水電站極低水位運(yùn)行方式研究

王奕 程永慶

1. 國(guó)家能源集團(tuán)新疆吉林臺(tái)水電開發(fā)有限公司 北京 100101；

2. 國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司 遼寧 大連 116600

1 電站基本情況

吉林臺(tái)一級(jí)水庫(kù)是其所在流域上最大的調(diào)節(jié)性水庫(kù)，正常蓄水位1420m，擔(dān)負(fù)著流域中下游水量調(diào)節(jié)的重任，同時(shí)吉林臺(tái)一級(jí)電站作為新疆最大的水電站，還承擔(dān)新疆電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的任務(wù)。按照水庫(kù)設(shè)計(jì)要求，特殊情況下，水庫(kù)運(yùn)行水位允許偏低于設(shè)計(jì)死水位1380m，最低運(yùn)行水位可到極限死水位1372m。

吉林臺(tái)一級(jí)電站為壩后式電站，裝有4臺(tái)型號(hào)相同、單機(jī)容量125MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電引水系統(tǒng)采用二機(jī)一洞布置，由兩條壓力鋼管引水至水輪機(jī)蝸殼，單機(jī)設(shè)計(jì)最大引用流量125m3/s。下游受其下泄流量影響的電站依次為吉林臺(tái)二級(jí)電站（日調(diào)節(jié)水庫(kù)）、尼勒克電站（渠道引水式電站）。

2 確定出力區(qū)間

2.1 根據(jù)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求確定出力下限

吉林臺(tái)一級(jí)電站《水輪機(jī)說明書》規(guī)定，機(jī)組低負(fù)荷區(qū)為P＜50MW，機(jī)組不宜在低負(fù)荷區(qū)長(zhǎng)期運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)，單機(jī)出力低于50MW時(shí)，機(jī)組振動(dòng)、擺度較大，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪汽蝕損壞嚴(yán)重，長(zhǎng)期在此工況下運(yùn)行，勢(shì)必危及機(jī)組的安全，降低機(jī)組的使用壽命。此外，從機(jī)組流量特性關(guān)系曲線可以看出，P＜50MW為非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)也表明，在低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)效率低于85%，發(fā)電耗水率高，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平偏低。鑒于上述情況，將單機(jī)出力下限確定為50MW。

2.2 根據(jù)水頭和最大引用流量確定出力上限

水位在1372-1380m之間時(shí)，因水頭低于額定水頭，水耗增大，受發(fā)電引用流量限制，單機(jī)最大出力無法達(dá)到額定出力。單機(jī)最大出力可根據(jù)公式P=9.81ηQH計(jì)算，其中Q取最大引用流量125m3/s，H取不同水位對(duì)應(yīng)的水頭，計(jì)算結(jié)果作為相應(yīng)水位下的單機(jī)出力上限。

3 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式

3.1 站內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

因吉林臺(tái)一級(jí)電站無死水位以下運(yùn)行的經(jīng)歷，本方案采用理論計(jì)算方法進(jìn)行制定。依據(jù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最優(yōu)準(zhǔn)則，在一定負(fù)荷下總的耗水量為最小，即目標(biāo)函數(shù)，采用兩個(gè)模型——負(fù)荷分配模型和機(jī)組組合模型結(jié)合的辦法確定站內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。

（1）采用負(fù)荷分配模型確定開機(jī)臺(tái)數(shù)和負(fù)荷分配方式

先假定所有機(jī)組效率、性能完全相同，對(duì)同一水位同一總出力，按照不同的開機(jī)臺(tái)數(shù)、不同的負(fù)荷分配進(jìn)行組合（剔除單機(jī)負(fù)荷超出上述單機(jī)出力上下限范圍的組合），計(jì)算出所有可能的組合方式對(duì)應(yīng)的耗水率，選取綜合耗水率最小的組合方式作為對(duì)應(yīng)水位、對(duì)應(yīng)總出力的最優(yōu)負(fù)荷分配方式。根據(jù)上述原理，可計(jì)算出不同水位不同總出力下的最優(yōu)負(fù)荷分配方式。

通過對(duì)比計(jì)算成果，水位差在1m以內(nèi)、總出力差在10MW以內(nèi)時(shí)，最優(yōu)運(yùn)行方式?jīng)]有變化，為便于運(yùn)行人員在生產(chǎn)過程中使用計(jì)算成果，水位以1m間隔、總出力以10MW為間隔繪制最優(yōu)運(yùn)行方式表，計(jì)算成果見表1。

表1 1372～1380m出力最優(yōu)分配表（節(jié)選部分）

（2）采用機(jī)組組合模型確定開機(jī)順序和機(jī)組組合方式

首先統(tǒng)計(jì)機(jī)組組合方式，單機(jī)發(fā)電：1#機(jī)組、2#機(jī)組、3#機(jī)組、4#機(jī)組共4種；2臺(tái)機(jī)組發(fā)電：1#2#機(jī)組，1#3#機(jī)組、1#4#機(jī)組、2#3#機(jī)組、2#4#機(jī)組、3#4#機(jī)組共6種；3臺(tái)機(jī)組發(fā)電：1#2#3#機(jī)組、1#2#4#機(jī)組、1#3#4#機(jī)組、2#3#4#機(jī)組共4種；4臺(tái)機(jī)組發(fā)電：1#2#3#4#機(jī)組共1種，合計(jì)15種機(jī)組組合方式。由于吉林臺(tái)一級(jí)電站發(fā)電引水系統(tǒng)采用二機(jī)一洞模式，#1、#2機(jī)組共用一號(hào)發(fā)電洞，#3、4#機(jī)組共用二號(hào)發(fā)電洞。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，同一發(fā)電洞的兩臺(tái)機(jī)組之間互相影響，當(dāng)只有2臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)，采用不同發(fā)電洞的兩臺(tái)機(jī)組發(fā)電水耗略低于同一發(fā)電洞兩臺(tái)機(jī)組組合。因此，取消1#2#機(jī)組、3#4#機(jī)組2種組合方式。

通過查詢機(jī)組試驗(yàn)報(bào)告，機(jī)組性能略有差異，由優(yōu)到劣排序?yàn)?#機(jī)組-3#機(jī)組-4#機(jī)組-2#機(jī)組。結(jié)合對(duì)剩余13種組合方式發(fā)電運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，得出機(jī)組最優(yōu)組合表（見表2）。正常情況下，按此組合方式運(yùn)行；特殊情況下，根據(jù)母線電壓情況、電網(wǎng)潮流分布情況和調(diào)度調(diào)令執(zhí)行開、停機(jī)。

表2 機(jī)組最優(yōu)組合表

將上述兩種模型的原理和計(jì)算結(jié)果相結(jié)合，即可得出不同水位、不同出力下耗水率最小的開機(jī)順序、機(jī)組組合方式和負(fù)荷分配方式，即最優(yōu)運(yùn)行方式。

3.2 流域梯級(jí)電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

考慮到流域梯級(jí)電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求，應(yīng)提前與電網(wǎng)調(diào)度溝通，制定合理的負(fù)荷計(jì)劃，日均出庫(kù)流量以滿足下游尼勒克電站（渠道引水式）不棄水為原則。短時(shí)負(fù)荷較大時(shí)，可考慮采取分時(shí)段發(fā)電方式，以保證下游吉林臺(tái)二級(jí)電站（日調(diào)節(jié)水庫(kù)）不泄洪，并利用吉林臺(tái)二級(jí)電站反調(diào)節(jié)特性實(shí)現(xiàn)水量均勻下泄，滿足下游尼勒克電站穩(wěn)定引水發(fā)電。

4 保證安全運(yùn)行的措施

（1）加強(qiáng)水工建筑物監(jiān)測(cè)和閘門啟閉系統(tǒng)檢查

因水位大幅變化，水工建筑物承受水壓力發(fā)生明顯變化，應(yīng)加強(qiáng)大壩（樞紐）位移、變形監(jiān)測(cè)，增加引水渠道面板巡視檢查頻次。還要定去對(duì)閘門啟閉設(shè)備進(jìn)行全面檢查，保證閘門啟閉設(shè)備安全可靠，可隨時(shí)控制樞紐水位和引水渠道引水流量。

（2）加強(qiáng)機(jī)組振擺監(jiān)視及水車室巡視檢查

水力條件的變化,必然引起機(jī)組穩(wěn)定性的變化，最明顯的就是振動(dòng)、擺度的增大。運(yùn)行過程中，必須加強(qiáng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)、擺度的監(jiān)視，加大水車室巡視檢查，防止水輪機(jī)頂蓋、調(diào)速器接力器等重要輔機(jī)設(shè)備因振動(dòng)超標(biāo)造成松動(dòng)破壞，引發(fā)事故。

（3）嚴(yán)密監(jiān)視水庫(kù)水位

當(dāng)上游水位低于1372m時(shí)，受進(jìn)水口處的漩渦影響，進(jìn)入發(fā)電洞的水流很可能挾氣進(jìn)入壓力鋼管，造成壓力鋼管震蕩、機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定?？梢栽O(shè)置水位自動(dòng)報(bào)警或采用其他手段，保證水庫(kù)水位不低于此極限水位。

（4）及時(shí)清理進(jìn)水口雜物

死水位以下運(yùn)行時(shí)，水庫(kù)水位消落幅度較大，水庫(kù)水面明顯縮小，水庫(kù)漂浮物會(huì)嚴(yán)重聚集，造成攔污柵堵塞，降低水頭，而且一旦雜物進(jìn)入引水鋼管還會(huì)危害水輪機(jī)正常運(yùn)行，甚至造成破壞。因此要做好進(jìn)水口雜物清理工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

吉林臺(tái)一級(jí)電站沒有死水位以下運(yùn)行的經(jīng)歷，文中探討的方法以理論計(jì)算為主，此方法同樣適用于在正常水位下優(yōu)化運(yùn)行方式。水電站在實(shí)際生產(chǎn)中遇到死水位以下運(yùn)行的異常工況時(shí)，可在保證安全的前提下，按此方法確定開機(jī)順序、開機(jī)組合方式、分配機(jī)組間負(fù)荷，并在實(shí)踐中驗(yàn)證、優(yōu)化方案，找出最優(yōu)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)耗水率最低，提高電站發(fā)電效益。當(dāng)然，當(dāng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與安全發(fā)生矛盾時(shí)，應(yīng)首先以安全第一為原則安排生產(chǎn)。