小型径流式水电站前池发电水位的调控（张高 黄波）
发布时间:2016年12月02日 来源:
摘要：小型径流式水电站压力前池发电水位对机组出力有较大的影响。研究了压力前池水位调节的原理与方法，以确保水电站在较高水头情况下运行。通过分析压力前池发电水位对机组出力的影响，以及对压力前池水位变化时机组出力偏差的计算，提出了在电站微机监控和常规控制中压力前池水位的调控方式。
关键词：出力偏差；水位调节；压力前池；径流式水电站
中图分类号：TV732．6 文献标志码：A doi：10．3969／j．issn．1000-1379．2013．05．037
Improvement of Water Level of Pressure Forebay for Small Radial Flow Hydropower Stations
ZHANG Gao1，HUANG Bo2
Abstract：The water level of pressure forebay for small radial flow hydropower station has a great influence on the unit output．In order to ensure that the hydropower station could operate at a higher water head，the regulation methods of the water level of pressure forebay were studied in this paper．Through analysis of influence on the unit output of the water level of pressure forebay and calculations of the unit output deviation with the change of the water level of pressure forebay，the regulation modes were put forward under the conditions of computer automatic monitoring and regular control．
Key words：output deviation；water level regulation；pressure forebay；radial flow hydropower station
我国小水电资源十分丰富，可开发量和已开发量均居世界首位。截至2011年，全国已建成小水电站4．5万余座，装机容量6 200万kW，年发电量2 000多亿kW·h，其中多数为径流式水电站。压力前池是引水式水电站的重要建筑物之一，其发电水位直接影响电站的出力和经济效益。在确定压力前池发电水位时，通常以引水渠通过电站设计流量的渠末水位作为前池设计发电水位，当引水流量小于设计流量时分别以相应的渠末水位作为前池发电水位。小型引水式水电站大都是靠径流发电，来水流量往往受河道天然径流的影响，除每年丰水期外大多数时间引水流量均小于电站设计流量。如果不能对前池水位进行有效的调节，就会导致前池水位在设计水位上下频繁大幅波动，造成水轮发电机组出力频繁变化，影响电站经济效益。因此当引水流量较小时，需要不断调整负荷，否则电站就会在较低的前池水位运行，对于低水头电站还可能导致机组效率急剧降低，甚至影响到水轮发电机组的正常运行。这一问题一直是众多小型引水式水电站需要解决的难题之一［1-2］。近年来，随着小型水电站微机监控技术的不断发展和推广，无论新建电站还是老旧水电站的技术改造，大都采用了全微机监控技术，为实时监控调节前池的发电水位，确保机组在最优工况下的运行奠定了基础。
1 压力前池发电水位对机组出力的影响
引水式水电站按调节性能可分为具有一定调节能力的电站和径流式电站两种类型。具有调节能力的引水渠道往往较短，引水渠首通常为具有日以上调节能力水库、水闸或日调节池，渠首引水流量可以在一定幅度内通过渠首进水闸进行调节，以适应电网对电站负荷需求。由于小型水电站在电网中所占容量比例很小，电网一般不对电站负荷提出要求，因此这类电站一般可通过对河道天然来水的调节，确保电站在设计流量下运行，前池水位一般情况下可保持设计水位。
径流式水电站引水渠首无调节能力，其发电流量完全取决于河道的天然来水。由于河流天然径流丰、枯悬殊，因此径流式电站大部分时间发电流量小于电站设计流量，相应的压力前池水位经常处于设计正常水位以下。对较低水头的水电站，当前池水位低至一定程度时，机组效率急剧降低，影响机组稳定运行。这类水电站无论与区域小电网还是与大电网并网运行，都不能担负调节系统负荷变化的任务。笔者针对如图1所示的径流式水电站压力前池水位变化情况，研究探讨实时监控调节前池的发电水位，确保电站在较高水头情况下运行，以提高发电效益的可行性［3-4］。
1．1 压力前池保持设计发电水位的可行性
如图1所示，引水渠道的比降为i、电站设计流量为QP，在引水流量为电站设计流量QP时对应的前池水位即为设计发电水位Z0，设计发电水位一般等于或略低于前池溢流堰堰顶高程Zy。
设某一时段引水渠道引水流量为Qi、对应的前池发电水位为Zi。如果在引水流量为Qi的情况下，先通过调节机组出力，将压力前池水位壅高至设计发电水位Z0，并通过自动调节机组出力将压力前池水位保持基本恒定，则在Δt时段，压力前池的水量平衡关系为
QiΔt＋W0 =QPΔt＋Wt （1）
式中：W0为Δt时段初SABCDEA相应水体的体积；Wt为Δt时段末ABC 线以上实际水体的体积。
由式（1）可推导：
Wt-W0=（Qi-QP）Δt （2）
由式（2）可以得出：如果发电流量大于引水流量即QP＞Qi，则前池水位下降至Zi以下；如果发电流量小于引水流量即QP＜Qi，则前池水位上升至Zi以上；当发电流量与引水流量相等，即QP=Qi时，压力前池水位稳定在设计发电水位不变，电站的发电水头即可达到设计发电水头。
1．2 保持压力前池水位对机组出力效能的影响
当前池水位为Zi时，电站水头为Hi，因ΔH=Z0-Zi，故电站实际发电水头H 为
H =Hi＋ΔH （3）
发电机的出力N 为
N =KHQp （4）
式中：K 为水轮发电机组综合出力系数。
由式（4）可以得出，根据天然来水流量，通过调节机组出力将压力前池水位保持在设计水位，机组的出力增加值为ΔN=KΔHQp。在天然来水流量一定时，对于低水头引水式电站，出力增加值和增加幅度会更加可观。
2 压力前池水位变化时机组出力偏差分析
小型水电站实际运行中，只有压力前池水位保持或接近溢流堰堰顶高程，才能更有效地利用水能资源。但是很多电站受负荷频繁波动、自动化程度低和运行管理人员缺乏足够的技能等因素影响，造成压力前池水位波动频繁，时常低于溢流堰堰顶高程，导致机组出力下降。在这种情况下，就必须根据机组出力的实际偏差量，实时对机组出力进行调节，确保在一定来水流量时机组出力最大化，这样不仅可以充分利用水能资源、提高水电站经济效益，还可以避免调整负荷的盲目性［5］。
当引水流量为Qi时，恒定流情况下引水渠道的水深为hi。在压力前池壅水发电时，若Δt时间内，压力前池水位变化值为Δh，流量偏差为ΔQ，机组的综合出力系数为K，则机组出力偏差可按下式计算：
ΔN =KHΔQ （5）
出力提高的比例可按下式计算：
当引水渠断面和底坡i一定时，Qi=f（hi）为一确定关系，由式（2）可以得出： 式中：Δhi为Δt时段内压力前池水位变化值；S1为压力前池水位由Z0变化至Zi时渠道回水的平均水面面积；S2为压力前池水位在Z0处的水面面积。 需要特别说明的是，不同的压力前池水位对应的引水渠道水面线不是绝对的直线，相互之间也仅仅是基本平行。由式（7）计算的流量偏差为近似值。但通过实际工程的实测验证，采用式（7）计算和用推求水面线法计算的结果十分接近。 综上分析，对于小型径流式水电站某一个来水流量对应的出力，能够通过计算相应的出力偏差值，实时进行校正，使压力前池水位保持在设计发电水位。 3 压力前池水位的调节 3．1 采用微机监控的水电站压力前池水位调节 采用式（7）计算出的水电站出力偏差，是在Δt时段内平均出力偏差，没考虑压力前池水位变化Δhi对发电水头的影响，与即时实际出力偏差值之间还有一定的误差。而在调整出力偏差使压力前池水位达到设计发电水位过程中，因调整后发电流量Qp有所变化，会引起电站水头损失以及水轮机效率发生微小变化，相应机组综合出力系数K 也会随之发生变化。对于采用微机监控系统实现出力自动调节的小型水电站而言，便可将采集到的引水流量Qi和当时相应的压力前池水位Z0＋Δhi作为已知参数，采用式（7）计算得出的结果作为初始数值，进行压力前池水位和水轮发电机组出力双向逼近计算和实时出力调节，直到压力前池水位达到设计发电水位和机组出力达到稳定。由于水电站微机监控系统的应用已经十分成熟，无论在新建水电站还是老旧水电站的技术改造中都得到广泛采用，因此大部分径流式水电站压力前池水位都可以实现自动调节。 3．2 采用常规控制的水电站压力前池水位调节 对于采用常规控制的小型水电站来说，一般采用手动方式对机组出力进行调节。而压力前池水位的调节和控制，可采用在压力前池装设数字水位仪或影像采集设备，将压力前池实时水位值即时传送到中控室的显示设备上，运行值班人员就可以根据引水流量和前池水位值，用式（7）估算当时的机组出力偏差，然后采用手动方式调整机组出力，使压力前池水位调整至设计发电水位。 参考文献： ［1］马跃先，马希金，阎振真．小型水电站优化运行与管理［M］．郑州：黄河水利出版社，2000． ［2］李钰心．水电站经济运行［M］．北京：中国电力出版社，1999． ［3］张英贵．低水头径流式水电站的优化运行［J］．武汉水利水电学院学报，1988（5）：3-11． ［4］郑祺荣．景电工程泵站前池水位的调节控制［J］．机械研究与应用，2008（5）：118-120． ［5］吴加尧．径流式电站的经济运行［J］．小水电，1998（2）：21-23． 作者简介：张高（1990-），男，河南正阳人，在读本科生。
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