摘要：我们通过1999年至2013年电站发电数据统计，从水轮机运行的两个关键参数效率和工作水头出发，进行对比优化分析；同时根据水轮机高效运行区域，制定、实施汛期和非汛期水库调度和机组优化运行方式；以实现大港水电站的经济运行。通过分析认为，大港水电站水轮发电机组负荷控制在6500kW左右，且工作水头为87～87.5m之间为机组优化运行区域；无大来水量，水库水位宜控制在153.5～156.5m之间运行，机组负荷控制在6240～6480kW之间保持水库水位不降或缓慢下降；在遇未来2～3天天气上游有较大以上降雨预报，水库调度进行相应腾库调度。
关键词：经济运行；水库调度；天气预报；汛期；枯水期；出力
0前言
大港水电站为宁德市七都溪流域干流第五级电站。大港水电站水库总库容468万m3，可调节库容194万m3；装机容量1.4（2×7000）万kW，水轮发电机组额定出力为7292kW，设计水头81m，最高水头87.5m，最低水头76m，最高效率为94%，额定流量10.07m3/s。从1999年至2013年发电统计，基本达到设计水平，如果能充分利用来水，做好电站的优化运行，势必带来更好经济效益。发电耗水量指标是衡量水电站经济运行情况的主要指标，对此我们从水轮机运行的两个关键参数效率和工作水头出发，进行对比优化分析；同时根据水轮机高效运行区域，在洪水期和枯水期进行水库合理调度，并通过水轮机的优化运行来提高电站的经济效益。
1水轮发电机组动力特性分析
1.1水轮发电机组综合特性曲线分析
大港水电站水库库容小，可调节库容更小，为日调节水库，调节能力非常有限，电站的运行水位变化较大，最高最低变幅可以达到11.5m，这对水轮机来说意味着工作水头变化较大；根据混流式水轮机的工作特性，最优工况点并不是最大出力点，而是最大出力的95%以内的区域。通过HLJF2504-LJ-110水轮机运行特性曲线查看，当工作水头控制在84.5～87.5m（水库高程153.5～156.5m）及水轮机出力6500kW～6900kW运行时，水轮机效率均为最高效率94%；超出这个工况范围，水轮机效率反而下降。同时水轮机在最高效率工况下运行，由于水轮机在6750kW～6900kW负荷时，水轮机气蚀系数为84.0；而6750kW以下负荷时，水轮机气蚀系数下降为79.0。综合效率和气蚀两个因素，大港水电站水轮机最优运行工况为：工作水头在84.5～87.5m（水库水位153.5～156.5m高程）及水轮机出力控制在6500～6750kW（即发电机功率为6240～6480kW），水轮机效率为最高效率。
1.2水轮发电机组发电耗水量分析
发电耗水量是指单位发电量所消耗的水量，以m3/kW•h表示，发电耗水量是水电站经济运行的重要指标之一，表达公式如下：
d=D/E=QT/KQHT=3600/K×H
k-综合系数，与机组效率等综合因素有关；
H-电站毛水头 m
虽然发电水头越高，机组综合出力系数高，发电耗水量就越低，经济效率就高；同时影响发电耗水量因素还有入库来水量及水库运行水位。入库来水量往往决定水电站的经济效益能否充分发挥，直接影响发电耗水量；丰水期时发电耗水量降低，枯水期耗水量增加。合理调度流域龙头水库蓄水及梯级水电站水库发电用水量的关系，对于降低发电耗水量也具有重要影响关系。同时还必须关注水库发电调度，由于枯水期水库运行水位过早消落，特别是枯水期来水量较少，加之发电所需，超发水量严重，造成枯水期后期库水位急剧下降，耗水量大，水能资源浪费严重，应该避免、放弃。
根据水轮机的出力公式N=9.81×Q×h×η，其运行水头耗水量和出力的关系，显然水轮机运行水头越高，水轮机能量特性越好，单位千瓦时的耗水量就越小。
表1 大港水电站水轮机在不同水头及不同出力的耗水量（m3/s）
根据大港电站15年枯水期发电运行实践，其年平均发电量1620万kW•h，耗水量8389万m3为发电用水条件，通过水轮机在不同水头及不同出力情况下的耗水量（如表所示），进行计算不同水头下发电效益、经济性。
⑴在81m、84m、87m三种水头下保证水轮机出力7292kW（即发电机功率7000kW），每小时耗水量分别为3.63万m3、3.45万m3、3.29万m3。计算各水头下发电效益为1617.84万kW•h、1702.12万kW•h、1784.89万kW•h，按2013年上网电价0.3771元/kW•h计算，经济效益分别为610.09万元、641.87万元、673.08万元，在不同水头下水轮机最大出力，经济效益可以相差近63万元。说明水头越高经济效益越高。
⑵在同等水头87m下，发电机功率6000kW、6500kW、7000kW下，每小时耗水量分别为2.85万m3、3.04万m3、3.29万m3。计算发电效益为1766.10万kW•h、1793.70万kW•h、1784.89万kW•h，按2013年上网电价0.3771元/kW•h计算，经济效益分别为666.0万元、676.40万元、673.08万元。通过数据比较发现同等水头下发电机负荷6500kW比7000kW下发电收益高近3.32万元。
通过横向和纵向比较，大港水电站水轮发电机组负荷控制在6500kW左右，且工作水头为87～87.5m之间为经济运行区域。
2水库调度及经济运行分析
水电站经济运行就是通过水电站机组优化组合，负荷最优分配和合理调度水库水位，合理利用库容等科学管理来实现。联系七都溪流域、龙头水库、各梯级水电站及大港水电站实际情况，实施水库调度及经济运行方案，从水文预报及洪水期和枯水期的水库调度及经济运行方案入手，获取短期来水流量再由此制定最优经济运行方案。
2.1 洪水期水库调度及经济运行分析
水库高水位运行是提高水轮机工作水头的主要措施，也是提高水轮机经济运行的方法。洪水期水库调度及水电站经济运行情况如下：
⑴水库的运行要满足防汛要求。水库主汛期一般为每年的4月1日～10月1日，水库运行水位不得超过汛限高程154.5m（即水头85.5m以下）。根据水轮机特性，水头在84.5m以下时，水轮机能量特性较差，发电耗水量偏高。汛期水轮机高效运行可利用区域为1m，可用库容仅为23.4万m3，若上游无明显来水情况下，以一台发电机组6500kW负荷运行，只够运行约2.7个小时或更长一点，要保持机组高效运行需机组频繁开停机，实际操作困难。
⑵大港水库为日调节水库，按设计最低水头76m到最高水头87.5m计算可利用发电水量约为194万m3，可发电约44.1万kW•h，按2013年上网电价0.3771元/kW•h计算，经济效益为16.63万元。若上游无明显来水情况下，以一台发电机组6500kW负荷可以运行约63小时或更长，两台机组可以运行约30个小时。
⑶根据七都溪水文资料，第五级大港电站坝址以上流域面积为271.5km2，第二级三溪电站坝址以上流域面积为68km2，由于上游两个电站（大泽溪电站、华镜电站）水库库容小，调节能力差，相对大港电站水库不考虑错峰能力，考虑到降雨后短期能形成入库径流水量流域面积为203.5km2，大港水库的入库径流总量等于降雨量（以宁德水利信息网公开发布的洋中水文站）乘以大港坝址以上集雨面积，入库时间根据前期天气情况一般推迟1～2天，实际水库调度考虑入库时间为降雨后24小时为参考基准。根据未来2～3天天气情况进行腾库工作，具体分析如下（表2）：
根据中国气象局规定预报小雨为对应24小时降雨量为9.9mm以下，中雨为10.0mm到24.9mm，大雨为25mm到49.9mm，暴雨50mm到99.9mm，大暴雨为100mm到250mm，超过250mm为特大暴雨。
表2 不同雨情未来24小时入库计算量（万m3）
备注：水轮机最低水头高程145.0m到溢流面141.5m，有效库容为51.2万m3，虽然理论可发电9.8万kW•h，但不是运行在水轮机的稳定高效区域，因此不建议经常使用此部分有效库容。
⑷水库行洪期时，不用考虑水轮机组经济运行，以机组最大出力进行发电为经济效益最大。
综上分析，汛期根据未来2～3天天气预报及宁德市水利信息网发布的洋中水文站水情，小雨采取降低水位至152.0m高程运行，中雨及以上允许腾库到145m高程以上运行，腾库时不考虑水能利用率，因降雨后可能接收到228.8万m3水量（相当于多发44.1万kW•h电量）。若腾库到位时，出力下降时，在机组停机前必须询问上游大泽溪水库情况，是否满库，来水量等大概情况，作后续水库调度预判。在汛期结束前，同样根据未来2～3天天气预报，进行水库泄洪闸门控制，保持水库高水头运行，以提高水能利用。
2.2 枯水期水库调度及经济运行分析
根据水轮机的优化运行分析，水轮发电机组功率控制在6500kW左右，水头为87m或更高时为高效经济运行区域，为此枯水期水库调度及水电站经济分析情况如下：
⑴当水头控制在87m以上（即156.0m高程）时，剩余库容仅仅为13.5万m3，若上游无明显来水情况下，一台发电机组负荷6500kW运行约4.5个小时左右。再则根据上游大泽溪电站机组流量计算，上游大泽溪电站两台机组满负荷运行，正好保证大港电站一台机组满负荷运行，但是在枯水期大泽溪电站并不能保证两台机组长时间满负荷运行。因此在枯水期水头控制在87m以上运行可操作性差，机组可能启停多次。
⑵根据水轮机效率最高，水能利用最充分，水量损耗最小，能量特性最好的特点，通过查看大港水轮机HLJF2504-LJ-110特性曲线，保证最高效率94%（同时考虑气蚀优化），工作水头控制在84.5～87.5m（水库高程153.5～156.5m）及水轮机出力控制6500～6750kW（即发电机负荷控制在6240～6480kW）运行；以水头越高，耗水量越小为原则，调整在此最优区间机组负荷大小，进行水库水位调度。水头从87.5～84.5m可利用发电库容为72.2万m3，若上游无明显来水情况下，一台机组负荷6500kW，可以运行约23.6小时。考虑水轮机效率，保持高水头运行，减少机组开停机次数等综合因素，在枯水期非洪峰阶段，理想运行方式为一台机组运行持续运行为主，根据上游电站来水情况，负荷控制在6240～6480kW之间，保持水库水位不降或缓慢下降。
⑶在枯水期遇小洪峰即未来2～3天天气有降雨预报，水库调度按2.1条汛期水库调度进行相应腾库调度。
综上分析，枯水期水库水位控制在153.5～156.5m之间运行，机组负荷控制在6240～6480kW之间保持水库水位不降或缓慢下降；在遇小洪峰即未来2～3天天气有降雨预报，水库调度按2.1条汛期水库调度进行相应腾库调度。
3运行建议
⑴根据洪水期、枯水期水库调度及水电站经济运行分析，应重点灵活控制水库水位，经常保证水轮机高水头运行。⑵根据水轮发电机运转特性曲线应注意及时调整出力，避开振动区（3500kW以下），保证水轮机高效运行。⑶考虑在保证水头采集可靠性条件下，建议将水库实际水头模拟量采集数据引入调速器，以便调速器选择最佳优化运行协联曲线运行。
4结束语
保持较高的水库运行水位和机组运行负荷率是机组优化运行的主要措施，也是水电站经济运行工作的基础，因此电站水库调度第一负责人应加强了解未来2～3天天气情况，同时做好同上游大泽溪电站的沟通与协调，准确掌握上游来水量，并通过实践积累，使大港水电站的水力资源能得到合理，安全，高效利用。
注：①文章中水库剩余库容、有效库容数据均根据《大港水库水位与库容、水面面积关系曲线图》查找所得。②水库降雨入库径流量（估算）=集雨面积×水文站降雨量×0.57，根据福建省水文信息全省多年平均降雨量与平均年径流深关系。③水轮机不同水头不同出力的流量计算根据水轮机的出力公式Q =N/（9.81×h×η）其中η根据水轮机HLJF2504-LJ-110特性曲线查找。④发电机负荷按公式N=N（水轮）×96%
参考文献：
[1]郑源 鞠小明 程云山 《水轮机》中国水利水电出版社 2007年4月
[2]《大港水电站可行性研究报告》 宁德地区水利水电勘测设计室
[3]《福建省水文信息网》
[4]《大港水库水位与库容、水面面积关系曲线图》宁德地区水利水电勘测设计室
论文作者:黄伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/6/8
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