統的沿程水頭損失和局部水頭損失。再根據機組出力及發電機效率計算水輪機出力；結合水頭損失及水輪機凈水頭下運轉特性曲線獲取毛水頭下機組過機流量；進行插值計算獲取全水頭、全出力下機組過機流量，形成毛水頭下機組NHQ曲線；最后將毛水頭下機組NHQ曲線導入水調自動化系統用于梯級水庫優化調度與水庫水務計算。

圖2 機組NHQ曲線典型獲取流程

(1)

式中：hf為沿程水頭損失,m；C為謝才系數；L為管道長度,m；V為水流速度,m/s；R為水力半徑,m；n為壁面粗糙度；hm為局部水頭損失,m；ξ為局部水頭損失系數。

2.2 機組NHQ曲線偏差與梯級水庫調度

由于水輪機廠商提供的凈水頭水輪機預期運轉特性曲線及發電機廠商提供的預期發電機效率不可能與真機完全一致，引水發電系統水頭損失計算不可避免地存在誤差，從而導致機組毛水頭下NHQ曲線存在偏差。常規梯級水庫調度計算經驗表明可通過區間入庫平衡該曲線偏差，錦西、錦東兩庫“首尾連接”，區間入庫為零，故無法平衡此偏差，該偏差對梯級水庫經濟運行帶來的負面影響如下：

流域枯期無棄水時由錦西機組NHQ曲線確定的下泄流量與錦東機組NHQ曲線及庫容曲線確定的入庫流量不匹配，不符合兩庫“首尾連接”實際。目前，水調自動化系統水務計算采用置信錦東機組NHQ曲線、反算錦西發電流量的方式處理，具體計算公式為式(2)[3]：

(2)

式中：Qrd為錦東入庫流量，m3/s；ΔVd為Δt內錦東水庫蓄變量，m3/s；Qfd為錦東發電流量，m3/s；Qsd為錦東生態流量，m3/s；Qfx為錦西發電流量，m3/s。

由錦東機組NHQ曲線查詢發電流量，結合生態流量及庫容曲線通過式(2)水量平衡獲取錦東入庫流量和錦西發電流量。此流量與上述錦西機組NHQ曲線查詢的發電流量存在偏差，對比某日錦西小時發電水量反算值與機組NHQ曲線查詢值如表2所示。由表可知反算值較查詢值偏大，均值偏差約7.73萬m3，對應流量約為21.5 m3/s，二者存在偏差表明兩站機組NHQ曲線存在偏差，無法自洽。

表2 錦西小時發電水量反算值與NHQ曲線查詢值對比表 萬m3

由于兩站機組NHQ曲線存在偏差，從而導致短期優化調度計算中錦東生態流量預想控制值與實際運行值出現偏差，且開機臺數越多偏差越明顯。實際運行中考慮錦東調節庫容小、裝機容量大等特點，為避免錦東水庫拉空，制定計劃時錦東生態流量往往還需考慮一定裕度，使得生態流量運行值進一步偏大，從而降低流域經濟運行水平。以日均流量偏大20 m3/s，耗水率1.3 m3/kWh計，每天錦東少發電約132.9萬kWh，按上網電價0.3元/kWh計算，每天損失約39.87萬元。

3 基于超聲波測流的機組NHQ曲線率定

3.1 超聲波測流原理及其動態特性

超聲波測流具有測量范圍寬、精度高且幾乎不受溫度、壓力、黏度、密度等因素的影響，已廣泛用于水輪發電機組過機流量測量[4]。常見超聲測流工作原理有時差法、多普勒法等，通過不同層面的超聲波探頭，檢測不同液體面的介質流速，進而得到流體的瞬時流量。以時差法為例，上下游兩個換能器組成一對極，上游換能器發出順流超聲波，測量到達下游換能器的時間T1，下游換能器接收到上游所發超聲波后發逆流超聲波，測量到達上游換能器的時間T2，由時間差(T2-T1)可計算出該層平均流速。理想工況下僅用一對換能器即可準確測量流體流速，對于水輪機大管徑、紊流工況，一般采用多通道進行測量[5-8]。

錦西、錦東、官地采用德爾塔多聲道超聲波系統，該系統由換能器、同軸射頻電纜、德爾塔波主機組成，具有很高的測量精度和良好的動態特性[9]。以錦東4號機減負荷停機為例，負荷調整過程中機組功率、導葉開度、超聲測流量如圖3所示。由圖可知，超聲波測流波形與導葉開度和機組功率變化趨勢基本一致，動態滯后時間及精度均滿足機組NHQ曲線率定要求。

圖3 錦東4號機減負荷期間機組功率、導葉開度、過機流量曲線

3.2 機組NHQ曲線率定

選取合適的毛水頭間隔，對機組進行給定毛水頭下的全出力負荷調整，記錄出力和流量數據，形成給定水頭下的機組NHQ曲線。其他水頭和功率下的過機流量則通過插值獲取。表3為錦東4號機313.8 m毛水頭下的部分率定數據，該數據圖形顯示如圖4所示，紅色曲線為率前該水頭下過機流量曲線，藍色曲線為基于超聲波測流數據率后的過機流量曲線，顯然率前曲線數據較率后數據普遍偏大。偏大原因除前文分析的水輪機預期運轉特性曲線偏差、引水發電系統水頭損失計算值誤差等因素外，考慮錦西、錦東兩庫“首尾相連”布局，為避免錦東水庫拉空風險，故將錦東NHQ曲線按適度放大考慮，由此導致的多余流量以錦東生態流量的形式下泄。因此錦東生態流量往往偏離調控計算預想控制值且開機臺數越多越明顯，與實際運行規律相符。

圖4 錦東4號機313.8 m毛水頭下率定前后過機流量對比圖

表3 錦東4號機313.8 m毛水頭下率定前后過機流量偏差表

4 率定后機組NHQ曲線運用案例

以率定后的機組NHQ曲線重現了某日梯級水庫實際運行情況，錦西、錦東聯合運行方式及率定前后機組NHQ曲線流量查詢值如表4所示。該方式下根據錦東率前流量按式(2)進行錦東水量平衡反算錦西發電流量為819.30 m3/s，與錦西率前機組NHQ查詢值782.78 m3/s相差約36.52 m3/s；而采用率后流量進行錦東水量平衡反算錦西發電流量為789.27 m3/s，與率后錦西機組NHQ查詢值791.35 m3/s相差2.08 m3/s，相差甚小。重現結果表明由于超聲波測流精度高，能如實反應機組真實過機流量，采用率后機組NHQ數據不僅能使錦東水庫流量平衡反算錦西發電流量與錦西機組NHQ曲線查詢值基本一致，而且錦東生態流量控制值也與日計劃制定申報計算中的預期控制值相差無幾。

表4 錦西、錦東聯合運行重現案例

綜上所述，利用超聲測流率定的機組NHQ曲線可以很好地解決兩庫“首尾連接”梯級水庫系統水務計算流量自洽性問題以及錦東生態流量控制精度問題，可有效提高流域經濟運行水平。

5 結 語

機組NHQ曲線作為梯級水庫優化運行基礎曲線，其精確程度直接影響優化運行效果和水庫實時水務計算。常規梯級水庫系統機組NHQ曲線偏差可通過區間入庫流量實現流域水量平衡，但對于存在兩庫“首尾連接”、區間實際入庫為0的梯級水庫系統，機組NHQ曲線偏差不但造成水庫水務計算結果不能自洽，而且也不利于生態流量的精確控制。本文以雅礱江下游梯級水庫為例，采用超聲波測流對機組NHQ曲線進行率定，結果表明率定后機組NHQ曲線能如實反應機組過機流量實際，可實現錦東生態流量的精確控制，提高流域經濟運行水平。

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