動態模擬法在山口電站增效擴容改造機組選型中的應用

杜 君，黃定波

(1.五大連池市山口湖開發建設中心，黑龍江 五大連池 164500；2.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510655)

1 概述

隨著計算機運算速度的提高，智能算法的進步和大數據處理能力的增強以及人工智能的發展，筆者在“點算法”的基礎上，開發了《水電站水能動態模擬設計軟件V1.0》(登記號：2014SR095764)并取得發明專利《水電站水能動態模擬算法》(專利號：2016106934930)。動態模擬法的意義以及數學模型文獻[2-3]已闡明，不再贅述。動態模擬法的過程是：① 掃描錄入水輪機轉輪綜合特性曲線(無需點繪)；② 神經網絡算法將綜合特性曲線映射到數據庫；③ 選擇決策變量X和目標參量Y；④ 導入水文過程數據庫值；⑤ 優化算法尋優；⑥ 比較選擇。

動態模擬法在國內得到較多的應用，就廣東而言，較典型的有東江水利樞紐和清遠水利樞紐(新建，徑流式)、孟洲壩水電站和紅橋水電站(增效擴容，徑流式)、云南金水河三級四級電站(廣東水電云南投資金平電力有限公司，新建，水庫電站)、花山水電站(增效擴容，水庫電站)。

動態模擬法除了在水能設計、水庫優化調度等方面有較好應用效果，也可以用來解決工程中相關的一些疑難問題，如廣東五華益塘水電站雙速凸極同步水輪發電機的轉速選擇[3]。

黑龍江省五大連池山口水電站增效擴容中，有兩種性能特別相近的轉輪型號難以比較優劣，最后用動態模擬法的計算成果，確定了轉輪型號。

2 山口水電站工程概況

山口水電站位于黑龍江省五大連池市東南部、嫩江一級支流訥謨爾河上游，壩址位于小興安嶺與松嫩平原接壤的五大連池市二龍山農場東20 km處，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧供水、發電、養魚、旅游等綜合利用的大Ⅱ型水利樞紐。壩址以上集水面積為3 745 km2，多年平均流量為24.35 m3/s，正常蓄水位為313.0 m。電站于1999年末并網發電，2臺裝機為13 MW的ZZ500-LH-310機組，額定水頭為20.5 m，額定流量為76.43 m3/s，額定轉速為214.3 rpm。2018年電站進行增效擴容改造。

3 增效擴容改造機組選型

經設計單位及水輪機制造廠等多方研究，山口電站擬擴容至2×15 MW，在滿足擴機出力及空化條件下，最終機組選型ZZA1101和ZZD471兩種轉輪(機組參數見表1所示)。

表1 機組參數

圖1 出庫流量過程曲線示意

圖2 水庫水位過程曲線示意

圖3 電站下游水位流量關系曲線示意

表2 各方案決策指標

由表1、2可看出，在直徑、轉速、安裝高程、比轉速一樣，制造成本相近的情況下，方案1與方案2相比：年平均發電量增加87.1萬kWh；電能加權效率高0.7%；但空化性能相對較差。由于電站已建成，此次改造的主要目標是增效擴容，水輪機實際吸出高度為-12.55 m，小于-11.06 m，滿足空化要求，因此，Y(1)=(2475.5，92.57，-11.06)是綜合最優解，即是滿意解。從圖4～5的運行工況分布看，方案1更多的工況落在效率91%以上區域內運行，而從表1所示額定工況效率看方案1卻不如方案2。顯然，按傳統的選型方法是無法分辨出方案1和方案2的上述差異的。該電站最終選擇方案1，于2018年7月改造完畢并網運行，運行的各項指標如穩定性、空化性能、發電量等都達到了預期效果。

圖4 方案1模擬運行工況分布示意

圖5 方案2模擬運行工況分布示意

4 結語

動態模擬法結合電站水頭流量的時間分布，從多個維度整體分析方案間的優劣，避免從單一額定工況點或者數量不充分的工況點分析選擇機型時導致的選型失誤。動態模擬法更加科學可靠，對水電站增效擴容改造機組選型有一定的實用價值。