径流式水电厂发电量计算模型探讨Word格式.docx
《径流式水电厂发电量计算模型探讨Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《径流式水电厂发电量计算模型探讨Word格式.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
h=L-Lx=L-（a+bQc
）=h（L,Q）
------
（1）
2.2发电流量
发电流量是指定工况下最大可用的水轮机过流量。
水轮机导叶在某一开度不变时，相当于恒定孔口出流，其过流量与电站水头h0.5成正比。
水头为设计水头hr、导叶开度100%时，流量达到最大限制值即水轮机设计流量qr。
因此，水头低于设计水头、导叶开度100%情况下，机组出力低于额定值，此时发电流量为：
q=qr/hr0.5.h0.5
，h<
=hr，导叶开度100%
水头高于设计水头、又流量足够时，受发电机额定容量Nr限制，此时需调减水轮机导叶开度，限制流量。
因机组出力N=9.81η.h.q，故发电流量
q<
=Nr/9.81/η/h，h>
hr，导叶开度<
100%
当出库流量Q小于上述限制流量时，即可引用的发电流量不足时，发电流量即出库流量：
q=Q，Q0.5.h0.5并q<
Nr/9.81/η/h
综上所述，发电流量表达式为
q=min（Q，qr/hr0.5.h0.5，Nr/9.81/η/h）
式中min（）表示取最小值计算，下同。
Nr、hr和qr分别为机组额定出力、设计水头和设计流量，均为常数。
由于h=h（L,Q），机组效率η=η（L,Q）（见后文分析），故q可表示为L、Q的函数：
q=min（Q，qr/hr0.5.h0.5，Nr/9.81/η/h）=q（L,Q）------
（2）
2.3水轮发电机组效率
机组效率η等于水轮机效率ηs与发电机效率ηf之积，即
η=ηs.ηf
水轮机效率由水头和流量（导叶开度）工况决定，即ηs=ηs（h,q）=ηs（L,Q），其函数模型由水轮机模型试验确定；
发电机效率主要随出力变化（同功率因素时），厂家已经提供曲线，ηf=ηf（N）=ηf（h,q）=ηf（L,Q）。
因此，机组效率也可以表示为L，Q的函数：
η=η（L,Q）
------（3）
根据生产厂家提供的数据和效率曲线，可得出机组效率函数模型。
多台机组运行时按照负荷均等分配工况计算平均效率。
即取当时流量下机组最小运行台数的平均流量，以此流量和当时水头求得的单台机组效率作为多台机组运行的平均效率。
2.4
“理论发电量”
“理论发电量”，指在水电厂实际过流环境、机组出厂特性下，对应的出库流量和水头工况点，机组所能生产出的最大发电量。
日理论发电量计算公式为：
p=N.T=9.81η.h.q.T（kwh）
其中，N为日平均出力（kw）。
T为发电时间，按日计算时，T=24h。
h和q单位分别为m和m3/s。
其余同前。
代入上述分析结果，日理论发电量计算公式为：
p=9.81η.h.T.[min（Q，qr/hr0.5.h0.5，Nr./9.81/η/h）]=p（L,Q）--（4）
按式（4），根据制造厂家提供的机组效率数据、实际日均库水位、实际日均出库流量，即可计算出日理论发电量。
其中η采用机组平均效率（即机组等流量运行对应的单机效率）。
2.5
“管理系数”
引入“管理系数”
G=实际发电量P/理论发电量Pi=P/（9.81.η.h.q.T）<
1
理论发电量根据式（4）计算，实际发电量为电厂记录的实际数据，可分别计算出日、月、年平均管理系数。
业内常用“综合效率”系数K表示水电厂综合发电效率：
K=实际发电量P/理想发电量=P/（9.81.h.q.T）<
理论发电量与理想发电量不同，后者假设机组效率为1。
比较两式可得
K=G.η，或G=K/η。
每年由于来水量和分布的不同，机组运行所在的流量与水头工况也会不同，机组效率相应变化。
对一个时段、比如年度来说，同样的平均流量和平均水头，机组平均效率并非相同。
因此，传统的做法，用“综合效率”系数K的平均值大小来评价一个时段的发电量水平，实际上不真实，忽略了机组效率的影响。
管理系数实质上体现了水电厂综合管理效率，比传统的综合效率系数更直接、真实地反映了管理因素对水电厂发电量的影响程度。
由于实际影响发电量的因素众多，通过管理手段和人为努力只能加以消减和改善，不可能完全消除，因此，管理系数可以通过持续改进提高并接近1，但不可能达到和超过1。
管理系数的高低直观反映出水电厂管理水平与努力程度。
因此，可以根据电厂历史水平，人为设定目标管理系数，用以评价水电厂发电量水平，即间接设置发电量目标。
2.6发电量计算模型
根据以上分析，经反复计算比较，综合考量计算精度、表达式复杂程度以及计算工作量之后，选定发电量计算模型为：
P（L,Q）=（a+bL+cln（Q）+dln2（Q））/（1+eL+fln（Q）+gln2（Q））
------（5）
式中，L库水位，Q出库流量，ln（Q）为出库流量的自然对数。
a、b、c、d、e、f、g为待定系数。
采用典型水电厂2009年-2010年历史数据率定下游水位与出库流量关系函数，求得理论发电量计算模型的参数并绘制出图4所示3D图形。
模型像一个不很对称的大鼻子。
求得其他相关的变量函数关系模型参数和图形，如图1至图3所示。
3实际发电量计算模型
3.1边界条件
受机组额定出力pr限制，p<
=pr。
对典型水电厂，电站水头等于低于3米时机组全部停止发电，因此增加边界限制条件：
h>
3（m）时，p=0。
3.2模型率定
用不同时段历史数据，对选定的发电量计算模型进行尽可能贴切的拟合，得出实际发电量计算模型参数。
这种选定目标模型进行拟合的方法，可以保证结论模型表现的变化规律与选定模型一致，而尺寸大小较目标模型呈不同程度且不均匀地收缩性改变，体现实际发电效率降低、和不同工况差异的实际情况。
相比直接对数据进行自由拟合计算的方法，一次性确定模型和参数，很容易因数据不完整或数据偏差产生不符合对象物理规律的“过拟合”结论。
作者曾有多次失败的尝试。
通过用2009、2010两年历史数据进行拟合模型的计算，得出典型水电厂2009年、2010年日发电量模型和参数如图５、图6所示。
从结果看，变化规律相同，与“鼻子”形状一致，说明模型选择合理。
但数据离散度较大，说明尚有提高管理水平的空间，同时数据准确性有待提高。
个别点明显偏离模型，数据存在明显误差。
2009年以后发电量受机组投产台数的影响逐年减小，机组投产台数的影响主要发生在汛期。
比较年度拟合结果，发现小流量下电厂的管理较好，而且发电量水平逐年提升趋势一目了然，尤其大流量（汛期）工况的管理效率2010年显著提高。
最大出力发生在汛头、汛尾，在流量大而且水头足够的时候。
但图中可见，按照该厂目前库水位控制方案，电厂不可能到达最大设计容量，如需全部机组满负荷运行，汛期必须抬高库水位。
4
模型的应用
4.1分析电厂年度发电量水平
4.1.1与应发电量比较分析年发电量水平
以某一典型年份（或多年）历史数据为样板，率定得出最接近实际的发电量模型参数。
将待评价年度的出库流量和指定库水位数据输入该模型，逐日计算，将求得的年“应发电量”与将该年实际发电量比较，既可定量评价该年度发电量水平，也可逐日对比发电量。
简单的说，就是针对实际年来水情况，假设以代表年份的管理水平，该年份应该生产多少电量，实际生产的电量与之差多少，差在哪里。
这种方法非常适合于年度之间的发电量水平比较。
4.1.2与理论发电量比较分析年度发电量水平
根据库水位（水头）、出库流量逐日计算理论发电量，与该年度实际发电量比较，分析评价该年度发电量水平。
这种方法更适合于对特定年份的发电量进行分析，可直接对比分析每日发电工况。
但此法没有反映实际库水位与指定库水位偏差的影响，更强调出库流量是否有效利用。
4.1.3计算实例分析
指定库水位Lz
库水位L
应发电量Py
发电量P
理论发电量Pi
管理系数G
机组效率η
水头h
出库流量Q
2011年
19.34
19.62
183,617
199,656
213,272
0.9362
0.9262
12.17
4214
8月
18.60
19.09
15,128
15,660
16,822
0.9309
0.9361
13.03
2566
7月
18.93
25,182
29,841
32,942
0.9059
0.9144
9.65
6659
6月
18.82
26,289
30,684
33,584
0.9137
0.9128
9.14
6912
5月
18.98
27,599
29,724
32,670
0.9098
0.9094
9.32
6501
4月
19.61
20.37
25,895
28,022
29,180
0.9603
0.9357
13.81
3205
3月
20.20
20.46
26,406
27,424
28,509
0.9620
0.9348
13.92
3077
2月
19.77
15,605
15,817
16,339
0.9681
0.9351
14.36
1842
1月
20.41
21,513
22,484
23,227
0.9680
14.52
2348
2010年
19.46
259,767
269,035
294,509
0.9135
0.8871
11.41
4704
12月
20.44
25,407
26,170
27,120
0.9650
0.9350
14.04
2854
11月
20.15
19.83
23,380
23,144
24,079
0.9612
13.59
2696
10月
29,382
36,624
38,167
0.9596
12.42
4632
9月
19.00
27,920
30,732
33,773
0.9100
0.9279
10.58
5146
18.59
27,508
30,396
33,143
0.9171
0.9134
9.03
6758
18.57
23,125
25,116
30,244
0.8304
0.8889
7.88
8529
18.77
10,313
8,160
12,685
0.6433
0.4408
3.94
13638
18.91
28,348
25,551
29,635
0.8622
0.9223
10.02
4708
20.00
18,154
18,355
19,079
0.9340
13.46
2245
12,877
12,356
12,811
0.9645
0.9358
14.18
1328
19.82
13,324
12,901
13,431
0.9606
14.05
1549
19.63
20,029
19,529
20,343
0.9600
0.9347
13.79
2223
2009年
19.55
250,635
233,291
274,595
0.8496
0.8980
11.75
4586
19.35
15,324
14,622
15,233
0.9599
13.97
1619
19.88
12,866
12,606
13,233
0.9526
0.9346
14.53
1383
20.22
13,692
15,225
16,163
0.9420
0.9338
14.86
1600
19.58
21,711
22,816
24,750
0.9218
0.9359
12.88
2945
18.58
27,906
24,885
30,911
0.8051
0.9162
9.42
5782
18.99
14,677
12,713
19,608
0.6484
0.6475
5.42
13629
18.56
23,235
18,414
28,037
0.6568
0.8555
7.58
8780
18.54
23,684
18,342
25,548
0.7179
0.8819
8.64
7145
20.27
30,744
26,921
31,480
0.8552
0.9342
12.28
4319
20.11
24,934
22,969
25,505
0.9006
13.48
2777
20.24
19,325
20,384
20,328
1.0027
0.9354
14.13
2334
20.38
22,537
23,395
23,799
0.9830
0.9356
14.10
2473
上表是用2010年的发电量模型参数（其中下游水位与出库流量关系采用代表性较好的2009-2010年数据率定），计算得出的2009年全年与2011年1月-8月23日应发电量与实发电量的对照，同时列出了理论发电量、管理系数的计算值。
理论发电量采用出库流量Q和库水位L计算，应发电量采用出库流量Q和指定库水位Lz计算。
指定库水位Lz按照流域调度规定确定：
每年4月20日-10月31日18.6m；
其余时间19.8-20.6m，取平均值20.2m。
应发电量与实发电量的偏差及其大小，取决于实际库水位与指定库水位差异、出库流量的利用程度，以及机组运行方式、检修安排、设备维护质量等众多管理方面因素。
以2010年发电量模型为样板，求所得的2009年应发电量偏大而2011年应发电量偏小。
说明2009年的管理水平较2010年低，而2011年的管理水平较2010年提高。
管理系数逐年增大，也验证了发电量水平逐年提高的事实。
库水位在4月份滞后降低和10月份提前抬高，使发电量增加明显，远高于应发电量。
说明库水位（包括拦污栅压差损失）对低水头水电厂发电量影响显著。
2009年汛期发电量比应发电量小，是由于受机组投产台数较少的影响。
数据采集的准确性影响计算精度。
2011年出库流量与下游水位数据离散度较大，与数据不足一年有关系，导致2011年发电量计算结果不理想。
另外，由于采用日平均流量计算，当日流量变化大时，应发电量偏差较大，汛期很明显。
由于下游水位与出库流量关系是发电量模型的基础，其数据的重复性非常重要，须年年验证。
要保证模型参数正确率定，须选择合适的数据时段和时段长度，以反映水电厂的真实下泄状况。
4.2
设定年度发电量目标
水电厂的年发电量目标由于来水无法预测往往难以预先确定，年末再确定发电量目标的“事后”操作又有失公允。
文本建议通过预先设定年平均管理系数的方法，间接设定年度发电量目标。
即根据历年管理系数水平，预先设定年度管理系数目标值，年末根据实际来水计算年度理论发电量，两者之乘积即为该年度的年发电量目标值。
目标水平预先确定，准确数值年末得出，方法简单实用。
其实也可以直接设定和考核年度管理系数的值。
年发电量目标值：
P=G.Pi
式中，Pi
为理论年发电量，G为预设年平均管理系数。
如，根据典型水电厂管理系数历史数值情况，预先设置2010年度平均管理系数G=0.91，根据来水情况，年末计算得出2010年度理论发电量为294509万kwh，那么2010年发电量目标值为：
P（2010）=0.91x294509=268003万kwh
4.3
分析提升发电量的途径
有了上述模型，非常方便定量分析影响发电量的因素，研究改进提高发电量的途径。
以下列出几个对典型电站的分析结果。
4.3.1库水位抬高对发电量的影响
下表计算出2009年1月-2011年8月期间库水位增加时发电量的变化趋势。
显然，在汛期合理提升库水位，可以显著增加发电量。
表中可见，2010年如果库水位增加1%、2%、5%，年发电量将分别增加2.1%、4.3%、11.1%，发电量随库水位提高而明显增加。
在汛期，若库水位提高2%，月发电量可增加最大达8.8%。
1.01L
1.02L
1.05L
年度
2009
2010
2011
1.5%
1.6%
3.1%
3.2%
3.0%
7.9%
8.3%
7.7%
1.3%
1.4%
2.7%
7.6%
6.7%
6.9%
1.2%
1.8%
3.3%
2.5%
3.7%
8.4%
6.3%
9.4%
2.2%
4.4%
3.6%
11.4%
9.2%
2.6%
5.2%
5.1%
13.3%
13.2%
6.1%
8.8%
5.4%
15.7%
22.8%
13.9%
3.5%
2.9%
7.1%
5.9%
18.4%
15.3%
2.4%
4.9%
12.5%
1.7%
2.3%
4.7%
12.1%
4.6%
6.6%
11.8%
6.4%
8.2%
3.4%
6.8%
8.7%
合计
2.0%
升级会员 