基于原型工況測驗的桐子林電站機組發電用水曲線率定

董 新 亮， 何 朝 暉

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611731；2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610021)

1 桐子林電站概況

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內，是雅礱江下游最末一個梯級電站，電站距二灘水電站壩址18 km，距攀枝花市28 km，壩址控制集水面積12 7624 km2。桐子林水電站為河床式電站，安裝4臺單機容量150 MW的軸流式機組，總裝機容量為600 MW。水庫正常蓄水位1015m，死水位1012m，校核洪水位以下總庫容0.912億m3，水庫具有日調節能力，可對二灘水電站進行反調節。

桐子林水文站為國家基本站，由四川省水文水資源勘測局于1998年1月1日設立，測站位于鹽邊縣金河鄉田村桐子林電站下游約2 km河段，下距雅礱江河口12 km，控制面積128 363 km2。

2 桐子林電站機組發電用水曲線率定的必要性

水輪發電機組(簡稱“機組”)是水輪機和發電機兩者的合稱，是在水能到電能的轉換過程中最主要的動力設備。水輪機是水電站的水力原動機，當具有勢能和動能的水流通過水輪機時，把水流的能量傳給了水輪機轉輪，促使水輪機轉動，從而形成旋轉的機械能。旋轉的機械能又通過水輪機主軸帶動發電機旋轉，勵磁后的發電機轉子隨發電機軸一起旋轉，形成了一個旋轉的磁場，發電機定子線圈因切割磁力線而產生電能。在水輪機調節系統和發電機勵磁系統的控制下，發電機產生的電能以穩定的頻率和電壓輸送到電力系統或電能用戶。

水輪發電機組的發電用水曲線是電站運行調度的基礎特征曲線，在電站的日常運行調度中直接參與電站水量平衡的分析計算及流域水情測量預報，其精度直接影響梯級電站水庫調度方案制定的合理性和科學性以及水情預報成果的可靠性和準確度。

雅礱江下游錦屏一級電站、錦屏二級電站、官地電站、二灘電站、桐子林電站目前均已投產發電，因其上、下游電站之間的水力聯系，各電站具有梯級聯動效應，為了挖掘梯級水電生產的潛力和效益，充分利用各水庫的不同水文與庫容特性，提高整個梯級的發電能力，充分發揮水資源的綜合利用效益，并統一組織各梯級的生產和管理，實現企業效益最大化，目前雅礱江公司按“統一調度、以水定電、出入平衡”的原則進行運行調度。

目前，桐子林電站所使用的機組發電用水曲線成果是通過水輪機模型實驗數據進一步計算所得，并根據桐子林電站實際運行情況進行統計分析，原機組發電用水曲線成果(以下簡稱“模型實驗成果”)與實際運行存在較大的誤差，導致二灘、桐子林電站的出入庫水量在流域上下存在不平衡現象，嚴重影響梯級電站群聯合調度方案的科學編制。

因桐子林電站庫容較小，發電用水曲線的誤差會導致桐子林電站在實際運行中壩前水位無法穩定，需調度運行人員頻繁聯系電網調度部門協調調整發電負荷或開啟泄洪閘棄水以保證水位處于規定范圍，使電廠工作人員操作頻繁，增大了工作量。因此，通過原型工況測驗對桐子林電站進行重新率定是十分必要的。

3 機組發電用水曲線模型實驗成果

機組發電耗水曲線模型試驗的基礎理論是相似理論，應用相似理論，可按國際電工委相關規則先對尺寸較小的模型進行實驗，然后將結果進行轉換。具體過程如下：

(1)建立與原型工況相似的模型實驗工況，要求盡量滿足幾何相似、運動相似、動力相似，通過模型實驗獲取模型水輪機的水頭、直徑、流量、效率、功率等參數。

(2)利用水輪機相似定律根據原型水輪機的水頭、直徑推求原型工況流量、效率、功率等參數。

(3)因幾何相似的模型與原型水輪機的尺寸相差甚大，表面粗糙度不同，工作介質黏度存在差異，水輪機中的液流也不是理想液體，因此兩者雖在相似工況下，但水力損失是不同的，效率亦不相等。故由模型數據推算原型水輪機參數時需根據相關規范進行修正，原型、模型水輪機在相似工況下的效率應進行換算。

(4)根據修正后的原型水輪機技術參數，繪制水輪機運轉綜合特性曲線，如圖1。

圖1 桐子林電站水輪機運轉特性曲線

(5)根據水輪機運轉綜合特性曲線中的技術參數，以及設計單位提供的水頭損失、發電機效率，換算出毛水頭下的機組發電耗水曲線。

4 基于原型工況實驗的機組發電用水曲線率定

4.1 原型率定實驗實施方案

4.1.1 原型工況方案制定[1-2]

機組發電原型工況主要包括二個方面的控制因素：出力控制和水頭控制。

4.1.1.1 出力控制

出力變化范圍內盡量均勻分布，不同工況出力間隔10 MW左右，須避開機組震動區。本次實驗從振動區以外的80 MW至150 MW每間隔10 MW設立一個工況點。工況時段要求桐子林電站運行機組均按工況要求帶負荷，采用等出力方式運行。

4.1.1.2 水頭控制

水頭變化范圍內盡量均勻分布，本次實驗從桐子林電站死水位1 012 m至正常蓄水位1 015 m每間隔1 m設立一個工況點。

4.1.2 測驗方案制定

工況時段內，需對桐子林電站壩前水位、尾水水位、各機組出力、發電流量等數據進行采集，采集方式及設備見表1。其中，發電流量現場測驗是實驗關鍵環節，桐子林水文站位于桐子林電站壩址下游2 km處，區間面積較小可忽略不計，通過在桐子林電站下游的桐子林水文站進行水位、流量測驗獲取發電流量數據。

表1 桐子林電站發電工況原型實驗數據采集方案

4.2 發電用水曲線率定

4.2.1 實驗數據分析

通過記錄的水頭、各機組出力等運行數據及各電站發電耗水曲線模型實驗成果，進行計算出各發電工況發電流量(即“查線流量”)，將其與各發電工況實測發電流量進行對比分析，見圖2。由圖可見，桐子林電站模型實驗成果與原型實驗成果有較明顯差異，誤差根據實驗出力控制不同有所不同，范圍大致為5%～15%。

圖2 桐子林水電站發電工況實測流量與查線流量對比分析

4.2.2 發電耗水曲線率定

機組發電耗水曲線的模型實驗成果是被國際電工委員會(IEC)承認的，在一定程度上可以反映出各種運行工況下電站水頭、出力、機組效率之間的關系，其誤差主要為系統誤差，故采用相關關系分析法進行分析率定，基于原型觀測實驗數據建立各發電耗水曲線原型實驗成果與模型實驗成果之間的依賴關系，分析數據內在規律，進行發電用水曲線率定。見圖3。

圖3 桐子林水電站發電工況實測流量與查線流量相關關系

由圖3可知，桐子林電站機組出力為80 MW時，實測數據比發電耗水曲線查線數據偏大約5%；機組出力90 MW時，實測數據偏大約7%；機組出力為100 MW、110 MW、120 MW、130 MW、140 MW時，實測數據偏大約10%；機組出力為150 MW時，實測數據偏大約11%。基本呈現出力越大，發電流量偏差越大特點。

5 成果檢驗

桐子林電站下游有桐子林水文站，其區間面積僅739 km2，在枯水期，區間流量可基本忽略不計，桐子林電站出庫流量應基本與桐子林水文站流量相等。根據桐子林電站機組發電耗水曲線模型實驗成果和原型實驗成果，分別計算桐子林電站近期出庫流量，并與桐子林電站下游的桐子林水文站同期流量成果進行比較，見圖4。由圖4可知：采用根據模型實驗推導的機組發電用水曲線計算出的桐子林電站出庫流量與桐子林水文站同期流量相差較大，這明顯不符合實際。而采用根據原型工況實驗率定的機組發電用水曲線計算的桐子林電站出庫流量與桐子林水文站同期流量基本一致，說明基于原型工況的桐子林電站機組發電用水曲線率定成果是合理的。

6 結 論

(1)根據國內目前運行的各電站實際運行經驗，水電站的實際運行參數——水輪機運轉綜合特性曲線、發電機效率、水頭損失等均可能設計值存在一定的誤差, 但因涉機械、水力、電氣等諸多因素，很少有較為系統的一下就全部解決的方案，本次根據原型實驗率定毛水頭下機組出力對應發電流量，可以反應出各參數的綜合誤差，回避逐個參數率定的困難，是現階段較為實用的方法之一。

(2)實測的發電用水曲線光滑，各工況點沒有明顯的離散，分布趨勢基本反映了水輪發電機組的實際能量特性，因此，得到的試驗數據是真實可靠的。采用基于原型工況實驗率定的桐子林電站發電耗水曲線計算出的桐子林電站枯水期出庫流量(未產生溢棄流量時段)與桐子林水文站同時段流量基本一致，這證明桐子林電站發電用水曲線率定成果是準確的。

(3)發電用水曲線與庫容曲線、泄流曲線并稱電廠運行調度的三大基礎特性曲線。通過原型工況實驗對發電用水曲線進行率定, 可為電廠提供更為準確的基礎特性曲線，以計算出比較可靠的發電流量, 便于制定電站發電日計劃及進行廠內經濟運行，為水電站的經濟運行及能量指標復核提供可靠的依據。