緊水灘水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

劉國富，樓其祿，陳海榮

（國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

緊水灘水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

劉國富，樓其祿，陳海榮

（國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

通過分析緊水灘水電站機(jī)組特性曲線，應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃法提出各機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行組合，實現(xiàn)機(jī)組安全高效運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

水電站；動態(tài)規(guī)劃法；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

0 引言

水電站機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行主要是充分發(fā)揮其性能，最大限度地利用水資源，創(chuàng)造出一系列的綜合經(jīng)濟(jì)效益。水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的任務(wù)是在負(fù)荷一定的情況下，以耗水最小為優(yōu)化準(zhǔn)則；或在水量一定的條件下，以發(fā)電量最大為優(yōu)化準(zhǔn)則，尋求機(jī)組最優(yōu)臺數(shù)組合和機(jī)組間負(fù)荷最優(yōu)分配。水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是水電廠調(diào)度的重要內(nèi)容,它不僅是電力系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的基礎(chǔ),而且是提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的重要措施之一[1]。水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行主要通過廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和長期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行實施。而廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行即實時調(diào)度，主要任務(wù)是將每個小時分配到的負(fù)荷分配到各個機(jī)組，并根據(jù)負(fù)荷因素的實時變化，調(diào)整各機(jī)組出力配置，實現(xiàn)實時控制，保證水輪機(jī)組在高效區(qū)運(yùn)行。

1 動態(tài)規(guī)劃法

動態(tài)規(guī)劃法作為運(yùn)籌學(xué)的一個分支，是一種用以求解決策過程最優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法。美國數(shù)學(xué)家貝爾曼等人在研究多階段決策過程的優(yōu)化問題時，提出了非常著名的最優(yōu)化原理。他們把多階段過程轉(zhuǎn)化為一串單階段問題，再利用各階段之間的關(guān)系，逐個進(jìn)行求解，由此便創(chuàng)立了解決這類過程優(yōu)化問題的新方法一動態(tài)規(guī)劃法。

在解決多階段決策問題中，各個階段釆取的決策一般來說是與時間有關(guān)的，決策即依賴于當(dāng)前狀態(tài)，又引起狀態(tài)的變化轉(zhuǎn)移，一個決策序列就是在不斷變化的狀態(tài)中產(chǎn)生出來的，故有“動態(tài)”的含義，而這種方法被稱為動態(tài)規(guī)劃方法。在面對水輪機(jī)組最優(yōu)配置的選擇問題時，正是一種多階段決策問題。

尋找水電站水輪機(jī)組最優(yōu)化組合方案，所要找尋到的決策對象為，每一臺水輪機(jī)組，在滿足給定條件下，所分配到的負(fù)荷量，以實現(xiàn)最大發(fā)電量或者最小耗水量。水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的機(jī)組負(fù)荷分配問題，實質(zhì)上是空間最優(yōu)化問題，裝機(jī)n臺機(jī)組的電站，其機(jī)組間負(fù)荷分配構(gòu)成了n階段決策問題。固定機(jī)組編號，每臺機(jī)組就可視為一個階段，如果各階段決策即機(jī)組出力是最優(yōu)的，那么由這些決策所構(gòu)成的策略即為最優(yōu)策略，也就是我們說的電站最優(yōu)運(yùn)行方式。這樣便使得尋求水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案的問題變成了一個多決策過程的最優(yōu)化問題。可以按如下思路把水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題化為動態(tài)規(guī)劃問題。

階段的確定：假設(shè)我們的水電站有n臺機(jī)組，則我們將動態(tài)規(guī)劃遞推過程分為n個階段，每個階段由i表示，i=1,2,3,…,n；每個階段有i臺機(jī)組出力。

狀態(tài)變量：第i階段由i臺機(jī)組所發(fā)出的有功負(fù)荷，用Pi表示；

決策變量：第i階段，第i臺機(jī)組出力Ni；

狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：

目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件為：

式中：——第i-1階段，i-1臺機(jī)組出力為Pi-1時的流量最優(yōu)值；

Qimin、Qimax——第i臺機(jī)組允許流量的上下限；

Nimin、Nimax——第i臺機(jī)組允許出力的上下限；

N——該時段所有機(jī)組規(guī)定的出力總和。

2 電站概況

緊水灘水電站是浙江省甌江流域大溪上的一座梯級電站，是浙江省電力系統(tǒng)主力調(diào)峰水電廠，電站以220 kV和110 kV電壓接入浙江電網(wǎng)，主要擔(dān)負(fù)浙江省電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、進(jìn)相及事故備用等任務(wù)，為浙江電網(wǎng)的安全供電發(fā)揮了重要作用，并且在電網(wǎng)AGC自動發(fā)電運(yùn)行中擔(dān)當(dāng)主力。緊水灘水電站總裝機(jī)容量300 MW（6臺×50 MW），水輪機(jī)型號為HL220-LJ-300，發(fā)電機(jī)型號為SF-K50-30/6400，機(jī)組先后于1987-1988年投產(chǎn)[2]。

由于緊水灘HL220-LJ-300水輪機(jī)存在著雙水力振動區(qū)這一設(shè)計缺陷，使其高效運(yùn)行范圍受到限制，而隨著自動發(fā)電控制系統(tǒng)投運(yùn)后，又加劇了機(jī)組振動，嚴(yán)重威脅電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此，緊水灘電站經(jīng)過前期調(diào)研、試驗、專家論證以及報批，并取得有關(guān)部門的批準(zhǔn)，啟動緊水灘水電站機(jī)組增容改造工程，對機(jī)組轉(zhuǎn)輪進(jìn)行換型改造，以解決水輪機(jī)組穩(wěn)定性問題，并提高機(jī)組額定出力10%，分別對1號、2號、5號、6號機(jī)組進(jìn)行改造，增容改造內(nèi)容包括轉(zhuǎn)輪更換、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)部件更換、接力器更換、發(fā)電機(jī)定子鐵心更換、定子線棒更換及相關(guān)配套電氣設(shè)備更換等。

3 水輪機(jī)數(shù)學(xué)模型建立

緊水灘電站總裝機(jī)容量為300 MW，有三種不同水輪機(jī)型號共6臺機(jī)組，具體參數(shù)如表1：

表1緊水灘電站水輪機(jī)信息

（1）首先需要得到由水輪機(jī)廠家提供的轉(zhuǎn)特性曲線（H-P）和（H-Q）。

（2）在（Hmin，Hmax）區(qū)間內(nèi)將運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的 H軸分為若干等份，每一個點做一條平行于P軸的直線。

（3）該直線與等效率線 η=f（P，H）有若干個交點，摘錄對應(yīng)的效率、出力、水頭數(shù)據(jù)。

（4）利用N=9.81ηQH公式，計算對應(yīng)的機(jī)組流量。

（5）將該直線與等效率線的每一個交點上的Q值都計算出來，便得到在該水頭下，出力P與流量Q的離散數(shù)學(xué)關(guān)系Q=Q（P）。

（6）用最小二乘法，選冪函數(shù)為擬合基函數(shù)，對離散關(guān)系進(jìn)行擬合，得到該水頭下的流量特性函數(shù)，即 Q=Qc（Pc）。

（7）用同樣的方法對另外兩類水輪機(jī)進(jìn)行擬合，得到水電站的水輪機(jī)組的綜合數(shù)學(xué)模型，即：

其中：

Q（P）為在滿足總出力情況下的總耗水量。

利用編程語言建立6臺水輪機(jī)的數(shù)學(xué)模型函數(shù)。要求在滿足給定P的前提下，合理分配PA1、PA2、PA3、PB1、PB2、PC的值，以使得 Q（P）最小，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最高的目的。

通過各水輪機(jī)特性曲線分析，在同一水頭下，緊水灘2、6號機(jī)耗水量最小，效率最高，1號機(jī)次之，5號機(jī)再次之，3、4號機(jī)耗水量最大。因此，從效率最優(yōu)條件考慮，機(jī)組發(fā)電時應(yīng)先開2、6號機(jī)，再開1號機(jī)、5號機(jī)，最后開3、4號機(jī)。

4 動態(tài)規(guī)劃法應(yīng)用

4.1 動態(tài)規(guī)劃法計算

緊水灘電站共有6臺水輪機(jī)，則選擇為六個階段。

以A1為第一階段，計算在其出力范圍（30～55MW）內(nèi)各個點的最優(yōu)值；以A1與A2共同出力為第二階段，計算在其出力范圍（30～110MW）內(nèi)各個點的最優(yōu)值；以A1、A2與A3同時出力為第三階段，計算在其出力范圍（30～165 MW）內(nèi)各個點的最優(yōu)值：以此類推，計算至第六階段各個點最優(yōu)值,各出力條件下機(jī)組最優(yōu)出力分配見表2。

表2各出力條件下機(jī)組最優(yōu)出力分配 單位：MW

從表2的優(yōu)化計算結(jié)果看出，符合水輪機(jī)特性曲線分析結(jié)論，即先開啟2、6號發(fā)電機(jī)組，再開1號和5號機(jī)組，最后才開3、4號發(fā)電機(jī)組。

4.2 優(yōu)化組合結(jié)果

當(dāng)N=100 MW，水位為180 m時，優(yōu)化組合結(jié)果見表3：N=100 MW優(yōu)化配置結(jié)果。

表3 N=100MW優(yōu)化配置結(jié)果

當(dāng)N=300 MW，水位為180 m時，優(yōu)化組合結(jié)果見表4：N=300 MW優(yōu)化配置結(jié)果。

表4 N=300MW優(yōu)化配置結(jié)果

4.3 優(yōu)化效益分析

根據(jù)水電站的發(fā)電運(yùn)行方案及各發(fā)電機(jī)組實際出力安排，計算實際發(fā)電流量。按該原則下的流量損耗如表5水電站實際發(fā)電出力安排所示：

表5水電站實際發(fā)電出力安排

通過使用優(yōu)化百分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析：

其中：

Qc表示水電站常用方案耗水量；

Qt表示優(yōu)化后方案耗水量；

OPT越大，表示方案越好，經(jīng)濟(jì)性越強(qiáng)。

5 結(jié)語

通過對電站水輪機(jī)特性曲線分析和動態(tài)規(guī)劃法應(yīng)用，提出機(jī)組開機(jī)組合及開機(jī)次序，并對機(jī)組發(fā)電出力進(jìn)行優(yōu)化分配，提高水電站的經(jīng)濟(jì)效益，特別在機(jī)組未滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，合理安排高效率機(jī)組在高效發(fā)電區(qū)間運(yùn)行，電站發(fā)電效益提高明顯。當(dāng)水電站發(fā)電機(jī)組較多，且需要更精確分析時，該方法可能出現(xiàn)維數(shù)災(zāi)，應(yīng)盡量避免[3]。

[1]胡軍富.烏溪江水電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析[J].小水電,2011,160（4）:149-151.

[2]浙江省甌江緊水灘水電站運(yùn)行設(shè)計報告[R].電力工業(yè)部華東勘測設(shè)計研究院，1980.

[3]向凌,周建中，楊敬濤.一種消除動態(tài)規(guī)劃法中維數(shù)災(zāi)的新方法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2004（6）:76-78.

F407

A

1672-5387（2017）11-0056-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.021

2017-08-25

劉國富（1977-），男，高級工程師，從事水電站水庫調(diào)度及水調(diào)自動化管理。