水電站極低水位運行方式研究

王奕 程永慶

1. 國家能源集團新疆吉林臺水電開發(fā)有限公司 北京 100101；

2. 國電電力發(fā)展股份有限公司 遼寧 大連 116600

1 電站基本情況

吉林臺一級水庫是其所在流域上最大的調(diào)節(jié)性水庫，正常蓄水位1420m，擔負著流域中下游水量調(diào)節(jié)的重任，同時吉林臺一級電站作為新疆最大的水電站，還承擔新疆電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的任務。按照水庫設計要求，特殊情況下，水庫運行水位允許偏低于設計死水位1380m，最低運行水位可到極限死水位1372m。

吉林臺一級電站為壩后式電站，裝有4臺型號相同、單機容量125MW的混流式水輪發(fā)電機組，發(fā)電引水系統(tǒng)采用二機一洞布置，由兩條壓力鋼管引水至水輪機蝸殼，單機設計最大引用流量125m3/s。下游受其下泄流量影響的電站依次為吉林臺二級電站（日調(diào)節(jié)水庫）、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)濟運行要求確定出力下限

吉林臺一級電站《水輪機說明書》規(guī)定，機組低負荷區(qū)為P＜50MW，機組不宜在低負荷區(qū)長期運行。實際運行中也發(fā)現(xiàn)，單機出力低于50MW時，機組振動、擺度較大，水輪機轉(zhuǎn)輪汽蝕損壞嚴重，長期在此工況下運行，勢必危及機組的安全，降低機組的使用壽命。此外，從機組流量特性關(guān)系曲線可以看出，P＜50MW為非經(jīng)濟運行區(qū)。試驗和實際運行數(shù)據(jù)也表明，在低負荷區(qū)運行時，水輪機效率低于85%，發(fā)電耗水率高，經(jīng)濟運行水平偏低。鑒于上述情況，將單機出力下限確定為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，因水頭低于額定水頭，水耗增大，受發(fā)電引用流量限制，單機最大出力無法達到額定出力。單機最大出力可根據(jù)公式P=9.81ηQH計算，其中Q取最大引用流量125m3/s，H取不同水位對應的水頭，計算結(jié)果作為相應水位下的單機出力上限。

3 經(jīng)濟運行方式

3.1 站內(nèi)經(jīng)濟運行

因吉林臺一級電站無死水位以下運行的經(jīng)歷，本方案采用理論計算方法進行制定。依據(jù)經(jīng)濟運行的最優(yōu)準則，在一定負荷下總的耗水量為最小，即目標函數(shù)，采用兩個模型——負荷分配模型和機組組合模型結(jié)合的辦法確定站內(nèi)經(jīng)濟運行方式。

（1）采用負荷分配模型確定開機臺數(shù)和負荷分配方式

先假定所有機組效率、性能完全相同，對同一水位同一總出力，按照不同的開機臺數(shù)、不同的負荷分配進行組合（剔除單機負荷超出上述單機出力上下限范圍的組合），計算出所有可能的組合方式對應的耗水率，選取綜合耗水率最小的組合方式作為對應水位、對應總出力的最優(yōu)負荷分配方式。根據(jù)上述原理，可計算出不同水位不同總出力下的最優(yōu)負荷分配方式。

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

表1 1372～1380m出力最優(yōu)分配表（節(jié)選部分）

（2）采用機組組合模型確定開機順序和機組組合方式

首先統(tǒng)計機組組合方式，單機發(fā)電：1#機組、2#機組、3#機組、4#機組共4種；2臺機組發(fā)電：1#2#機組，1#3#機組、1#4#機組、2#3#機組、2#4#機組、3#4#機組共6種；3臺機組發(fā)電：1#2#3#機組、1#2#4#機組、1#3#4#機組、2#3#4#機組共4種；4臺機組發(fā)電：1#2#3#4#機組共1種，合計15種機組組合方式。由于吉林臺一級電站發(fā)電引水系統(tǒng)采用二機一洞模式，#1、#2機組共用一號發(fā)電洞，#3、4#機組共用二號發(fā)電洞。實踐中發(fā)現(xiàn)，同一發(fā)電洞的兩臺機組之間互相影響，當只有2臺機運行時，采用不同發(fā)電洞的兩臺機組發(fā)電水耗略低于同一發(fā)電洞兩臺機組組合。因此，取消1#2#機組、3#4#機組2種組合方式。

通過查詢機組試驗報告，機組性能略有差異，由優(yōu)到劣排序為1#機組-3#機組-4#機組-2#機組。結(jié)合對剩余13種組合方式發(fā)電運行歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計對比，得出機組最優(yōu)組合表（見表2）。正常情況下，按此組合方式運行；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。

表2 機組最優(yōu)組合表

將上述兩種模型的原理和計算結(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順序、機組組合方式和負荷分配方式，即最優(yōu)運行方式。

3.2 流域梯級電站經(jīng)濟運行

考慮到流域梯級電站經(jīng)濟運行要求，應提前與電網(wǎng)調(diào)度溝通，制定合理的負荷計劃，日均出庫流量以滿足下游尼勒克電站（渠道引水式）不棄水為原則。短時負荷較大時，可考慮采取分時段發(fā)電方式，以保證下游吉林臺二級電站（日調(diào)節(jié)水庫）不泄洪，并利用吉林臺二級電站反調(diào)節(jié)特性實現(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 保證安全運行的措施

（1）加強水工建筑物監(jiān)測和閘門啟閉系統(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，應加強大壩（樞紐）位移、變形監(jiān)測，增加引水渠道面板巡視檢查頻次。還要定去對閘門啟閉設備進行全面檢查，保證閘門啟閉設備安全可靠，可隨時控制樞紐水位和引水渠道引水流量。

（2）加強機組振擺監(jiān)視及水車室巡視檢查

水力條件的變化,必然引起機組穩(wěn)定性的變化，最明顯的就是振動、擺度的增大。運行過程中，必須加強對機組振動、擺度的監(jiān)視，加大水車室巡視檢查，防止水輪機頂蓋、調(diào)速器接力器等重要輔機設備因振動超標造成松動破壞，引發(fā)事故。

（3）嚴密監(jiān)視水庫水位

當上游水位低于1372m時，受進水口處的漩渦影響，進入發(fā)電洞的水流很可能挾氣進入壓力鋼管，造成壓力鋼管震蕩、機組運行不穩(wěn)定。可以設置水位自動報警或采用其他手段，保證水庫水位不低于此極限水位。

（4）及時清理進水口雜物

死水位以下運行時，水庫水位消落幅度較大，水庫水面明顯縮小，水庫漂浮物會嚴重聚集，造成攔污柵堵塞，降低水頭，而且一旦雜物進入引水鋼管還會危害水輪機正常運行，甚至造成破壞。因此要做好進水口雜物清理工作。

5 結(jié)束語

吉林臺一級電站沒有死水位以下運行的經(jīng)歷，文中探討的方法以理論計算為主，此方法同樣適用于在正常水位下優(yōu)化運行方式。水電站在實際生產(chǎn)中遇到死水位以下運行的異常工況時，可在保證安全的前提下，按此方法確定開機順序、開機組合方式、分配機組間負荷，并在實踐中驗證、優(yōu)化方案，找出最優(yōu)運行方式，實現(xiàn)耗水率最低，提高電站發(fā)電效益。當然，當經(jīng)濟運行與安全發(fā)生矛盾時，應首先以安全第一為原則安排生產(chǎn)。