以最優(yōu)耗水量為目標(biāo)的徑流式水電站廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化

馮亮 李好敏

四川涼山水洛河電力開(kāi)發(fā)有限公司 四川成都 610000

水電站在同樣的水頭下，導(dǎo)葉開(kāi)度不同耗水率也不完全相同，當(dāng)負(fù)荷一定的時(shí)候，控制最優(yōu)開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，合理分配機(jī)組負(fù)荷，保持機(jī)組運(yùn)行在高效率區(qū)，以達(dá)到較為經(jīng)濟(jì)、優(yōu)化的運(yùn)行結(jié)果[1]。

1 優(yōu)化過(guò)程設(shè)計(jì)

1.1 確定機(jī)組啟停順序

同型號(hào)、同容量的水輪發(fā)電機(jī)組，因工廠制造環(huán)境工況不會(huì)完全相同、現(xiàn)場(chǎng)人員安裝調(diào)試存在差異、引水管布置結(jié)構(gòu)位置不同或運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短不同，其效率也不盡相同，尤其是大型機(jī)組效率相差很小的數(shù)值，就會(huì)引起較大的經(jīng)濟(jì)效益差。如單機(jī)10萬(wàn)kW的水輪發(fā)電機(jī)，效率提高1%，按年運(yùn)行4000h計(jì)算，則每年就可多發(fā)電400萬(wàn)kW.h。因此首先研究廠內(nèi)工作機(jī)組的最優(yōu)臺(tái)數(shù)、組合及啟停次序。固滴電站枯水期來(lái)水最低負(fù)荷約17MW，故耗水量從最低負(fù)荷17MW開(kāi)始統(tǒng)計(jì)。

（1）利用機(jī)組超聲波流量?jī)x測(cè)定各機(jī)組在不同負(fù)荷發(fā)電流量如下表1：

表1 各機(jī)組在不同負(fù)荷發(fā)電流量（單位：MW、m3/s）：

（2）根據(jù)各機(jī)組在不同負(fù)荷發(fā)電流量計(jì)算耗水率如表2。

表2 各機(jī)組在不同負(fù)荷發(fā)電流量計(jì)算耗水率（單位：m3/KWS）

（3）各機(jī)組在不同負(fù)荷發(fā)電流量計(jì)算耗水率折線圖如圖1。

圖1 各機(jī)組在不同負(fù)荷發(fā)電流量計(jì)算耗水率

根據(jù)耗水量折線圖可以得出：①固滴電站#2發(fā)電機(jī)耗水率整體較#1、#3發(fā)電機(jī)低，單機(jī)運(yùn)行應(yīng)優(yōu)先開(kāi)啟#2發(fā)電機(jī)；②在17～28MW負(fù)荷段，固滴電站#3發(fā)電機(jī)耗水率較#1發(fā)電機(jī)低，46～64MW負(fù)荷段應(yīng)優(yōu)先開(kāi)啟#1，#2發(fā)電機(jī)，且盡量讓兩臺(tái)機(jī)組在28～38MW負(fù)荷段運(yùn)行，降低耗水率；③在28～38MW負(fù)荷段，固滴電站#1、#3發(fā)電機(jī)耗水率相差不大，此段#1、#3發(fā)電機(jī)可以根據(jù)需要開(kāi)啟或停運(yùn)；④在38～46MW負(fù)荷段，固滴電站#1發(fā)電機(jī)耗水率較#3發(fā)電機(jī)低，84～92MW負(fù)荷段應(yīng)優(yōu)先開(kāi)啟#2，#3發(fā)電機(jī)。

1.2 確定機(jī)組間負(fù)荷分配

針對(duì)水電站廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化分配問(wèn)題，其主要任務(wù)是:機(jī)組間負(fù)荷的最優(yōu)分配，廠內(nèi)最優(yōu)運(yùn)行方式的制定和實(shí)施等。其優(yōu)化準(zhǔn)則可表達(dá)為在電站總負(fù)荷一定的前提下，并根據(jù)該出力值合理確定在各機(jī)組間的最優(yōu)分配，以使電站總流量最小，尋求水電站總負(fù)荷為N時(shí)的最優(yōu)總發(fā)電流量[2]。

1.2.1 建立數(shù)學(xué)模型

本項(xiàng)目主要研究空間最優(yōu)，不考慮機(jī)組啟停所造成的附加損失。以水洛河固滴電站為例，對(duì)某時(shí)段，當(dāng)給定總負(fù)荷為N時(shí)，建立廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化分配數(shù)學(xué)模型。

其目標(biāo)函數(shù)為：

式中，M為電站工作機(jī)組的總臺(tái)數(shù)；i為電站機(jī)組編號(hào)；Ni、Hi、Qi分別為第i臺(tái)機(jī)組所分配的負(fù)荷（MW）、凈水頭（m）及發(fā)電引用流量（m3/s）。

其約束條件有：

式中，N為電站的總負(fù)荷（MW）。

1.2.2 確定求解算法

針對(duì)水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型的求解，常用的方法有等微增率法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、逐步優(yōu)化法以及各種智能優(yōu)化算法。

一般情況下，水電站機(jī)組的布置并非簡(jiǎn)單獨(dú)立的并列形式，而是聯(lián)合供水或分組供水，各個(gè)機(jī)組之間的關(guān)系不是相互獨(dú)立的。引水管道單獨(dú)連接一臺(tái)機(jī)組時(shí)，這種單元供水情況可采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法計(jì)算求得優(yōu)化結(jié)果，但針對(duì)水洛河固滴電站特性，水流通過(guò)分叉管輸入多臺(tái)機(jī)組，這種聯(lián)合供水情況下通過(guò)每臺(tái)機(jī)組的流量不僅與其本身的出力值有關(guān)，還與其他機(jī)組負(fù)荷變化情況有關(guān)[3]，采用單純的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法無(wú)法直接求得優(yōu)化結(jié)果，故該項(xiàng)目采用雙層逐步優(yōu)化算法求解。該算法的主要思想是將模型分層，上層模型以引水管道（即工作單元）k為階段變量，狀態(tài)變量為單元發(fā)電機(jī)組所承擔(dān)的總負(fù)荷N，決策變量為工作單元的引用流量；下層模型以機(jī)組i為階段變量，狀態(tài)變量為機(jī)組所承擔(dān)的負(fù)荷Ni，決策變量為機(jī)組的引用流量，每層模型采用逐步優(yōu)化算法進(jìn)行負(fù)荷優(yōu)化分配，得到廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的總體最優(yōu)解[4]。

1.2.3 求解數(shù)學(xué)模型

水洛河各站廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化分配是在水洛河梯級(jí)電站聯(lián)合優(yōu)化發(fā)電調(diào)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，分配至電站的總負(fù)荷N已知，故總體模型的求解可視為求解下層模型，將廠內(nèi)總負(fù)荷平均分配到該電站的每個(gè)機(jī)組，作為下層模型的初始方案，將某個(gè)工作單元中的多臺(tái)機(jī)組尋求流量最小的負(fù)荷優(yōu)化分配問(wèn)題轉(zhuǎn)換成二臺(tái)機(jī)組的子問(wèn)題，通過(guò)逐步優(yōu)化算法進(jìn)行迭代計(jì)算，直至下層模型二次迭代結(jié)果滿足收斂精度為止。

計(jì)算出固滴電站廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化分配結(jié)果，使得給定總負(fù)荷在廠內(nèi)并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)之間取得經(jīng)濟(jì)合理的分配。選取10個(gè)負(fù)荷段運(yùn)行資料，其優(yōu)化分配結(jié)果如表3。

表3 固滴電站廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化分配結(jié)果

2 實(shí)施效果

根據(jù)既定優(yōu)化準(zhǔn)則，在電站出力、機(jī)組出力和發(fā)電流量等約束和邊界條件下，計(jì)算出固滴電站以最優(yōu)耗水量為目標(biāo)的徑流式水電站廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化結(jié)果，使得給定負(fù)荷在各并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)之間取得經(jīng)濟(jì)合理的分配。同時(shí)，通過(guò)對(duì)固滴電站廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化分配前后的耗水量科學(xué)計(jì)算與對(duì)比分析，確定了固滴電站廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化分配的主攻方向是在少開(kāi)機(jī)組的前提下均分負(fù)荷[5]。

將優(yōu)化成果與固滴電站2019年枯平期實(shí)際運(yùn)行情況相比，此優(yōu)化分配成果的運(yùn)用降低耗水率0.76%，發(fā)電量增加106萬(wàn)千瓦時(shí)。水電站負(fù)荷如何取得經(jīng)濟(jì)合理的分配，是一個(gè)能有效降低水電站耗水率、提高經(jīng)濟(jì)效益的途徑。此優(yōu)化分配的研究成果，在實(shí)際生產(chǎn)中有效指導(dǎo)生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度，也進(jìn)一步助力電站精益化管理。如表4所示：

表4 固滴電站廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化分配效益計(jì)算

3 結(jié)語(yǔ)

廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化分配從最優(yōu)耗水量為目標(biāo)出發(fā)，追求廠內(nèi)負(fù)荷分配最優(yōu)，在實(shí)際應(yīng)用中提高了電站的水量利用率，充分實(shí)現(xiàn)了對(duì)水洛河固滴電站水能資源的高效利用，通過(guò)優(yōu)化分配徑流式水電站廠內(nèi)負(fù)荷，可以達(dá)到降低耗水率，增加發(fā)電量的目的。當(dāng)枯平期流域來(lái)水不足滿發(fā)時(shí)，在保證安全運(yùn)行的前提下，采用此流域站廠內(nèi)負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)分配，使水洛河流域梯級(jí)電站在梯級(jí)電站間優(yōu)化發(fā)電調(diào)度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各站廠內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化分配，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。在一定程度上減少了火電等一次性能源的發(fā)電量和電力生產(chǎn)對(duì)一次性能源的消耗，緩解了日益緊張的能源壓力。