張衛(wèi)國,鐘平安,陳 璇,戴 力,楊明明

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098)

水電是目前開發(fā)程度最高、技術(shù)相對(duì)成熟的清潔可再生能源[1-2]。水電的運(yùn)行效益不僅受到來水的隨機(jī)性、水量與水頭的利用方式、機(jī)組設(shè)備效率等多種因素的影響[3-4],而且取決于調(diào)度管理人員的技術(shù)水平。因此,建立合理有效的水電站調(diào)度工作考核方法有利于調(diào)動(dòng)電站調(diào)度人員的積極性,對(duì)進(jìn)一步挖掘水電站發(fā)電潛力具有重要意義。

目前,關(guān)于水電站運(yùn)行調(diào)度考核方法的研究已受到廣泛關(guān)注。主要研究成果集中在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立以及指標(biāo)的定量計(jì)算上[5-7],大多結(jié)合某個(gè)具體電站的特殊需求展開研究,造成現(xiàn)有的水電節(jié)能考核指標(biāo)種類繁多,各指標(biāo)對(duì)不同類型的水電站適用程度不同。

本文對(duì)現(xiàn)有的考核指標(biāo)進(jìn)行歸納、分類,并進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)述分析,提出推薦評(píng)價(jià)指標(biāo),并對(duì)該推薦指標(biāo)涉及的庫容差電量的計(jì)算方法進(jìn)行比較。

1 現(xiàn)有考核指標(biāo)分析評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)收集相關(guān)的考核指標(biāo),將國內(nèi)常用的考核指標(biāo)分成3種類型,即主觀型、客觀單因素型、客觀綜合型。所謂主觀型指標(biāo)是以上級(jí)主管部門制定的發(fā)電量任務(wù)為考核標(biāo)準(zhǔn),其中發(fā)電量任務(wù)的制定主觀性較強(qiáng);所謂客觀單因素型指標(biāo)是以某個(gè)可定量的指標(biāo)反映水電站在某單因素方面的運(yùn)行調(diào)度水平;客觀綜合型指標(biāo),是以某個(gè)可定量的指標(biāo)反映水電站的綜合運(yùn)行調(diào)度水平。目前常用考核指標(biāo)的比較分析見表1。

表1中主觀型指標(biāo)由于受來水不確定性影響,下達(dá)的計(jì)劃發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量無可比性,是所有考核指標(biāo)中最差的,應(yīng)當(dāng)盡量避免使用。

客觀單因素型指標(biāo)僅考慮了影響發(fā)電效益的某個(gè)因素,因而不具有廣泛適用性。只有針對(duì)不同電站的特性分析選用不同的指標(biāo),才能客觀評(píng)價(jià)調(diào)度水平,如水量利用率一般適用于調(diào)節(jié)性能較低的水電站。但單因素型指標(biāo)對(duì)于剖析水電站增加發(fā)電量的潛力,改進(jìn)運(yùn)行調(diào)度措施還是有指導(dǎo)意義的。

表1 現(xiàn)有常用考核指標(biāo)比較

客觀綜合型指標(biāo)包含了水量、水頭和機(jī)組效率三大主要因素,可以衡量水電站運(yùn)行調(diào)度的綜合水平。表1的2個(gè)綜合型指標(biāo)中,水能利用提高率反映了實(shí)際發(fā)電量偏離考核電量的程度,發(fā)電完成率反映了實(shí)際發(fā)電量接近理論最大發(fā)電量的程度,若將考核電量當(dāng)成下限,將理論最大發(fā)電量作為上限,則這2個(gè)指標(biāo)是互補(bǔ)的,評(píng)價(jià)結(jié)論應(yīng)該是一致的,但從復(fù)雜程度看,水能利用提高率相對(duì)簡單一些,本文推薦使用水能利用提高率作為首選評(píng)價(jià)指標(biāo)。水能利用提高率計(jì)算中涉及庫容差電量,下面就庫容差電量的計(jì)算方法進(jìn)行分析比較。

2 庫容差電量的計(jì)算

水能利用提高率的計(jì)算中,實(shí)際發(fā)電量可通過實(shí)際運(yùn)行資料統(tǒng)計(jì)得到,考核電量的計(jì)算是關(guān)鍵,一般t時(shí)段考核電量E考,t按式(1)計(jì)算:

式中:E計(jì),t為第t時(shí)段計(jì)算電量,可根據(jù)時(shí)段初水位按照水庫調(diào)度圖或調(diào)度規(guī)則,并考慮棄水期發(fā)電負(fù)荷率和棄水調(diào)峰等因素的影響計(jì)算;E庫,t為第t時(shí)段庫容差電量。

階段累積考核電量為

式中:T為階段的時(shí)段數(shù)。

E庫,t指時(shí)段內(nèi)計(jì)算與實(shí)際所用庫容差水量對(duì)應(yīng)的電量。由于不考慮實(shí)際水位的校正,在考核過程中計(jì)算與實(shí)際的各時(shí)段初、末水位通常都不一致(圖1),兩者利用的庫容差水量的差值為

式中:ΔVt為第t時(shí)段實(shí)際與計(jì)算所利用的庫容差水量;V實(shí)際,t,V實(shí)際,t+1分別為第t時(shí)段初、末的實(shí)際水庫蓄水量;V計(jì)算,t,V計(jì)算,t+1分別為第t時(shí)段初、末的計(jì)算水庫蓄水量。

如何較為合理地將 ΔVt轉(zhuǎn)化為E庫,t,目前尚無統(tǒng)一的計(jì)算方法,常用的主要有以下幾種[11-13]:

a.方法 1:按當(dāng)前時(shí)段的發(fā)電耗水率計(jì)算E庫,t。計(jì)算公式為

圖1 時(shí)段庫容差示意圖

式中:μt為當(dāng)前時(shí)段發(fā)電耗水率。

b.方法2:按當(dāng)前時(shí)段的平均水頭計(jì)算E庫,t。計(jì)算公式為

式中:K為綜合出力系數(shù);Ht為當(dāng)前時(shí)段平均毛水頭。

c.方法 3:按水庫的蓄能曲線計(jì)算E庫,t。首先,建立水位與累計(jì)電能的關(guān)系曲線(蓄能曲線)Z～E蓄;然后利用Z～E蓄求解,在實(shí)際計(jì)算中根據(jù)時(shí)段初、末的水位按式(6)計(jì)算E庫,t:

所以

式中:Z壩為水庫壩上水位;Z尾為發(fā)電尾水位。

可見,當(dāng)ΔZ→0且K,Z尾已知時(shí),蓄能曲線在Z壩處的斜率可由相應(yīng)水位下庫容曲線的斜率刻畫。所以,是否選用方法 3可以用庫容曲線的非線性程度判別。

在制作蓄能曲線時(shí),水位分級(jí)步長不宜過大,為了提高計(jì)算精度,考慮下游尾水位對(duì)蓄能的影響,對(duì)于下游水位變幅較大的水庫,可以尾水位為參數(shù)建立蓄能曲線簇。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 不同方法庫容差電量計(jì)算結(jié)果比較

某不完全年調(diào)節(jié)水電站,庫容系數(shù)為8%,裝機(jī)容量為11.5萬kW·h,4—7月為所處流域的汛期,水庫的庫容曲線、蓄能曲線簇如圖2、圖 3所示。圖 3中205.0m,207.5m,210.0m,212.5m,215.0m為發(fā)電尾水位。

圖2 水庫庫容曲線

圖3 水庫蓄能曲線簇

在圖2、圖3中取線性程度較好的A段(水位區(qū)間268.5～274.5m)和線性程度較差的B段(水位區(qū)間250.0～256.0m)。在A段中取1個(gè)計(jì)算時(shí)段,在B段中取2個(gè)計(jì)算時(shí)段(時(shí)段2和時(shí)段3),分別采用方法1和方法3計(jì)算時(shí)段庫容差電量,結(jié)果見表2。

表2 庫容差電量計(jì)算對(duì)比

由表2可見:①當(dāng)庫容曲線線性程度較高時(shí)(圖2中A段),利用方法1計(jì)算庫容差電量與利用方法3計(jì)算的結(jié)果十分接近,時(shí)段 1兩者僅相差0.03%;時(shí)段 3雖然位于庫容曲線非線性程度較高的B段,但由于水位變幅較小,時(shí)段內(nèi)水位變化的線性程度仍然較高,2種方法計(jì)算結(jié)果也僅差0.06%。②當(dāng)庫容曲線在時(shí)段內(nèi)非線性程度較高,且時(shí)段初末水位變幅較大時(shí),兩者的計(jì)算結(jié)果相差比較明顯,如時(shí)段2,兩者相差達(dá)1.21%。③由于方法1利用的是時(shí)段平均水頭,其庫容差電量計(jì)算結(jié)果總是比方法3的小。

所以,可以依據(jù)庫容曲線的非線性程度、時(shí)段初末水位變幅作為庫容差電量計(jì)算方法的選擇依據(jù):當(dāng)庫容曲線的非線性程度不高或時(shí)段初末水位變幅較小時(shí),2種方法計(jì)算結(jié)果相差不大,選擇方法 1計(jì)算庫容差電量相對(duì)比較容易;當(dāng)庫容曲線的非線性程度較高且時(shí)段初末水位變幅較大時(shí),采用方法3計(jì)算庫容差電量可以獲得較高的精度。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)劣比較

在表1中選擇考核指標(biāo),由于計(jì)劃發(fā)電量指標(biāo)主觀性較強(qiáng),不予考慮;計(jì)算可用水能利用率指標(biāo)所需的可用來水對(duì)應(yīng)的計(jì)算電量數(shù)據(jù)不易準(zhǔn)確度量,本文亦不予考慮;水能利用提高率和發(fā)電完成率2個(gè)互補(bǔ)性指標(biāo)只選擇水能利用提高率指標(biāo),以最新核定的能量指標(biāo)、水庫調(diào)度圖為依據(jù),庫容差電量采用方法3計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可見:①相對(duì)水量利用率指標(biāo) η相對(duì)比水量利用率指標(biāo)η更能客觀地反映水量利用水平。表中汛期(4—7月)η與來水或棄水的多少成反比,由于一般情況下棄水時(shí)水庫處于蓄滿狀態(tài)、出力為預(yù)想出力,所以 η的大小取決于來水的多少,并不能客觀反映汛期水量利用程度;而 η相對(duì)反映了實(shí)際運(yùn)行對(duì)計(jì)算條件的超越或背離,η相對(duì)的大小與來水的多少?zèng)]有必然聯(lián)系,客觀上能反映實(shí)際調(diào)度水平的高低。②相對(duì)發(fā)電耗水率指標(biāo) μ相對(duì)比發(fā)電耗水率指標(biāo)μ更合理。由于水庫的調(diào)蓄作用,汛期與供水期初期水位較高,供水期后期水位較低,汛期還可能來水太豐產(chǎn)生棄水影響發(fā)電水頭,水頭高,發(fā)電耗水率就低,所以 μ的大小不僅取決于調(diào)度水平的高低,還隱含水庫水位消漲的自然因素;而 μ相對(duì)中計(jì)算與實(shí)際的發(fā)電耗水率中都包含有水位消漲和汛期棄水等因素,其比值可以在一定程度上消除這部分的影響,從而更能準(zhǔn)確反映水庫調(diào)度的水平高低。③客觀綜合型指標(biāo)比客觀單因素型指標(biāo)適應(yīng)性強(qiáng)。一般而論,對(duì)于年調(diào)節(jié)以下水庫汛期水量利用(減少棄水)是主要矛盾,非汛期水頭利用(維持高水頭)是主要矛盾,表 3中 ξ考核結(jié)論在汛期與η相對(duì)的考核結(jié)論一致,在非汛期與 μ相對(duì)的結(jié)論一致,ξ集合了η相對(duì)和 μ相對(duì)的優(yōu)點(diǎn) 。

4 結(jié) 語

對(duì)現(xiàn)有的水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度考核指標(biāo)進(jìn)行歸納、分類,并進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)述分析,提出推薦評(píng)價(jià)指標(biāo),并對(duì)庫容差電量計(jì)算方法進(jìn)行比較,主要結(jié)論如下:①相對(duì)水量利用率和相對(duì)發(fā)電耗水率指標(biāo)比其相應(yīng)的絕對(duì)指標(biāo)更能反映調(diào)度水平的高低。綜合指標(biāo)水能利用提高率具有相對(duì)水量利用率和相對(duì)發(fā)電耗水率的優(yōu)點(diǎn),反映因素全面、數(shù)據(jù)易于獲取,可作為首選的考核指標(biāo)。②水能利用提高率計(jì)算中涉及的庫容差電量,當(dāng)庫容曲線的線性程度較高時(shí),可以直接采用當(dāng)前時(shí)段的發(fā)電耗水率計(jì)算;當(dāng)庫容曲線的非線性程度較高且時(shí)段初末水位變幅較大時(shí),采用以尾水位為參數(shù)的水庫蓄能曲線簇計(jì)算精度較高。

本文著重于發(fā)電效益的考核,而水庫綜合調(diào)度已經(jīng)成為當(dāng)前水庫調(diào)度研究與實(shí)踐的熱點(diǎn),如何統(tǒng)籌考核發(fā)電、防洪、生態(tài)等多目標(biāo)調(diào)度效益的方法是值得進(jìn)一步研究的問題。

表3 某水電站節(jié)能考核指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

:

[1]左東啟.水力發(fā)電與環(huán)境生態(tài)[J].水利水電科技進(jìn)展,2005,25(2):1-7.

[2]黃海田,閔毅梅.將低碳經(jīng)濟(jì)理念引入水利行業(yè)的探討[J].水利水電科技進(jìn)展,2011,31(3):43-46.

[3]鐘平安,唐林,張夢(mèng)然.水電站長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案風(fēng)險(xiǎn)分析研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2011,30(1):39-43.

[4]牛麗霞,管儀慶,葛捍東,等.生態(tài)環(huán)境需水量對(duì)芹山水電站發(fā)電效益的影響[J].水資源保護(hù),2011,27(2):29-33.

[5]張軍良,馬光文,陸濤.流域梯級(jí)水電站節(jié)能調(diào)度效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].華東電力,2009,37(5):812-815.

[6]張安標(biāo).飛來峽水電站考核電量及增加發(fā)電量的措施[J].水力發(fā)電,2007,33(1):80-82.

[7]劉招,黃強(qiáng),燕愛玲,等.公伯峽水電站節(jié)水增發(fā)考核方法研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,22(4):399-402.

[8]周稚亞,黃益芬.關(guān)于水電站水庫經(jīng)濟(jì)調(diào)度考核計(jì)算辦法的探討[J].水力發(fā)電,1981,7(11):43-47.

[9]吳東平.水電站運(yùn)行參數(shù)和考核指標(biāo)的改進(jìn)建議[J].水力發(fā)電,2001,27(2):46-47.

[10]曹廣晶,蔡治國.水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行考核評(píng)估理論方法及其改進(jìn)的初步研究[J].中國三峽建設(shè),2008(11):16-23.

[11]彭麗霞,于國良.應(yīng)用水能利用提高率對(duì)水電廠進(jìn)行考核管理的分析[J].黑龍江電力,2005,27(3):220-222.

[12]趙永生,趙遵廉.水電廠水能利用提高率考核問題探討[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào),2000,33(1):40-43.

[13]白小勇,冉本銀,李廣輝.黃河上游梯級(jí)水電站群節(jié)水增發(fā)電考核[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2007,31(1):25-28.