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、導水機構和發電機等主要部件組成的水力發電設備。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聯調節，在調節導葉開度的同時，可按預先設定的協聯關系調節槳葉的角度，以保證水輪機始終在最優工況下運行。

汛期發電時，由于發電水頭的變化，軸流轉槳式機組往往存在出力受限的現象，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電運行方式。

1 歷史數據及初步分析

高壩洲電廠1 號水輪發電機為軸流轉槳式機組，發電機型號為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的最末一級,共有3 臺容量84 MW 的軸流轉槳式水輪發電機組,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 年水位數據為例，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 號機組發電時水庫流量及水頭數據

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負荷波動的風險[3]。

2 發電機組運行效率

發電機的效率是指發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，是汛期推薦運行區間的重要參數。在額定水頭下，以1 號發電機組為例進行發電機組運行效率試驗，試驗結果如圖1 所示。

圖1 發電機組運行效率

3 發電機組耗水率

發電機組標準耗水率是指發一度電（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、不同發電流量、不同運行水頭工況點下的運行優劣。機組耗水率與整體運行工況有關，且機組發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 號水輪發電機組為例進行耗水率試驗，試驗結果如圖2 所示。

圖2 發電機組耗水率情況

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，主要關注參數應為機組運行效率。

4 發電機組擺度

機組擺度是發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。水輪發電機組的擺動會影響設備運行狀態，擺動劇烈時可能會導致上導、推力、水導等軸承軸瓦燒毀，在發電機組并網運行狀態下需要盡可能地保證發電機組運行在擺動較小的負荷區間內[6]。通常，機組運行在額定功率區間內，機組的擺動往往較小，此時工況也最佳。在汛期的低水頭發電模式下，水輪發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間內。以1號水輪發電機組為例，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據統計，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，經數據統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1 號機組上導擺度、負荷、水頭等原始數據的相關分析，結合1 號水輪發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。