徐 劍
(國網(wǎng)福建省電力有限公司經濟技術研究院,福建 福州 350003)
貫徹落實黨中央“碳達峰、碳中和”的“雙碳”綠色發(fā)展方略,小水電作為可再生能源,地位和作用日益凸顯。為了長足提升小水電站安全生產和經濟運營能效,水能利用提高率成為關鍵管控指標,水位的精準控制在水輪機組效率優(yōu)化運行中是一個非常重要的環(huán)節(jié)。通過加強水情專業(yè)化管理,提升水庫來水增加量數(shù)字化全息感知與預判的科學技術水平,精準輔助決策優(yōu)化豐水期機組調控運行方式,小水電站從“靠天吃飯”主動轉向“知天而作”是完全可行的。
國內已經開展大量開發(fā)研究實踐,在平水、枯水期控制水庫水位降低水耗提升發(fā)電量[1];水電廠按“遠程集控、少人維護”設計原則實施智能化建設提質增效[2];設計海量徑流式小水電功率數(shù)據(jù)高效存儲方案提升功率預測速度[3]。以功率因數(shù)為優(yōu)化變量建立了多目標數(shù)學模型改善電壓質量和提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性[4];提高功率因數(shù)運行提升小水電站經濟效益[5];基于汛期分期和基本調度規(guī)則提高汛期分期運行水位[6]。通過以逐步逼近法為控制思想的水位控制法,優(yōu)化徑流式二級水電站運行提高發(fā)電效率[7];分析水輪發(fā)電機水能利用的轉化過程建立機組能效量化計算模型[8];充分利用水利資源優(yōu)化水庫調度及機組運行方式等手段提高水能利用率[9];枯水期提高運行凈水頭,汛期開展優(yōu)化調度減少棄水,減少單臺機組小負荷運行時間等途徑提高水能利用率[10];充分分析水電站水能利用率低于設計值原因,提出修改水電站調度規(guī)劃,提高水能利用率[11];利用水庫分期汛限水位調控洪水資源減少水頭損失[12],黃龍灘電廠提高水能利用率的多種方法初探[12]。開展水庫優(yōu)化調度工作提高水能利用率,妥善解決防洪與發(fā)電、安全與效益間的矛盾[13];加強水電站運行管理提高發(fā)電能力[14];中長期發(fā)電調度智能化指導中小水電站的經濟運行計劃。
國內關于小水電節(jié)水增發(fā)的研究主要聚焦在開發(fā)研究階段,綜其共同點為如何提升水能利用提高率,對于滾動預測入庫量峰值適時調控水庫水位高度的應用研究甚至理論研究鮮有突破。在中小水電站基本上都安裝了水情測報系統(tǒng)的前提下,可以通過面雨量采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)與來水增加量的相關性分析,進一步挖潛增效提升水能利用提高率的自適應調控水平。
為全面優(yōu)化豐水期水庫調度分析,驅動節(jié)水增發(fā)效能,持續(xù)提升經濟效益,對所屬龍湖小水電站今年5.20洪水調度進行全過程數(shù)字化“復盤”,該小水電站安全度過今年以來最大洪峰,5月20日洪峰流量達814.18 m3/s。洪水調度過程歷時13 d(5月20日—6月2日),本次泄水總量達7 975.80×104m3,正常棄水時間312 h 22 min。
5.20洪水調度過程基本特征分為三個階段:第一階段:騰庫;第二階段:泄洪;第三階段:回蓄。而且,這三個過程是在整個洪水調度過程中,根據(jù)區(qū)域天氣預報、面雨量統(tǒng)計、入庫流量以及出庫流量等關鍵信息進行綜合預測,實施循環(huán)往復的調度控制過程(見圖1)。
圖1 5.20洪水調度過程數(shù)字錄波
那么如何實現(xiàn)安全經濟調度呢?其一,5月26日至27日,5.20洪水處于“洪尾”階段,來水量趨于穩(wěn)定。上游水位從439.96 m突降到438.28 m,水頭高度降低1.68 m,4號泄洪閘門開度0.3 m,增加棄水以及發(fā)電效率降低。其二,5月26日之后,5.20洪水處于“洪尾”階段,來水量趨于穩(wěn)定。5月28日至5月29日,4號泄洪閘門開度由0.2 m提升至0.8 m,泄洪閘門開度增加4倍,增加棄水以及發(fā)電效率降低(見圖2)。
圖2 5.20洪水調度過程數(shù)字化復盤分析
進行全過程數(shù)字化“復盤”,可以發(fā)現(xiàn)水庫水位控制存在一系列技術問題,主要原因為來水增加量的預判預測以及相應技術手段不足。
通過小水電水庫水位調控的全過程數(shù)字化統(tǒng)計分析,系統(tǒng)評價小水電站汛期調控質量,相比著眼某一狀態(tài)量的公式計算更加直觀且更具說服力。對于問題靶向查擺,專項提升水情專業(yè)管理技術,輔助優(yōu)化改進生產管理,長足提升水能利用效率,提供了科學的方式方法。
問題靶向查擺專項提升水情調控技術,統(tǒng)計龍湖小水電站四五月份的6次集中降雨量(14 mm以上)與上游來水量,進行相關性分析(見圖3、圖4)。通過曲線擬合,發(fā)現(xiàn)“面雨量積累量P”與“來水量增加系數(shù)k”存在一定相關性,趨勢為一正比例函數(shù)(見圖5)??赏茖С鱿鄳?,來水量增加值S=f(P)*k。
圖4 入庫量與上游水位的“相關性”分析
圖5 系數(shù)k與積累量p的曲線擬合
綜上,統(tǒng)計分析面雨量與來水增加量的函數(shù)相關性,掌握相應規(guī)律,滾動預測出未來一定時期內入庫量峰值,再通過預測的入庫量峰值,自適應地精準調控水庫水位的高度,可科學提升綜合水能利用提高率,持續(xù)提高小水電水力發(fā)電效能。
數(shù)字化統(tǒng)計分析面雨量與來水增加量的相關性,通過曲線擬合手段反映出兩者成正比例函數(shù)的趨勢規(guī)律,極大提高水庫來水增加量的預判預測能力。通過提升水情分析水平,前置優(yōu)化發(fā)電運行方式促使節(jié)水增發(fā),對所屬小水電站試點應用該技術手段實施了優(yōu)化面雨量采集點布局、攻堅洪峰滾動預測、水庫科學調度控制、動態(tài)控制水庫水位、大壩水庫精準回蓄、科學預測騰庫操作和統(tǒng)籌機組一停多用等一系列重要舉措,試點應用小水電站節(jié)水增發(fā)成效顯著(見圖6),綜合水能利用提高率提升30%,前三季度全口徑發(fā)電量水平同比強勢趕超。
圖6 2021年三季度發(fā)電量同比情況