石泉水電站增容發(fā)電量分析

洪　華

(大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西省石泉縣　725200)

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石泉水電站增容發(fā)電量分析

洪華

(大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西省石泉縣725200)

摘要：石泉水電站經(jīng)過40多年運(yùn)行，入庫徑流、有效庫容、徑流資料序列、水庫的調(diào)節(jié)能力、防洪要求及環(huán)境因素都發(fā)生了變化，電站原設(shè)計(jì)電量已不能作為評判水庫效能的指標(biāo)依據(jù)；加之機(jī)組老化嚴(yán)重，亟需增容改造，所以對其能量指標(biāo)復(fù)核十分必要。對石泉水電站機(jī)組增容改造后，提高了水量利用率，增加了發(fā)電量，獲取了經(jīng)濟(jì)效率。

關(guān)鍵詞：石泉水電站；增容；多年平均發(fā)電量；能量復(fù)核

0前言

石泉水電站目前裝機(jī)容量22.5萬kW(5×4.5萬kW，混流式水力發(fā)電機(jī)組)，由兩期工程組成。一期工程裝機(jī)容量13.5萬kW(3×4.5萬kW)，于1971年開工， 1975年7月全部3臺機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，設(shè)計(jì)水量利用率65%，設(shè)計(jì)年發(fā)電量6.34億kWh，1995年復(fù)核設(shè)計(jì)年發(fā)電量6.06億kWh。二期工程裝機(jī)容量9萬kW(2×4.5萬kW)，1998年開工，2000年11月2臺機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.75億kWh。

一期工程機(jī)組已運(yùn)行40 a，機(jī)組已到使用壽命期,出現(xiàn)水輪機(jī)磨蝕和漏水嚴(yán)重、機(jī)組效率較低、發(fā)電機(jī)絕緣老化、定子鐵芯嚴(yán)重變形以及定子繞組已出現(xiàn)老化等問題。上述機(jī)組存在的主要問題給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響，加之受到當(dāng)年設(shè)計(jì)水平、設(shè)備材料和加工工藝的限制，設(shè)備缺陷較多，潛藏的安全隱患較大，危及到電站和機(jī)組的安全。鑒于上述實(shí)際存在的問題，應(yīng)利用當(dāng)代技術(shù)，通過重新設(shè)計(jì)和制造，將已運(yùn)行40 a的老機(jī)組更換為具有當(dāng)今水平的新機(jī)組，以重新建立整機(jī)的機(jī)械和電氣性能，消除機(jī)組長期運(yùn)行帶來的安全隱患，確保機(jī)組能長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，目前初步的設(shè)計(jì)結(jié)論是一期工程通過設(shè)備更換單機(jī)容量可達(dá)到5萬kW。

石泉水庫經(jīng)過40 a運(yùn)行，目前庫容系數(shù)1.7%，調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重降低，基本是日調(diào)節(jié)水庫；二期工程投運(yùn)后，多年平均發(fā)電量6.45億kWh(2001—2013年)，與設(shè)計(jì)年發(fā)電量7.81(6.06+1.75)億kWh相差甚遠(yuǎn)，所以復(fù)核設(shè)計(jì)發(fā)電量很有必要。

1分析方法

水電站出力N計(jì)算的基本公式：

N=9.81 ηQH

(1)

式中：Q為通過水輪機(jī)的流量，m3/s；H為水電站凈水頭，m；η為水電站效率，等于水輪機(jī)效率、發(fā)電機(jī)效率和機(jī)組傳動效率的積；9.81η又稱機(jī)組出力系數(shù)K。

水電站在不同時(shí)段的出力，因電網(wǎng)負(fù)荷的變化、庫容情況、入庫流量變化而不斷變動。所以，水電站在[t1～t2]時(shí)段內(nèi)的發(fā)電量E：

(2)

由于機(jī)組出力的不連續(xù)性，在實(shí)際應(yīng)用中一般用式(3)(差分法)計(jì)算水電站的發(fā)電量：

(3)

式中：Np為水電站某一時(shí)段的平均出力，Np=KQpHp；Qp為該時(shí)段的平均發(fā)電流量；Hp為相應(yīng)時(shí)段的平均水頭。

約束條件如下：

(1) 各時(shí)段水量平衡約束

(4)

式中：Vt+1為t時(shí)段末庫容；Vt為t時(shí)段初庫容；Qt為t時(shí)段入庫流量平均值；qt為t時(shí)段出庫流量平均值，包括發(fā)電流量和棄水流量。

(2) 庫容約束

(5)

式中：Vx為水庫在t時(shí)段的下限約束值；Vs為水庫的上限約束值。

(3) 水庫泄流能力約束

水庫下泄流量qt受水庫泄洪建筑物最大泄流能力Gt制約，即：

(6)

(4) 出力約束

(7)

式中：Nx為水電站出力的下限值，為系統(tǒng)所要求的最低出力；Ns為水電站出力的上限值，為預(yù)想出力或裝機(jī)容量。

(5) 水電站水頭約束

(8)

式中：Hx為水電站允許最小水頭；Hs為水電站允許最大水頭。

(6) 還有水庫調(diào)度約束和水庫調(diào)度規(guī)則約束[1-2]。

2發(fā)電量復(fù)核計(jì)算

2.1水文序列

資料序列：本次多年平均設(shè)計(jì)發(fā)電量計(jì)算采用全部水文系列(1954—2013年)及代表典型年日平均徑流資料分別計(jì)算。典型年至少采用豐、平、枯各兩年共6 a(或更多)的資料，分別按照保證率為10%、50%、90%；20%、50%、80%選定典型年。

石泉水庫建壩前壩址處設(shè)有石泉水文站，建壩后的水文資料由水電站觀測和整理，水文系列為1954—2013年(缺1973—1975年流量數(shù)據(jù)資料)。石泉水庫屬于峽谷型河道水庫，建庫前后蒸發(fā)量相差不大，庫盆由透水微弱的花崗巖類及變質(zhì)巖類構(gòu)成，周圍為高山峻嶺，地形閉合，分水嶺高厚，庫水無大的永久滲漏問題。因此，在計(jì)算年平均發(fā)電量時(shí)，不再額外扣除蒸發(fā)滲漏損失，直接采用1954—2013年長系列數(shù)據(jù)進(jìn)行多年徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。具體多年平均發(fā)電量復(fù)核計(jì)算時(shí)段選擇是：長系列旬平均徑流調(diào)節(jié)和典型年日徑流(豐、平、枯；保證率分別為10%、50%、90%；20%、50%、80%)調(diào)節(jié)2種算法進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。

2.2石泉水電站運(yùn)行情況

石泉水電站一期工程于1975年全部3臺機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，二期工程于2000年并網(wǎng)運(yùn)行。至2013年共發(fā)電228.06億kWh，其中一期工程單獨(dú)運(yùn)行(1975—2000年)時(shí)發(fā)電144.67億kWh，平均年發(fā)電量5.55億kWh；全部二期5臺機(jī)運(yùn)行(2001—2013年)時(shí)發(fā)電83.80億kWh，平均年發(fā)電量6.45億kWh。

石泉水庫1954—1972年多年平均入庫流量為343.2 m3/s，而1954—2013年(缺1973—1975年)多年平均入庫流量為301.8 m3/s。顯然，徑流系列加長后，多年平均入庫流量降低到原設(shè)計(jì)徑流系列入庫流量的88%，徑流序列更具代表性。

2.3發(fā)電量復(fù)核計(jì)算

按以上方法，依據(jù)長系列旬平均徑流調(diào)節(jié)和典型年日徑流調(diào)節(jié)2種算法分別對石泉水電站原5臺機(jī)組、裝機(jī)容量22.5萬kW和考慮增容后裝機(jī)容量24萬kW進(jìn)行年發(fā)電量計(jì)算。成果見表1～3(出力系數(shù)依據(jù)實(shí)際運(yùn)行資料分析整理后，按8.35、8.4和8.5分別計(jì)算年發(fā)電量)。

表1　　　　石泉水電站不同水文資料年平均發(fā)電量計(jì)算結(jié)果對

表2　　　　石泉水電站不同水文資料年平均發(fā)電量計(jì)算結(jié)果對

表3　　　　石泉水電站不同水文資料年平均發(fā)電量計(jì)算結(jié)果對

3復(fù)核結(jié)果分析

3.1電站實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

(1) 出力系數(shù)

徑流調(diào)節(jié)電量計(jì)算的一個(gè)重要參數(shù)為電站出力系數(shù)K值，葉秉如[3]建議中型電站K一般取8.0；黃強(qiáng)[4]建議中型水電站(N=50～300 MW)，取K=8.0～8.5；待機(jī)組選定時(shí)，再合理分析計(jì)算，并作出修正。

1995年水利部南京水文水資源研究所在對石泉水電站能量復(fù)核時(shí),根據(jù)資料分析出K值為8.31。

根據(jù)《石泉二期工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，對石泉水電站1974—1990年運(yùn)行資料中的1987—1990年4 a逐日運(yùn)行資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，求得電廠在毛水頭下的綜合出力系數(shù)為8.41[5]。

根據(jù)石泉水電站提供的1976—2013年共38 a電站實(shí)際運(yùn)行月平均出力、發(fā)電引用流量、水頭等資料，推求電站多年平均出力系數(shù)為8.48。

本次復(fù)核綜合考慮電站以往的統(tǒng)計(jì)資料、設(shè)計(jì)規(guī)范以及石泉水電站實(shí)際運(yùn)行情況等多種因素，電量復(fù)核計(jì)算成果按電站出力系數(shù)K取值為8.4。同時(shí)為了進(jìn)一步分析電站出力系數(shù)對多年平均發(fā)電量結(jié)果的影響，分別將K值取為8.35和8.5進(jìn)行對比分析，成果可比性強(qiáng)。

(2) 水量利用率

根據(jù)長系列時(shí)歷法的計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)1954—2013年多年平均電站棄水量為23.20億m3，多年平均來水量為93.89億m3，裝機(jī)5×45 MW水量利用率為75.3%；1—3號機(jī)更換后裝機(jī)容量為3×50 MW+2×45 MW時(shí)，統(tǒng)計(jì)1954—2013年多年平均電站棄水量為22.5億m3，多年平均入庫徑流量為93.89億m3，石泉水庫的水量利用率為76.0%。

電站原設(shè)計(jì)水量利用率65%，在不斷的優(yōu)化調(diào)度，節(jié)水增發(fā)，實(shí)施主汛期動態(tài)控制提高水量利用率的情況下，統(tǒng)計(jì)1976—1998年3臺機(jī)時(shí)實(shí)際水能利用率為61%；2001—2014年5臺機(jī)的水量利用率74.3%。

3.2不同資料序列及不同裝機(jī)容量下的結(jié)果分析

1954—1972年水文資料：根據(jù)徑流系列1954—1972年水文資料，按石泉技術(shù)報(bào)告徑流調(diào)節(jié)水庫調(diào)度圖計(jì)算，電站裝機(jī)規(guī)模為5×45 MW時(shí)，年平均發(fā)電量為7.620億kWh；電站裝機(jī)規(guī)模為3×50 MW+2×45 MW時(shí)，年平均發(fā)電量為7.776億kWh。

1954—2013年水文資料：根據(jù)徑流系列1954—2013年水文資料，按漢江石泉水電站技術(shù)報(bào)告徑流調(diào)節(jié)水庫調(diào)度圖計(jì)算，電站裝機(jī)規(guī)模為5×45 MW時(shí)，年平均發(fā)電量為6.845億kWh；電站裝機(jī)規(guī)模為3×50 MW+2×45 MW時(shí)，年平均發(fā)電量為6.976億kWh。

采用典型年日徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法，電站裝機(jī)容量為240 MW(2×45 MW+3×50 MW)時(shí)，電站年加權(quán)平均發(fā)電量約為億6.381億kWh。裝機(jī)容量為225 MW(5×45 MW)時(shí)，年平均發(fā)電量為6.276億kWh。見表4。

表4　豐、平、枯典型年發(fā)電量(K=8.4)表　/億kWh

從復(fù)核結(jié)果可以看出，隨著資料序列的延長，徑流量呈逐年減少趨勢，平均發(fā)電量隨之減少；典型年計(jì)結(jié)果比長系列資料計(jì)算結(jié)果有所減少，但與電站實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果接近。長系列采用旬流量計(jì)算，計(jì)算時(shí)段長，雖可滿足要求，但均化了入庫流量使棄水減少導(dǎo)致計(jì)算電量偏大，與其它水電站的結(jié)論基本相同[6-8]。

3.3增容改造后的電量結(jié)果分析

從3.2節(jié)的結(jié)果可以看出，采用典型年日徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法，增容后年平均發(fā)電量與增容前相比可以增加約0.105億kWh，采用長系列時(shí)歷法計(jì)算增容后年平均發(fā)電量與增容前相比可以增加0.131億kWh，基本接近。1～3號更換后，電站因減小機(jī)組停機(jī)漏水而增加的年平均發(fā)電量約為0.069 6億kWh，同時(shí)消除了舊機(jī)組由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片變形而導(dǎo)致效率降低可多獲得電量效益為0.020 5億kWh，水輪發(fā)電機(jī)組加權(quán)平均效率初估可增加約3.0%～3.5%左右，發(fā)電量增加值為0.1232～0.143 8億kWh；根據(jù)石泉水電站檢修和改造的原始記錄，統(tǒng)計(jì)1976—2013年1～3號機(jī)組在汛期相應(yīng)檢修時(shí)段的停運(yùn)電量效益約為0.027 8億kWh。在不考慮1～3號機(jī)組存在安全隱患可能帶來電量損失，僅從機(jī)組更換容量增加，效能提高方面考慮，石泉水電站1～3號更換后增加的電量效益合計(jì)為0.372 1億kWh。

3.4存在的問題

從計(jì)算結(jié)果看，應(yīng)用1954—2013年的長系列水文資料計(jì)算及典型年計(jì)算方法復(fù)核的電量指標(biāo)與實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都較接近。典型年電量小,是水庫調(diào)節(jié)能力接近實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)；長系列的電量大，屬旬序列調(diào)節(jié)計(jì)算，提高了水能利用率。

水量利用率與實(shí)際比較偏大。水量利用率原設(shè)計(jì)值65%，實(shí)際統(tǒng)計(jì)1976—1998年3臺機(jī)時(shí)水能利用率61%；按2001—2014年的實(shí)際水量利用率為74.3%(不考慮水能利用提高率增大的增發(fā)情況僅為71%),實(shí)際運(yùn)行中通過優(yōu)化調(diào)度，節(jié)水增發(fā)，實(shí)施主汛期動態(tài)控制提高水量利用率,復(fù)核時(shí)按實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算會出現(xiàn)水量利用率提高，綜合出力系數(shù)增大。

裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)偏大。根據(jù)石泉電站的實(shí)際運(yùn)行資料統(tǒng)計(jì)，1975—2000年電站裝機(jī)容量為135 MW，實(shí)際年利用小時(shí)數(shù)為4 110 h，而復(fù)核為4 692 h， 2001—2014年電站裝機(jī)容量為225 MW，實(shí)際年平均利用小時(shí)數(shù)僅2 670 h(剔出汛限水位動態(tài)控制增發(fā)因素)，本次復(fù)核電站裝機(jī)容量為225 MW，年利用小時(shí)數(shù)3 043 h，高于實(shí)際統(tǒng)計(jì)值。

4結(jié)論

石泉水電站機(jī)組增容改造后，水量利用率提高，平均年發(fā)電量增加5.3%，因此從提高石泉水電站的水能利用效率上看，進(jìn)行機(jī)組增容改造也是十分必要的。長系列水文資料計(jì)算的多年平均發(fā)電量比較真實(shí)地反映電站發(fā)電效益情況，即水文系列愈長計(jì)算的結(jié)果愈接近真實(shí)值，推薦采用1954—2013年長系列水文資料對電站不同裝機(jī)容量下的指標(biāo)復(fù)核結(jié)果。經(jīng)過40多年運(yùn)行，電站相應(yīng)的特征指標(biāo)發(fā)生了變化，對石泉水電站能量指標(biāo)進(jìn)行復(fù)核是必要的，希望復(fù)核的結(jié)果能為指導(dǎo)水電站運(yùn)行提供幫助，加速機(jī)組增容改造進(jìn)程，以充分利用水資源，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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Analysis on Power Generation after Extension, Shiquan Hydropower Plant

HONG Hua

(Datang Shiquan Hydropower Plant, Shiquan County, Shaanxi725200,China)

Abstract:Through over 40-year operation, inflow runoff, effective storage capacity, runoff data series, reservoir regulating capacity, flood control requirement and environmental factors of the hydropower plant all are changed. The original design power generation cannot be applied as an indicator to evaluate the reservoir efficiency. Furthermore, the hydropower plant needs to be updated and extended with the serious aging of the plant equipment. Therefore, it is necessary to recheck the energy indicator. After the plant extension, water utilization is improved, the power generation is increased and the economic benefit is obtained.

Key words:Shiquan Hydropower Plant; capacity extension; average carryover power generation; energy recheck

中圖分類號：TV74

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.017

作者簡介：洪華(1975- )，女，陜西省安康市人，工程師，主要從事水資源、水能及水庫調(diào)度管理工作.

收稿日期：2015-07-07

文章編號：1006—2610(2016)01—0064—04