高壩洲電廠軸流轉槳式機組汛期運行方式分析

雷若逍，鄧兆東，薛 勇

（湖北省宜昌市清江水電開發(fā)有限責任公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

軸流轉槳式機組，是一種主要由水輪機、導水機構和發(fā)電機等主要部件組成的水力發(fā)電設備。它的工作原理是通過水輪機將水能轉化為機械能，進而驅動發(fā)電機產生電能。軸流轉槳式機組適用于較低水頭或負荷波動較大的低水頭電站，與軸流定槳式機組不同，其轉輪葉片可以與導葉協(xié)聯(lián)調節(jié)，在調節(jié)導葉開度的同時，可按預先設定的協(xié)聯(lián)關系調節(jié)槳葉的角度，以保證水輪機始終在最優(yōu)工況下運行。

汛期發(fā)電時，由于發(fā)電水頭的變化，軸流轉槳式機組往往存在出力受限的現(xiàn)象，如低水頭大開度運行，容易產生偏工況運行[1]。本文以高壩洲電廠水電站1 號機組（軸流轉槳式機組）為例，研究汛期低水頭下發(fā)電運行方式。

1 歷史數(shù)據(jù)及初步分析

高壩洲電廠1 號水輪發(fā)電機為軸流轉槳式機組，發(fā)電機型號為SF90－48/9500 型，水輪機型號為ZZD231－LH－580 型，由東方電機股份有限公司生產。該水電站為長江支流清江流域開發(fā)的最末一級,共有3 臺容量84 MW 的軸流轉槳式水輪發(fā)電機組,額定水頭32.15 m,最大水頭40.10 m,極限最小水頭16.10 m,設計定轉子氣隙21 mm[2]。以2020 年水位數(shù)據(jù)為例，在汛期，受長江水位上升影響，該水電站下游尾水水位最高約47 m，最低約40 m，而上游水位較為穩(wěn)定，均在78～80 m 間。如表1 所示，汛期，該水電站水頭顯著降低，最低時不足32 m。

表1 2020 年1 號機組發(fā)電時水庫流量及水頭數(shù)據(jù)

由于汛期最低水頭已低于額定水頭32.15 m，在該時期1 號機組已無法在額定功率下運行，導致機組運行效率、耗水量、機組擺動情況均處于不利工況。在該工況運行時，機組由于低水頭的原因，出力受到限制，機組運行效率低、耗水率高。機組在低水頭工況下負荷增加過程中，由于軸流轉槳式水輪機的調節(jié)特性，凈水頭快速下降，而水頭波動對機組出力、水輪機振動及機組發(fā)電經濟效益等影響較大，極易造成機組出力受限，甚至會導致出力被迫下降而引發(fā)負荷波動的風險[3]。

2 發(fā)電機組運行效率

發(fā)電機的效率是指發(fā)電機輸出的電功率與輸入的機械功率之間的比值，該比值是衡量發(fā)電機運行性能的一個重要指標。一個水電站如果具有很高的水能利用率，同時能將產出的電能高效地輸送至用戶，該電站就可以獲得最大的經濟效益[4]。當發(fā)電機組運行效率越高時，其運行工況越佳，是汛期推薦運行區(qū)間的重要參數(shù)。在額定水頭下，以1 號發(fā)電機組為例進行發(fā)電機組運行效率試驗，試驗結果如圖1 所示。

圖1 發(fā)電機組運行效率

3 發(fā)電機組耗水率

發(fā)電機組標準耗水率是指發(fā)一度電（1 kW·h）所需要的1 m3水量和1 m水頭的標準水能消耗量[5]。標準耗水率指標能反映出機組的不同出力、不同發(fā)電流量、不同運行水頭工況點下的運行優(yōu)劣。機組耗水率與整體運行工況有關，且機組發(fā)電效率越高其耗水率越低。對于整個水電站乃至流域來說，發(fā)電過程中耗水率越低，最終產生的經濟效益越高。因此，在汛期的低水頭發(fā)電模式下，也應考慮耗水率指標。在額定水頭下，以1 號水輪發(fā)電機組為例進行耗水率試驗，試驗結果如圖2 所示。

圖2 發(fā)電機組耗水率情況

耗水率與機組運行效率相關，當機組運行效率較高時，耗水率也處于較低水平。因此在考慮機組運行模式時，主要關注參數(shù)應為機組運行效率。

4 發(fā)電機組擺度

機組擺度是發(fā)電機組工況的代表指標之一，主要是由于水輪機的力矩和軸向水推力的波動引起的。水輪發(fā)電機組的擺動會影響設備運行狀態(tài)，擺動劇烈時可能會導致上導、推力、水導等軸承軸瓦燒毀，在發(fā)電機組并網運行狀態(tài)下需要盡可能地保證發(fā)電機組運行在擺動較小的負荷區(qū)間內[6]。通常，機組運行在額定功率區(qū)間內，機組的擺動往往較小，此時工況也最佳。在汛期的低水頭發(fā)電模式下，水輪發(fā)電機組的擺動往往大于額定功率運行模式。因此在汛期的低水頭發(fā)電模式下，應選擇合適的運行方式，使機組運行在擺動較小區(qū)間內。以1號水輪發(fā)電機組為例，在水頭分別取32.5 m、31.0 m、30.0 m、29.0 m 的情況下，不同負荷下對上導擺動數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結果如表2 所示。

表2 不同水頭下1 號機組在各負荷運行時的上導擺動情況

對不同水頭下機組運行參數(shù)情況進行繪制，并對曲線進行擬合，如圖3～圖6 所示。

圖3 水頭為32.5±0.1 m 時上導擺動隨負荷變化情況

圖4 水頭為31±0.1 m 時上導擺動隨負荷變化情況

圖5 水頭為30±0.1 m 時上導擺動隨負荷變化情況

圖6 水頭為29±0.1 m 時上導擺動隨負荷變化情況

由圖3～圖6 可得，在水頭相同的情況下，一定范圍內，機組擺動隨負荷增大而減小，越過一臨界值后，機組擺動變化不大。因此，在水輪發(fā)電機組運行效率最高（查詢高壩洲電廠水輪機運轉特性曲線最高效率為94%）的情況下，經數(shù)據(jù)統(tǒng)計歸納出各低水頭下推薦出力如表3 所示。

表3 低水頭下推薦出力

5 結論

根據(jù)1 號機組上導擺度、負荷、水頭等原始數(shù)據(jù)的相關分析，結合1 號水輪發(fā)電機組運轉特性曲線、低水頭時上導擺動隨負荷變化情況，在汛期低水頭下，根據(jù)不同的水頭按照表3 低水頭運行時推薦出力表安排出力，1 號機組可以運行在相對較好的工況下。出于減小擺度振動的考慮，運行過程中可能需要電廠運行值班人員根據(jù)實際情況通知調度進行少量的負荷調整(±2 MW)，該建議需要在今后的運行過程中進一步驗證和完善。