日调节性能水电站节水增发电量考核方法研究

武世峰

(陕西汉江投资开发有限公司喜河水力发电厂，陕西 安康725200)

0 引言

自2017年以来,受电力市场和电煤市场影响，火电企业经营整体亏损，国资委几大发电集团公司为改变经营不利状况，均在大力推进水电企业全面提升专项工作。要求建立“一流牵引、机制驱动、对标推进、持续改善、全面提升”的对标机制，以整体水能利用和效益最大化为原则，优化水库调度，优化生产运行，促进水电管理全面提升。在此形势下，水电生产管理单位很有必要建立企业节能调度效益评价指标体系，研究一套合理方法来量化考核水电站节水增发电量效益，以提高水电站科学管理运行水平。

研究水电站节水增发电量考核办法的目的是考核水电站撇开机电设备、水库特性、水工设施条件差异后，对水库来水和电网系统提供的运行条件的利用水平[1]。对于有较好调节性能的水电站，设计有指导水库经济运行的调度图，考核水位直接取用调度图中线，节水增发电量可按照原水电部颁布的《水电站经济调度考核暂行办法》直接考核计算；对日调节性能水电站，由于没有设计指导水库运行的调度图，电站又大多承担电网调峰任务，水库水位变幅较大，不能直接参照上述办法考核计算节水增发电量。本文结合汉江喜河水电站实际情况，对日调节性能水电站节水增发电量考核方法进行深入研究，明确计算考核的关键参数，提出节水增发电量计算考核流程和计算办法。此研究结果对于各大发电集团公司系统日调节性能水电站节水增发电量的考核计算具有参考意义。

1 水电站节水增发考核评价分析

水电站按照水库的调节性能可分为日调节、月调节、季调节、年调节和多年调节等几种类型，例如汉江上游流域石泉水电站为季调节，喜河水电站、蜀河水电站及在建的旬阳水电站为日调节，安康水电站为年调节。目前在考核评价石泉、喜河、蜀河3家水电企业水库调度工作时,没有考虑电站水库调节性能的差异，而是采用同一考核指标：一是考核发电量完成情况,二是统计机组发电利用小时数，三是评价发电耗水率大小，且均与计划值、设计值或历史同期值相比较，这是很不合理的。发电量虽是一项重要指标，但其不能反映电站对水能利用的合理程度[2]。水电站发电量的多少,除与水库调度方式,即水头和水量的利用程度有关外,与径流状态的关系更大,如丰水年和枯水年的发电量就相差很大[3]；发电利用小时是机组装机容量利用率的一项指标，随着水库调节性能的不同及在串联式水库群所处位置不同，其统计数据会有较大差异，如上游有季调节水库控制的喜河水电站发电利用小时数比上游有年调节水库控制的蜀河水电站机组利用小时客观上就少；发电耗水率大小不仅取决于调度水平的高低，还与发电设计水头、发电机型及径流在年内的分配过程有关，电站建成后即使在同一流域也有天然性差异。对标计划值为主观型指标，人为因素较大；设计值受设计水文系列年限影响，数据均偏安全，指标相对较低；历史同期值受来水不确定性影响较大。基于以上分析，发电量、机组发电利用小时数、发电耗水率3个考核指标不宜作为评价水电站间经济运行优劣的标准，且当前水电企业对标考核评价不在一个平台。

2 水电站节水增发电量考核方法

原水电部颁发的《水电站水库经济调度条例》指出：“水电站水库经济调度要进行考核。发电耗水率和水能利用率是考核水电站经济调度的主要经济指标”。在实际运用过程中，由于发电耗水率和运行水头呈反比关系，在枯水期耗水率指标考核较为合理，但在汛期或行洪期间，由于防汛要求限制，发电水头变化较大，约束条件较多，单纯考核评价耗水率指标意义不大； 考核水量利用率对调节性能低的水电站可以很好评价水库调度水平，但对于调节性能较高的水库或是遇到径流偏枯年份，水量利用率几乎总是100%，没有考核评价意义。鉴于以上情况，采用绝对的发电耗水率和水能利用率不能直接用来考核,而且在不同水电站之间也不能用以互相比较。因此,为了有同一可比基础,可把相对发电耗水率和水能利用提高率作为考核指标[4]。相对发电耗水率是考核期内实际耗水率与考核计算发电耗水率的比值，水能利用提高率是考核期内实际超过考核电量的百分比。前者消除了无效来水对耗水率的影响，后者剔除了不同调节性能、不同流域、不同来水的影响，客观反映水头与水量的利用情况。

全国大中型水电站大多以水能利用提高率指标作为达标创一流的必备条件[5]。

2.1 考核计算时段分类

水文计算中，多年调节水库计算时段为月，年调节及季调节计算时段为旬，日调节及无调节水库计算时段为日[6]，本文按日进行节水增发电量的计算考核。

2.2 考核计算有关参数

2.2.1 弃水电量Eq

日调节水电站发电过程受天然来水的约束，在弃水日因不能按额定出力满发而损失电量。正常情况下，弃水电量主要指工况约束弃水电量，即由于弃水造成下游水位抬高，造成机组运行净水头变小，从而影响机组不能达到额定出力所造成的电量损失[7]；特殊情况还有调峰弃水电量、检修弃水电量和调压弃水电量。

2.2.2 综合出力系数K

综合出力系数K值反映的是水轮发电机组的综合效率性能。由于受到水头、发电流量、出力大小等诸多参数的影响，其值很难确定具体数据，因此，对K值的考核计算工作，应在设计规定基础上不断结合实际运行资料，找出不同出力、不同水头及不同发电流量的K值的有效办法，并随时加以更正。K值取值范围：大中型水电站，K=8.0～8.5；中小型水电站，K=6.5～8.0；对于小型电厂，K=6.0～6.5。目前在实际水能计算中，K值通常取一固定常数[8]。

2.2.3 计算考核上游水位Z上k

日调节水库由于相对于调度考核时段水库不具备调节性能，坝上水位按核定运行水位进行计算，即核定运行水位是水库的考核计算坝上水位。日调节特性水库上游水位在日内是变化的，一日内库水位应控制在设计正常蓄水位与死水位之间，一般不应低于死水位运行，故以日为计算时段上游水位应取平均值，一般将正常蓄水位与死水位的平均值做为上游考核水位。

2.2.4 计算考核发电净水头H

根据考核日确定的发电流量，查询下游水位-流量关系曲线，确定下游水位Z下；再考虑因为进水口拦污栅、引水管道、水道沿程等因素引起的水头损失HS，水头损失无论是引水式电站还是坝后式电站，均按最大水头损失计算[9]。求得计算考核发电净水头如下：

H=(Z上K-Z下)-HS

2.2.5 计算考核发电流量QK

考核日时段内，比较入库流量和发电限制流量大小，较小者确定为计算考核发电流量QK。

2.3 计算考核发电量Ej

计算考核发电量以日为计算时段，采取“秋后算帐”的办法进行水能计算，得出计算考核发电量以进行考核。

Ej=24KQKH

2.4 修正考核发电量EXk

考核电量应该是考核期内(日)水电站按照来水并考虑电力系统或电站客观运行约束条件后应该发出的电量。实际运行中因电网调度原因或非电厂原因导致有可能产生弃水而损失电量，需对计算考核电量进行修正。修正考核电量为计算考核电量减去弃水电量的差值。

EXk=Ej-Eq=24KQKH-Eq

2.5 增发电量ΔE

增发电量为日实际发电量Es减去修正日考核电量EXk的差值。分月逐日累计即为月节水增发电量，各月累计即为年节水增发电量。

ΔE=Es-EXk=Es-(24KQKH-Eq)

2.6 节水增发电量考核指标

2.6.1 相对水能利用率及水能利用提高率。

相对水能利用率是考核水电站优化调度和经济运行的指标。考核时段内实际发电量与修正考核电量之比为相对水能利用率α，增发电量与修正考核电量之比为水能利用提高率β。

相对水能利用率α>1，水能利用提高率β>0，则电站调度合理。β值越大，电站经济调度效果越好[10]。

2.6.2 相对发电耗水率

从节能降耗的角度，可通过耗水率的计算考核水电站的经济调度情况。相对发电耗水率<1，说明电站调度合理。

2.7 考核计算流程

水电站节水增发电量考核计算流程如图1所示。

图1 日调节水电站节水增发电量考核计算流程Fig.1 Calculation flow of assessment of water-saving and power-increasing capacity of hydropower station’s daily regulating performance

3 实践成效

3.1 喜河水电站概况

喜河水电站位于汉江上游陕西省石泉县，2006年6月30日第1台机组投产发电，12月19日3台机组全部投入商业运营。坝址控制流域面积25 207 km2，占汉江流域总面积的15.8%。上、下游分别已建成石泉水电站和安康水电站，河道距离分别为40和145 km。水电站主要由碾压混凝土重力坝、河床式电站厂房等组成，坝顶高程367.8 m，最大坝高62.8 m，坝顶长346 m，水库正常蓄水位362.00 m，死水位360.00 m，设计洪水位362.20 m，水库校核洪水位367.00 m，校核洪水位以下库容2.29亿 m3，正常蓄水位以下库容1.67亿 m3，调节库容0.22亿 m3，具有日调节性能。电站装机容量3×60 MW，保证出力21.8 MW，多年平均发电量4.878亿 kW·h。电站主要承担电网调峰、调频及事故备用任务。

3.2 节水增发电量考核有关参数的取值

3.2.1 弃水电量Eq

根据近几年喜河水电站实际运行情况，弃水电量主要指工况约束弃水电量，即由于弃水造成下游水位抬高，造成机组运行净水头变小，从而影响机组不能达到额定出力所造成的电量损失。弃水电量可用考核期内机组出力与额定出力的差值逐时计算。

3.2.2 综合出力系数K

喜河水电站属大(2)型水电企业，结合电站设计单位给定的设计值，综合出力系数K值取常数8.5。

3.2.3 计算考核上游水位Z上k

根据喜河水电站日调节特性水库运行特点，可将正常蓄水位与死水位的平均值做为上游考核水位。喜河水电站正常蓄水位362 m，死水位360 m，节能考核上游水位Z上k确定为361 m。

3.2.4 计算考核发电净水头H

根据考核日确定的发电流量，查询下游水位-流量关系曲线确定下游水位Z下，喜河水电站设计平均水头损失0.5 m[11]，则计算考核发电净水头如下：

H=(Z上k-Z下)-Hs=(361.00-Z下)-0.50

3.3 计算结果及分析

运用喜河水电站2011—2016年水库运行资料，根据节水增发电量考核方法研究成果计算喜河水电站年度相对水量利用率α、水能利用提高率β，结果如表1所示；逐年分月水能利用提高率β值如表2所示。

表1数据分析表明：喜河水电站2011—2013年相对水能利用率α>1，水库调度合理；水能利用提高率β为正、最大值2.38%，水库调度工作及洪水调度增发电量显著，符合原水电部创一流水电企业水能利用提高率0<β≤5要求，水库运行较为经济。2014—2016年汉江上游流域来水偏枯，洪水场次偏少，洪水量级较大，洪水调度增发电量效果不佳，再加之水库调度参与社会因素(2016年参与地方阳安铁路建设降水位至358 m近40 d)水位控制较低，水能利用提高率β<0，水库运行不经济。

表2数据分析表明：个别月份水能利用提高率平均值出现负值，说明水库调度运行情况不合理也不经济。造成这一结果的原因是错综复杂的，除与汉江上游流域来水明显减少(1月、4月)和洪水场次较多(8月、10月)的自然因素有关外，人为因素是另一主要原因：一方面没有严格控制水位，不管来水丰枯参与系统发电较多；另一方面水库调度人员对天气形势、洪水预见期的判断失误造成洪前腾库长期低水位运行，耗水率增大，降低了水能利用率。

表1 2011—2016年相对水量利用率α、水能利用提高率β计算表Table 1 Calculation table of relative water utilization rate α from 2011 to 2016 and water energy utilization improvement rate β

表2 2011—2016年逐年分月水能利用提高率β计算表Table 2 Calculation table of water energy utilization improvement rate β from 2011 to 2016 year by month

3.4 对标考核

实际考核时，以日为计算时段按月统计指标并求出各月水能利用提高率来进行对标，并可平衡流域水电站之间调节性能不同、机型不同、丰水段和枯水段之间的差异，实现水电站流域对标。

4 结语

1) 本文针对日调节水库的特点，明确了本研究关键指标Z上k和QK的取值规则，提出了相应的电站节水增发电量考核计算办法；

2) 结合日调节特性汉江喜河水电站实际情况，运用2011—2016年水库运行资料，对相应年份逐月计算验证相对水量利用率α、水能利用提高率β，所得结果正确，表明了研究方法适用于喜河水电站的实际运行情况；

3) 建议汉江喜河水电站按照日调节水库特性，加强和电网调度协调沟通，合理控制水位，科学调度洪水，降低发电耗水率，提高水能利用率，发挥更大的经济效益。