基于兩級(jí)調(diào)度模式下的大型水電站優(yōu)化運(yùn)行分析

李民希

（二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000）

1 概述

桐子林電站和二灘水電站同屬于二灘水力發(fā)電廠管理。桐子林水庫(kù)2015 年年中進(jìn)行了蓄水，10 月、11 月，桐子林電站1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)機(jī)組分別投產(chǎn)發(fā)電，2016 年3 月桐子林電站4 號(hào)機(jī)組投產(chǎn)，截止目前桐子林電站已投產(chǎn)運(yùn)行3 年。由于桐子林水電站為日調(diào)節(jié)水庫(kù)且機(jī)組為軸流轉(zhuǎn)槳式，單機(jī)發(fā)電流量很大，因此上游水位變化很大，從而導(dǎo)致了上游的二灘水電站尾水位發(fā)生了變化，對(duì)二灘水電站枯平期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了影響。此外，二灘水電站在今年起調(diào)度關(guān)系由四川省調(diào)轉(zhuǎn)變?yōu)閲?guó)調(diào)西南分調(diào)直接調(diào)度，形成了“一廠兩站、兩級(jí)調(diào)度”的調(diào)控模式，為二灘和桐子林電站在枯平期的聯(lián)合運(yùn)行帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

2 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是指通過(guò)加強(qiáng)安全生產(chǎn)管理、提高設(shè)備可靠性、優(yōu)化電站機(jī)組負(fù)荷分配，實(shí)現(xiàn)枯平期（1～5月及11～12 月）降低耗水率，以充分利用水能資源達(dá)到最大限度增發(fā)電量目的。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)主要考慮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行（即機(jī)組可利用系數(shù)）和發(fā)電效益兩部分共同決定。發(fā)電廠發(fā)電效益就等于總發(fā)電量與電價(jià)的乘積。

3 下游電站運(yùn)行對(duì)上游電站的影響

3.1 桐子林水電站水庫(kù)水位抬升對(duì)二灘水電站機(jī)組耗水率的影響

2018 年1 月2 日～12 日期間二灘電站負(fù)荷相對(duì)固定，負(fù)荷因素對(duì)尾水位的影響較小，提取了該期間每個(gè)整點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)繪制二灘水電站尾水位與桐子林水電站壩前水位關(guān)系圖。

圖1 二灘水電站尾水位與桐子林水電站壩前水位關(guān)系

由圖1 可看出，當(dāng)二灘水電站機(jī)組總負(fù)荷不變時(shí)，桐子林水電站壩前水位的變化，會(huì)引起二灘水電站尾水位的同向變化，當(dāng)前負(fù)荷下桐子林水庫(kù)水位上漲1 m 會(huì)導(dǎo)致二灘水電站尾水位同步上漲接近1 m。因此，在上游水位不變情況下，桐子林水電站水庫(kù)水位抬升必然導(dǎo)致二灘水電站機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭降低。

根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組流量公式：

其中：Q 為水輪機(jī)流量；P 水輪發(fā)電機(jī)出力；H水頭；η1水輪機(jī)效率；η2發(fā)電機(jī)效率。

可得，在發(fā)電出力一定的情況下，機(jī)組流量與機(jī)組的水頭成反比關(guān)系。所以隨著桐子林水電站壩前水位的升高，二灘水電站尾水位將隨之升高，機(jī)組水頭降低，機(jī)組耗水率同步增加。在枯水期川內(nèi)來(lái)水普遍減少的自然規(guī)律下，耗水率指標(biāo)的上升，不利于二灘水電站水能資源的高效利用，同時(shí)降低了二灘水電站電力生產(chǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3.2 尾水位抬升對(duì)二灘水電站機(jī)組運(yùn)行特性的影響

水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線是表示水輪機(jī)水頭、流量、出力和效率之間相互關(guān)系的曲線，是選擇水輪機(jī)及分析最優(yōu)工作位置的依據(jù)，它對(duì)水電站如何合理放水、提高機(jī)組效率和減少單位電能耗水率起著指導(dǎo)作用，對(duì)水庫(kù)合理調(diào)度、提高水電站經(jīng)濟(jì)效益有其重要意義。

二灘水電站尾水位抬升后，二灘水電站機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭低于設(shè)計(jì)運(yùn)行水頭，設(shè)計(jì)水頭線下移，將對(duì)機(jī)組運(yùn)行特性帶來(lái)一定的變化，其影響主要是，相同壩前水位時(shí)，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭降低，隨著水庫(kù)水位的消落，機(jī)組將提前進(jìn)入限制出力運(yùn)行區(qū)域（由圖2 可知，水頭在160 m 及以上時(shí)，機(jī)組可以滿發(fā)），導(dǎo)致全站發(fā)電能力降低。

3.3 桐子林水電站水位抬升對(duì)二灘水電站機(jī)組振動(dòng)的影響

水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪出口水流的絕對(duì)速度將產(chǎn)生一個(gè)圓周分量，尾水管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流速由管壁到中心逐漸增大，在尾水管內(nèi)形成了真空渦帶。渦帶以一定的頻率在尾水管內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其中心的真空帶周期性地掃射尾水管壁的四周，產(chǎn)生周期性的壓力波動(dòng)，引起機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)，發(fā)出撞擊聲。

水輪機(jī)振動(dòng)的誘發(fā)因素中，尾水管渦帶壓力脈動(dòng)是不可忽略的因素。立式混流式水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)，在部分負(fù)荷時(shí)尤為強(qiáng)烈。當(dāng)發(fā)生尾水管壓力脈動(dòng)時(shí)，機(jī)組各部位振動(dòng)擺度明顯增大，在發(fā)電機(jī)層能聽(tīng)到渦帶撞擊尾水管壁時(shí)發(fā)出的轟隆聲，在尾水管附近可聽(tīng)到水流的沖擊聲；蝸殼壓力表和頂蓋壓力表指針擺動(dòng)程度隨機(jī)組振動(dòng)增大而明顯增大。

圖2 二灘水電站1 F 運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線

為了避免尾水管渦帶壓力脈動(dòng)，二灘水電站機(jī)組尾水管補(bǔ)氣方式采用大軸中心補(bǔ)氣管自然補(bǔ)氣。這種補(bǔ)氣的方式，破壞了尾水管內(nèi)形成的真空渦帶，避免了機(jī)組在受尾水管渦帶壓力脈動(dòng)影響而造成的振動(dòng)損傷。

當(dāng)尾水水位上升較大時(shí)，水輪機(jī)組尾水管內(nèi)壓力較一般情況要高，使用目前的自然補(bǔ)氣方式補(bǔ)氣時(shí)，可能滿足不了破壞尾水管內(nèi)真空渦帶的補(bǔ)氣量需求[1]。所以當(dāng)尾水水位上升時(shí)，尾水管渦帶壓力脈動(dòng)引起的機(jī)組振動(dòng)需要特別的留意。但是由于二灘水電站尾水位變化幅度相對(duì)較小，所以尾水位導(dǎo)致的機(jī)組振動(dòng)變化情況相對(duì)不大。另外根據(jù)2016年QC 報(bào)告《二灘水電站機(jī)組振動(dòng)情況分析》結(jié)論，在非振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)，尾水位升高和降低不會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇或較小，尾水位變化導(dǎo)致機(jī)組水頭變化，水頭變化會(huì)影響機(jī)組振動(dòng)。總之，桐子林水電站水位抬升對(duì)二灘水電站機(jī)組在非振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)影響不大。

但是由于機(jī)組實(shí)際運(yùn)行振動(dòng)區(qū)間會(huì)隨著機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭降低而變化，尤其是振動(dòng)區(qū)邊界定值可能發(fā)生變化，機(jī)組在振動(dòng)區(qū)邊界運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)偏大的情況，這就需要運(yùn)行人員重點(diǎn)關(guān)注機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，并做到及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。所以，桐子林水電站水位抬升對(duì)二灘水電站機(jī)組在振動(dòng)區(qū)邊界運(yùn)行時(shí)振動(dòng)仍有待繼續(xù)觀察。

3.4 桐子林水電站水庫(kù)水位抬升對(duì)二灘水電站機(jī)組空蝕的影響

水輪發(fā)電機(jī)過(guò)流部件的空蝕現(xiàn)象是對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行的重大危害。控制過(guò)流部件，尤其是轉(zhuǎn)輪葉片的空蝕程度，有利于機(jī)組的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。水輪機(jī)組的空蝕類型主要有翼型空蝕、間隙空蝕、空腔空蝕和局部空蝕，對(duì)于混流式水輪發(fā)電機(jī)組而言主要為翼型空蝕。為了避免翼型空蝕的發(fā)生，根據(jù)流體力學(xué)原理，有效的方法就是降低機(jī)組的吸出高度[2-3]。機(jī)組的吸出高度一般是指，水輪機(jī)安裝在下游尾水水位以上（或以下）的高度。機(jī)組吸出高度計(jì)算公式為：HS=ΔA-Δw；

其中，ΔA為水輪機(jī)安裝高程，ΔW為尾水位高程。在二灘水電站，由于尾水位比機(jī)組安裝高程要高，所以機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的吸出高度為負(fù)值。機(jī)組設(shè)計(jì)的吸出高度為-8.4 m。

在機(jī)組安裝高程固定的情況下，尾水水位直接影響著機(jī)組的吸出高度。吸出高度越小，亦即安裝高程越低或尾水水位越高，水輪機(jī)越不易發(fā)生空蝕。所以，從空蝕防護(hù)的角度看，運(yùn)行尾水水位抬高對(duì)機(jī)組是有利的。

3.5 桐子林水電站水位抬升對(duì)二灘水電站機(jī)組集電環(huán)室內(nèi)補(bǔ)氣管道結(jié)露的影響

二灘水電站機(jī)組尾水管補(bǔ)氣方式采用大軸中心補(bǔ)氣管自然補(bǔ)氣。補(bǔ)氣管道為金屬部件，且與自然河流水接觸，能較快地傳遞熱量。

若機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，根據(jù)U 型管原理，尾水將倒灌充滿機(jī)組大軸補(bǔ)氣管以及大軸補(bǔ)氣頭。當(dāng)尾水溫度較低時(shí)，也必將會(huì)導(dǎo)致管道外壁溫度降低。當(dāng)與大軸補(bǔ)氣管及集水盆表面接觸的空氣溫度下降到露點(diǎn)溫度后，將在管道表面產(chǎn)生冷凝水。其中露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度和相對(duì)濕度關(guān)系密切，環(huán)境溫度一定時(shí)，相對(duì)濕度越大，露點(diǎn)溫度則越高；相對(duì)濕度一定時(shí)，環(huán)境溫度越高，露點(diǎn)溫度則越高。

當(dāng)二灘水電站機(jī)組尾水位隨桐子林水電站水位抬升靠近大軸補(bǔ)氣管水平段高程后，將會(huì)有更多的管道與尾水接觸，導(dǎo)致補(bǔ)氣管道的冷卻程度增加，在同等相對(duì)濕度下管道表面溫度有更大的可能下降到露點(diǎn)溫度以下，增加了補(bǔ)氣管道結(jié)露的概率。

補(bǔ)氣管道表面的冷凝水將會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的電氣部件造成絕緣威脅。對(duì)于集電環(huán)室而言，若冷凝水水量較多，沿機(jī)械結(jié)構(gòu)滲漏后將落到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路上，使其絕緣下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作。所以，從絕緣防護(hù)的角度看，運(yùn)行尾水水位抬高對(duì)機(jī)組是不利的。

3.6 尾水位抬升，對(duì)二灘電站地下廠房設(shè)備設(shè)施跑水漏水安全風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的影響

目前，二灘水電站4 號(hào)機(jī)尾水管進(jìn)人門處漏水、4 號(hào)機(jī)頂蓋自流排水孔堵塞和6 號(hào)機(jī)大軸補(bǔ)氣頭水平段閥門6256 輕微滲水等問(wèn)題仍未徹底處理。二灘水電站尾水位抬升后，尾水調(diào)壓室水位和水墊塘水位隨之抬升，發(fā)電機(jī)補(bǔ)氣頭、滑環(huán)室、風(fēng)洞、母線洞和安裝間保護(hù)室墻體、地下廠房各排水溝、蝸殼和尾水管人孔門等部位跑水漏水風(fēng)險(xiǎn)增加，通過(guò)圖3 分析滲漏集水井水位與壩后水位的關(guān)系可得印證。

圖3 滲漏采水井水位與壩后水位關(guān)系

與圖3 中2 月13 日后面數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，2 月13 日前的壩后水位（灰線）較高，滲漏集水井水位（黑線）變化密度大，即是滲漏排水泵啟停較為頻繁，說(shuō)明滲漏跑水來(lái)水較多。所以當(dāng)尾水位抬升后，地下廠房設(shè)備設(shè)施跑水漏水安全風(fēng)險(xiǎn)將不可避免的有所增加。

特別是汛期大發(fā)電期間，二灘水電站若采取壩身泄洪，尾水位將輕易達(dá)到1 019 m，此時(shí)更應(yīng)加強(qiáng)對(duì)以上易漏水部位的巡檢力度和頻次，密切關(guān)注尾水位的變化、氣象信息等情況。

3.7 水墊塘檢修時(shí)，桐子林水電站水位抬升對(duì)二灘水電站機(jī)組出力的影響

據(jù)檢修計(jì)劃安排，水墊塘每3 年檢修一次，抽水工期約為4 個(gè)月。期間為確保水墊塘工作人員、設(shè)備安全，須保證二灘水電站壩后水位不超過(guò)二道壩高程（1 015.00 m）。

2015 年期間為確保水墊塘檢修工作正常開(kāi)展，曾做過(guò)如下分析。為確定不同桐子林水電站水庫(kù)水位下，二灘水電站壩后水位1 015 m 以下時(shí)的發(fā)電負(fù)荷，提取了監(jiān)控系統(tǒng)上二灘水電站壩后水位、二灘水電站有功功率、桐子林水電站壩前水位進(jìn)行分析。典型數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 負(fù)荷、水位典型數(shù)據(jù)

從表1 數(shù)據(jù)可知，以下幾種情況可以讓二灘壩后水位控制在1 015 m 以下：

（1）當(dāng)桐子林電站壩前水位運(yùn)行在1 010～1 011 m區(qū)間時(shí)，二灘負(fù)荷控制在2 400 MW 以下；

（2）當(dāng)桐子林電站壩前水位運(yùn)行在1 011～1 013 m區(qū)間時(shí)，二灘負(fù)荷控制在2 200 MW 以下；

（3）當(dāng)桐子林電站壩前水位運(yùn)行在1 014 m 以上，估算二灘負(fù)荷控制在2 000 MW 以下。

通過(guò)上述分析可知，桐子林水庫(kù)水位不到1 015 m 時(shí)，水墊塘檢修已很大程度限制了二灘水電站的發(fā)電出力。近期，由于要求桐子林水電站壩前水位盡可能在1 014 m 以上運(yùn)行，導(dǎo)致二灘尾水位長(zhǎng)期在1 015 m 以上（見(jiàn)表2），最高達(dá)1 016.71 m。若此種情況下水墊塘抽水檢修，桐子林水電站水位抬升將嚴(yán)重限制二灘水電站的總出力，給二灘水電站的生產(chǎn)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。

表2 近期負(fù)荷、水位數(shù)據(jù)

4 應(yīng)對(duì)措施

綜合上述分析，桐子林水電站水庫(kù)水位抬升對(duì)二灘水電站機(jī)組運(yùn)行的影響是多方面的，有利有弊。從運(yùn)行工作出發(fā)，應(yīng)該科學(xué)制定運(yùn)行策略，趨利避害，為二灘水電站機(jī)組安全運(yùn)行做好充足的準(zhǔn)備。

4.1 經(jīng)濟(jì)性方面應(yīng)對(duì)措施

為提高二灘水電站經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，主要從降低機(jī)組耗水率這一核心問(wèn)題出發(fā)，提出以下策略：

（1）合理調(diào)度水庫(kù)，實(shí)現(xiàn)二灘電站與桐子林電站的聯(lián)合調(diào)度，降低桐子林上游水位使二灘機(jī)組盡可能保持高水頭運(yùn)行，降低耗水率。在條件允許時(shí)，水頭高時(shí)宜多發(fā)電，水頭低時(shí)宜少發(fā)。

（2）合理安排機(jī)組運(yùn)行組合方式，對(duì)稱開(kāi)起機(jī)組，使1 號(hào)、2 號(hào)尾調(diào)室水位盡量保持平衡，降低機(jī)組耗水率。

（3）現(xiàn)階段由電站側(cè)進(jìn)行全廠的負(fù)荷調(diào)整與分配，在廠站側(cè)AGC 啟用自動(dòng)優(yōu)化負(fù)荷分配的基礎(chǔ)上，當(dāng)出現(xiàn)全廠負(fù)荷較小或負(fù)荷不可分配時(shí)，積極采取申請(qǐng)停機(jī)、調(diào)整機(jī)組負(fù)荷等方式讓并網(wǎng)機(jī)組帶大負(fù)荷運(yùn)行，避免在低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，保證機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在最優(yōu)工況下運(yùn)行。

4.2 生產(chǎn)管理方面應(yīng)對(duì)措施

（1）加強(qiáng)設(shè)備巡查，尤其是轉(zhuǎn)子以上設(shè)備設(shè)施，若存在“跑、冒、漏、滴”現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)匯報(bào)。

（2）加強(qiáng)尾水位以下設(shè)備設(shè)施檢修維護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)分析，重點(diǎn)排查并整治可能存在的跑水、漏水、滲漏水量增加帶來(lái)的安全隱患。

（3）對(duì)易產(chǎn)生冷凝水的集水盆、補(bǔ)氣管等部位加裝保溫材料，對(duì)于未加裝保溫材料的機(jī)組，需定期進(jìn)入集電環(huán)室檢查冷凝水情況。

（4）盡快啟動(dòng)二道壩加高項(xiàng)目，減少桐子林水電站水位抬升對(duì)二灘水電站總負(fù)荷的限制。

（5）合理安排二灘水電站機(jī)組開(kāi)停機(jī)，使機(jī)組盡可能滿發(fā)或帶大負(fù)荷，盡量在振動(dòng)區(qū)以上運(yùn)行，極力避免在低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，保證機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在較優(yōu)工況下運(yùn)行。重點(diǎn)關(guān)注機(jī)組運(yùn)行方式，尤其是振動(dòng)區(qū)間定值變化，必要時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，避開(kāi)振動(dòng)區(qū)附近運(yùn)行。

（6）機(jī)組停機(jī)備用時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，若長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，定期將機(jī)組開(kāi)機(jī)至空轉(zhuǎn)（或打開(kāi)加熱器），減緩集電環(huán)室冷凝水形成。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析桐子林上游水位和二灘尾水位之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而掌握桐子林電站機(jī)組發(fā)電后對(duì)二灘水電站機(jī)組運(yùn)行的影響，通過(guò)兩站聯(lián)合運(yùn)行和合理安排機(jī)組運(yùn)行等方式提高了兩站安全運(yùn)行水平。