金盆水庫(kù)非汛期發(fā)電效益最優(yōu)應(yīng)采取的調(diào)度方案淺析

朱瑞榮

（西安水務(wù)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710061）

0 前言

黑河金盆水庫(kù)功能以西安城市供水為主，兼顧發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉、防汛。水庫(kù)正常蓄水位594.0m，總庫(kù)容2.0億m3，有效庫(kù)容1.77億m3。水庫(kù)流域多年平均徑流量6.67億m3[1]。水庫(kù)水量主要由汛期（每年6~10月）降雨補(bǔ)給，非汛期（每年11月至下一年5月）來(lái)水主要依靠地下水補(bǔ)給。水庫(kù)供水調(diào)度水流走向：庫(kù)水流經(jīng)水庫(kù)引水洞后，首先全部進(jìn)入發(fā)電支洞發(fā)電；然后流入一段露天引水渠道；在露天引水渠道末端水分流，一部分流入?yún)R流池為西安供水，另一部分流入黑河河道為農(nóng)業(yè)灌溉供水及生態(tài)供水。由此可見，發(fā)電流量是總流量，包括西安供水流量、農(nóng)灌供水流量及生態(tài)供水流量。黑河水電站位于水庫(kù)下游右岸，共有三臺(tái)機(jī)組，裝機(jī)容量分別為8000 kW、8000 kW、4000 kW[2]，發(fā)電所需總流量為 27m3/s。根據(jù)黑河水電站設(shè)計(jì)要求，庫(kù)水位561 m以下時(shí)，只有一臺(tái)小機(jī)組能夠發(fā)電；庫(kù)水位561~594 m時(shí)三臺(tái)機(jī)組雖均可發(fā)電，但不同水位下發(fā)電效率不同，發(fā)電量差異較大。在滿足西安城市供水前提下，如何通過(guò)調(diào)度計(jì)算和調(diào)度方案選擇實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率最優(yōu)，對(duì)于西安水務(wù)集團(tuán)經(jīng)濟(jì)效益提升，對(duì)于大西安發(fā)展提供必要的清潔電力能源，意義重大。

1 調(diào)度計(jì)算

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)黑河金盆水庫(kù)設(shè)計(jì)文件、陜西省防汛抗旱總指揮部批復(fù)文件等，結(jié)合水庫(kù)多年運(yùn)行實(shí)際，數(shù)據(jù)如下：

1.1.1 西安城市供水流量

根據(jù)近年來(lái)水庫(kù)西安城區(qū)原水供應(yīng)實(shí)際，取年供水平均流量10m3/s作為西安供水流量計(jì)算值。

1.1.2 農(nóng)業(yè)灌溉需水量

黑惠渠灌區(qū)管理站農(nóng)業(yè)灌溉用水由水庫(kù)供應(yīng)，根據(jù)其年度需水計(jì)劃，1月需水 128萬(wàn)m3，2月需水 511萬(wàn) m3，3月需水268 萬(wàn) m3，4 月需水 357 萬(wàn) m3，5 月需水 852 萬(wàn) m3，11 月需水318萬(wàn)m3[3]。各月供水時(shí)段一般要在5~15天內(nèi)完成，對(duì)應(yīng)農(nóng)業(yè)灌溉需水流量為：11 月 7.4~2.5 m3/s，1 月 3.0~1.0 m3/s，2 月11.8~3.9m3/s，3 月 6.2~2.1m3/s，4 月 8.3~2.8m3/s，5 月 19.7~6.6m3/s。

1.1.3 控制水位

一是汛期限制水位：水庫(kù)主汛期（7月至9月）限制水位591 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容17440萬(wàn)m3；次汛期（6月、10月）限制水位594m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容18760萬(wàn)m3[4]。二是實(shí)際死水位：目前實(shí)際死水位514.3m，對(duì)應(yīng)死庫(kù)容600萬(wàn)m3。

1.1.4 水庫(kù)各月?lián)p失水量

水庫(kù)各月?lián)p失水量主要是氣溫引起的蒸發(fā)水量和水庫(kù)滲漏水量。根據(jù)水庫(kù)設(shè)計(jì)水文報(bào)告，對(duì)比平水年（P=50%）、枯水年（P=75%）、特枯年（P=95%）各月水庫(kù)蒸發(fā)損失數(shù)值，取損失最大值（平水年，P=50%）作為蒸發(fā)計(jì)算值；取水庫(kù)總滲流量監(jiān)測(cè)最大值作為水庫(kù)滲漏計(jì)算值。各月?lián)p失水量分別為：1月33萬(wàn)m3，2月 35 萬(wàn) m3，3 月 42 萬(wàn) m3，4 月 45 萬(wàn) m3，5 月 77 萬(wàn) m3，11 月44萬(wàn) m3，12 月 39 萬(wàn) m3。1.1.5 汛前控制水位

汛前控制水位也就是5月底控制水位，根據(jù)水庫(kù)流域多年水文資料及水庫(kù)調(diào)度優(yōu)先滿足西安供水的原則，為保證在特枯年份西安安全供水，五月底水庫(kù)一般要有滿足西安兩個(gè)月供水的安全儲(chǔ)備。考慮6月、7月蒸發(fā)滲漏損失，經(jīng)計(jì)算，5月底庫(kù)容至少應(yīng)達(dá)到6084萬(wàn)m3，對(duì)應(yīng)汛前控制水位不低于554.6m。

1.2 月徑流量計(jì)算

根據(jù)近十年來(lái)水庫(kù)實(shí)測(cè)入庫(kù)流量，采用統(tǒng)計(jì)的方法剔除最大值、最小值后取平均值作為各月入庫(kù)流量計(jì)算值，再推求各月來(lái)水量，計(jì)算成果詳見表1。

表1 黑河水庫(kù)各月來(lái)水流量、總來(lái)水量計(jì)算表

1.3 各月月初控制水位計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，考慮各月?lián)p失水量，滿足西安供水、農(nóng)業(yè)灌溉用水前提下，各月月初最低控制水位計(jì)算成果詳見表2。

表2 黑河水庫(kù)各月月初控制水位計(jì)算表

1.4 發(fā)電效率(Ч)

根據(jù)黑河水電站多年運(yùn)行實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，大機(jī)組在庫(kù)水位594~561 m范圍內(nèi)滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)實(shí)際效率數(shù)據(jù)為83.0%~93.8%；小機(jī)組在庫(kù)水位594~550m范圍內(nèi)滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)實(shí)際效率數(shù)據(jù)為81.5%~94.0%[5]。

1.5 發(fā)電控制流量測(cè)算

根據(jù)水庫(kù)調(diào)度多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為充分利用水資源，農(nóng)灌用水調(diào)度最小流量為：11 月 11.3m3/s；12 月 10 m3/s；1 月 10.5 m3/s；2 月12m3/s；3 月11m3/s；4 月11.4m3/s；5月 11.7m3/s。用以上流量加上西安供水流量作為對(duì)應(yīng)月份水輪機(jī)控制流量下限值。

2 調(diào)度方案比選

根據(jù)多年水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水庫(kù)汛末(11月初)庫(kù)水位一般在汛限水位594~591m之間。調(diào)度方案比選的目的，就是在滿足西安供水足額平穩(wěn)的前提下，多發(fā)電，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益最大化。下面就按照11月初庫(kù)水位分別是591m（對(duì)應(yīng)庫(kù)容17440萬(wàn) m3）、592m（對(duì)應(yīng)庫(kù)容 17880 萬(wàn) m3）、593 m（對(duì)應(yīng)庫(kù)容 18320萬(wàn)m3）、594 m（對(duì)應(yīng)庫(kù)容18760萬(wàn)m3）幾種情況進(jìn)行調(diào)度計(jì)算和方案比選。

2.1 調(diào)度方案提出

發(fā)電量計(jì)算影響參數(shù)較多，為便于比較和計(jì)算，只對(duì)汛末各個(gè)水位下幾種情況下發(fā)電方案進(jìn)行計(jì)算和比較。

方案一：在對(duì)應(yīng)日期控制水位以上時(shí)，三臺(tái)機(jī)組盡可能的滿發(fā)或者盡可能讓更多的機(jī)組滿發(fā)，余下的流量部分發(fā)電；在對(duì)應(yīng)日期控制水位以下時(shí)，嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)日期控制流量來(lái)發(fā)電，也是盡可能多的機(jī)組滿發(fā)，剩余流量部分發(fā)電。當(dāng)然，561m以下時(shí)大機(jī)組停止發(fā)電，只能使用小機(jī)組發(fā)電。

方案二：在對(duì)應(yīng)日期控制水位以上時(shí)，兩臺(tái)大機(jī)組盡可能的滿發(fā)或者盡可能讓一臺(tái)大機(jī)組滿發(fā)，余下的流量讓另一臺(tái)大機(jī)組發(fā)電；在對(duì)應(yīng)日期控制水位以下時(shí)，嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)日期控制流量來(lái)發(fā)電，也是盡可能讓兩臺(tái)大機(jī)組滿發(fā)，或者一臺(tái)大機(jī)組滿發(fā)，剩余流量另一臺(tái)大機(jī)組部分發(fā)電。同樣，561m以下時(shí)大機(jī)組停止發(fā)電，只能使用小機(jī)組發(fā)電。

方案三：在對(duì)應(yīng)日期控制水位以上時(shí)，一臺(tái)大機(jī)組、一臺(tái)小機(jī)組盡可能的滿發(fā)或者盡可能讓一臺(tái)大機(jī)組滿發(fā)，余下的流量讓小機(jī)組發(fā)電；在對(duì)應(yīng)日期控制水位以下時(shí)，嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)日期控制流量來(lái)發(fā)電，也是盡可能讓一臺(tái)機(jī)組滿發(fā)，或者一臺(tái)機(jī)組滿發(fā)，剩余流量另一臺(tái)機(jī)組部分發(fā)電。同樣，561m以下時(shí)大機(jī)組停止發(fā)電，只能使用小機(jī)組發(fā)電。

2.2 發(fā)電量比較

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及實(shí)際測(cè)算，黑河水電站實(shí)際發(fā)電公式如下：

式中:Q為流經(jīng)水輪機(jī)的實(shí)際發(fā)電流量（m3/s）；H為水輪機(jī)水頭（m），用庫(kù)水位減去水輪機(jī)安裝高程514m以及1.5m水頭損失得到；Ч為實(shí)際發(fā)電效率（%）；T為實(shí)際發(fā)電時(shí)間（小時(shí)）。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，11月初庫(kù)水位591~594m時(shí)，11月1日至來(lái)年5月31日三個(gè)方案黑河水電站總發(fā)電量成果詳見表3。

表3 黑河水電站總發(fā)電量計(jì)算成果表

2.3 調(diào)度方案比選結(jié)果

從以上計(jì)算可以分析出，汛末591m水位時(shí)方案三最優(yōu)，汛末592m水位時(shí)方案二最優(yōu)，汛末593m水位時(shí)方案一最優(yōu)，汛末594m水位時(shí)方案一最優(yōu)。

3 結(jié)論

黑河金盆水庫(kù)運(yùn)行十余年來(lái)，因?yàn)樗畮?kù)的功能是以西安城市供水為主的，關(guān)于如何提高發(fā)電效益方面的研究工作做得相對(duì)不足。隨著水庫(kù)企業(yè)化運(yùn)作要求的加強(qiáng)，如何提質(zhì)增效就顯得非常重要。隨著汛末庫(kù)水位的升高，黑河水電站充分利用的水能越多，可發(fā)電量越多。汛末591m水位時(shí)方案三最優(yōu)，汛末592m水位時(shí)方案二最優(yōu)，汛末593m水位時(shí)方案一最優(yōu)，汛末594m水位時(shí)方案一最優(yōu)。采取不同的調(diào)度方案，可以讓同樣的水資源流經(jīng)黑河水電站時(shí)每年產(chǎn)生500至2000萬(wàn)度電能的效益差距，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)水庫(kù)效益最大化具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]水利部陜西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.西安市黑河金盆水利樞紐工程設(shè)計(jì)工作報(bào)告[R].2002.

[2]西安市黑河供水工程管理局.黑河金盆水庫(kù)試運(yùn)行報(bào)告[M].2009.

[3]周至縣黑惠渠灌區(qū)管理站.2016年農(nóng)灌用水函[Z].2016.

[4]陜西省防汛抗旱指揮部.黑河金盆水庫(kù)度汛計(jì)劃批復(fù)[Z].2016.

[5]西安水務(wù)集團(tuán)黑河水力發(fā)電公司.黑河電站2003-2011年運(yùn)行報(bào)告[M].2012.