紫坪鋪水電站超發(fā)電問題的探討

黃 濤，唐躍武

(四川省紫坪鋪開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610091)

1 前 言

紫坪鋪水利樞紐位于四川省成都市西北約60km的岷江上游，是一座以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護、旅游等綜合效益的水利工程。電站總裝機4×190MW，年發(fā)電量34.7億kW·h，年利用小時數(shù)4 496h。

紫坪鋪水利樞紐是集灌溉、供水、防洪、發(fā)電、環(huán)保等為一體的綜合性水利工程，是舉世聞名的都江堰灌區(qū)的水源工程?？値烊?1.12億m3，調(diào)節(jié)庫容7.74億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)能力。校核洪水位(P=0.02%)883.1m，正常蓄水位877.0m，防洪限制水位850.0m，死水位817.0m，尾水設(shè)計洪水位748.60m，尾水校核洪水位751.22m。

2 水輪發(fā)電機組主要參數(shù)

2.1 水輪機基本參數(shù)

水輪機凈水頭

最大水頭

132.76m

最小水頭

68.40m

額定水頭

100.0m

加權(quán)平均水頭

107.0m

額定轉(zhuǎn)速

150r/min

最大飛逸轉(zhuǎn)速

300 r/min

出力

水輪機在凈水頭100m時額定出力

193.9MW

水輪機在凈水頭110m時額定出力

214.0 MW

水輪機在最小水頭68.4m時出力

102 MW

水輪機在水頭128m時出力

244.4 MW

額定流量

210.01m3/s

吸出高度

-5.58 m

2.2 發(fā)電機基本參數(shù)

額定容量

217.14MVA

額定功率因素

0.875(滯后)

額定電壓

13.8kV

持續(xù)最大容量

240MVA

3 水輪發(fā)電機組的超發(fā)能力

對于在大變幅水頭運行的混流式水輪機，為了提高發(fā)電機在高水頭滿出力的導葉開度，減小進口沖角和出口流速的圓周分量，從而改善水力條件提高機組的運行穩(wěn)定性和效率，一般要設(shè)計大于發(fā)電機額定出力并能長期穩(wěn)定運行的發(fā)電機最大容量。

關(guān)于機組設(shè)置最大容量，早在20世紀70年代西方比較流行，當時只考慮發(fā)電機短期在最大容量運行，可以允許較高的溫升極限。如美國ANSI-C50.33 1976年版本就有設(shè)置最大容量的相關(guān)規(guī)定。隨著發(fā)電機制造技術(shù)的不斷發(fā)展，美國ANSI-C50.12D 1982年版本已取消發(fā)電機最大容量的規(guī)定，并明確指出，如果考慮額定水頭偏低，則應(yīng)研究增加發(fā)電機容量的合理性，而不是提出發(fā)電機最大容量的要求。

紫坪鋪水電站的最大水頭/額定水頭達1.32 ，最大水頭與最小水頭之比達1.94。如此大的變幅水頭在國內(nèi)少見。估算最大水頭額定出力的導葉開度小于或等于60%，為了提高機組的運行穩(wěn)定性和效率，故紫坪鋪水電站機組設(shè)計有發(fā)電機最大容量。該最大容量為240MVA。從東電投標文件看，紫坪鋪水電站機組完全能滿足在最大輸出容量時的長期穩(wěn)定運行。該發(fā)電機最大容量和過去發(fā)電機最大容量不同，該發(fā)電機最大容量是通過不增加發(fā)電機溫升、不降低發(fā)電機電氣參數(shù)、不提高發(fā)電機功率因數(shù)得到的。

東電投標文件7-15：主軸具有足夠的強度和剛度，能適應(yīng)水輪機輸出最大出力244.4MW時的扭矩傳遞要求，并且能在包括最大飛逸轉(zhuǎn)速在內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速下運行而沒有有害的振動和擺動。”“導軸承設(shè)計成能承受任何運行工況(包括飛逸工況和水輪機輸出最大出力244.4MW工況)時的徑向負載?！?/p>

東電投標文件FJ9-1水輪發(fā)電機超發(fā)能力說明：紫坪鋪發(fā)電機額定容量名義上為217.14MVA(功率因數(shù)為0.875)，并按此保證機組的性能參數(shù)。而實際上其容量為240MVA(功率因數(shù)為0.875)，且在機械強度的要求上應(yīng)按240MW(功率因數(shù)為1.0)設(shè)計。

為了保證水輪發(fā)電機能滿足在容量為217.14MVA(功率因數(shù)為0.875)時的各項性能參數(shù)，同時還能保證在240MVA(功率因數(shù)為0.875)時發(fā)電機的長期安全穩(wěn)定運行，制造廠家采取了措施。

3.1 電磁材料的選取

為了滿足發(fā)電機在最大持續(xù)輸出容量240MVA時的安全運行，優(yōu)化發(fā)電機的各項電磁參數(shù)降低發(fā)電機損耗，提高發(fā)電機效率，在電磁材料的選取上采用了以下措施:

(1)定子鐵芯采用50W270優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片，具有低損耗、無老化、高導磁率的優(yōu)點；

(2)定子線圈電磁材料選用滌綸玻璃絲燒結(jié)線，雙面絕緣厚度減至0.2mm，達到國際先進水平；

(3)定子線圈采用F級高場強絕緣系統(tǒng)，降低定子的溫升；

(4)磁極線圈采用異性銅排扁繞而成，有效降低轉(zhuǎn)子線圈溫升。

3.2 主要參數(shù)的選取

通過對水輪發(fā)電機在容量為217.14MVA(功率因數(shù)為0.875)和240MVA(功率因數(shù)為0.875)時分別計算和優(yōu)化，使之能滿足在容量為217.14MVA(功率因數(shù)為0.875)的各項性能參數(shù)，同時還保證在240MVA(功率因數(shù)為0.875)時發(fā)電機的長期安全穩(wěn)定運行。發(fā)電機在兩種容量下的主要電磁參數(shù)見表1。由表1可以看出，發(fā)電機在240MVA(功率因數(shù)為0.875)時各項性能參數(shù)還有一定的裕度。

表1 發(fā)電機在兩種容量下的主要電磁參數(shù)

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計采取的措施

(1)定子機座、定子鐵芯的剛度和強度設(shè)計均按容量為217.14MVA及240MVA分別計算，按短路力矩大者設(shè)計定子機座、定子鐵芯以及其他相關(guān)受力部件；

(2)轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)子磁軛和主軸按最大功率240MW設(shè)計驗算，保證機組轉(zhuǎn)動部分的安全；

(3)上機架、下機架、推力軸承、導軸承均按最大受力工況設(shè)計；

(4)發(fā)電機通風系統(tǒng)的風量，空氣冷卻器、油冷卻器的容量均按機組最大損耗工況設(shè)計；

(5)提高水庫水能效率的途徑。

水電站在某一時段t1-t2的發(fā)電量為：

Nw=9.81ηwQH

式中Nw——水電站出力；

ηw——水電站效率(包括水輪機、發(fā)電機、變壓器配電設(shè)備等效率的乘積)；

Q——發(fā)電機引用流量，包括占調(diào)節(jié)庫容的流量QR和天然徑流量QC；

H——發(fā)電水頭。

提高水能利用率的途徑有：(1)充分利用天然徑流量QC；(2)在保證防洪安全的前提下，增加調(diào)節(jié)庫容的流量QR；(3)充分利用落差減少水頭損失；(4)減少機電設(shè)備的能量損失。興利與防洪是水庫運行的一對矛盾，妥善地解決這一矛盾即是科學合理地制定分期抬高水庫汛限水位的水庫運行方式。即利用(2)和(3)來增加水電站發(fā)電量效益。

分期抬高水庫汛限水位的水庫運行方式，即根據(jù)當?shù)氐乃臍庀筇卣鲗⒀雌趧澐譃檠辞捌?、主汛期、汛后期，根?jù)不同階段不同的水文氣象特點，不同階段設(shè)計不同的水庫運行的汛限水位，逐步將主汛期的水庫運行的較低水位抬高到興利的蓄水位。我國東北、華北、華中等地的一些水庫已先后實行了分期抬高水庫汛限水位的水庫運行方式，“分汛前、主汛、汛后3期，逐步將庫水位由興利水位降至主汛期的限制水位，再由主汛期限制水位分級提高到興利蓄水位”。我國華南廣西的巖灘水電站由于水情自動測報系統(tǒng)的投入使用，預報精度提高和預見期延長，現(xiàn)已實現(xiàn)汛期動態(tài)控制水位調(diào)度運行。

4 紫坪鋪水電站超發(fā)電問題的研究

根據(jù)初設(shè)報告整理的紫坪鋪水庫年徑流及水位、發(fā)電水頭分布見表2。

表2 紫坪鋪水庫年徑流及水位、發(fā)電水頭分布

由前面討論可知，紫坪鋪水電站的超發(fā)電的研究，實際上就是要討論機組水頭超過額定水頭時的工況。為了方便討論并結(jié)合表2，現(xiàn)只對能帶來明顯經(jīng)濟效益的10、11、12、1、2、3、4月進行討論。

4.1 紫坪鋪水庫的原設(shè)計運行和度汛方式

水庫庫容：11.12億m3(校核洪水位以下庫容)

調(diào)節(jié)庫容：7.74億m3

調(diào)洪庫容：5.387億m3(校核洪水位至汛限水位)

防洪庫容：1.664億m3(防洪高水位至汛限水位)

共用庫容：4.247億m3(正常蓄水位至汛限水位)

校核洪水位：883.1m

防洪高水位：861.6m

汛限水位：850m

正常蓄水位：877m

死水位：817m

尾水設(shè)計洪水位為748.60m，尾水校核洪水位為751.22m。

水庫運行方式分為三個階段：在汛期(6～9月)，水庫在滿足下游綜合用水條件下保證出力發(fā)電，并盡快蓄水至850m高程汛限水位，汛期水庫蓄滿后基本維持在850m高程水位運行；蓄水期(10～11月)，水庫由850m高程汛限水位逐漸蓄至877m高程正常蓄水位，在蓄水過程中同樣滿足下游綜合用水和水電站出力不低于保證出力的要求；供水期(12～5月)，水庫根據(jù)綜合用水需要按調(diào)度圖供水，水位逐漸降低。

水庫度汛方式為：庫水位低于防洪高水位861.6m高程時，下泄流量小于下游安全流量2 395m3/s；庫水位高于防洪高水位861.6m高程時，下泄流量可大于2 395m3/s，但不超過洪峰流量；庫水位超過870m高程時，開啟溢洪道閘門泄洪。

4.2 紫坪鋪水庫暴雨及洪水特征

岷江上游威州—紫坪鋪區(qū)間為暴雨多發(fā)區(qū)，暴雨中心出現(xiàn)在漁子溪-紫坪鋪一帶，是著名的川西鹿頭山暴雨區(qū)的南端，暴雨集中于7～8月。近幾十年來發(fā)生的大暴雨有1959年8月9～11日、1964年7月20～22日、1966年7月26～28日等場次。洪水過程歷時5d左右，漲落迅速，多呈尖瘦的雙峰或多峰。威州以上暴雨來水發(fā)生在6、9月，洪水過程多為矮胖的單峰或較大的復峰，漲落平緩，歷時較長；威州到紫坪鋪大壩河道距離78km，洪水傳播時間5h。

4.3 紫坪鋪水電站超發(fā)電經(jīng)濟效益分析

結(jié)合紫坪鋪水庫暴雨及洪水特征，將紫坪鋪水庫運行方式劃分為汛前、主汛、汛后3期，汛后抬高水庫汛限水位到防洪高水位861.6m運行，機組出力即可達到210MW。在水利部水規(guī)總院關(guān)于紫坪鋪水利樞紐工程初設(shè)報告的批復中，也有關(guān)于抬高汛末水庫運行水位的建議。

紫坪鋪水電站的超發(fā)電分為汛末(9月份)的超發(fā)電量；10、11、12、1、2、3月份的超發(fā)電量；調(diào)峰超發(fā)電量。在計算中充分考慮表2各月的來水量，選取較低值的3年均量作為計算數(shù)據(jù)。

四川省電力公司已經(jīng)實行峰谷電價，全天24h分為峰-平-低谷運行考核，調(diào)峰電價為1.335倍平段電價，低谷電價為0.5倍平段電價。每天7：00～11：00和19：00～23：00共8h為高峰時間。

4.3.1 汛期水庫運行方式與超發(fā)電

據(jù)以上分析，紫坪鋪水庫汛期運行方式完全有條件實行分期抬高水庫汛限水位的水庫運行方式，即分汛前、主汛、汛后3期。由表2的9月份的來水量即可得到9月份的超發(fā)電量為：

6.7×16×30=3 216(萬kW·h)(6.7kW為4臺機組共8kW根據(jù)9月來水量折算的機組容量)

6.7×8×30×1.335=2 146(萬kW·h)(將每天8h的調(diào)峰電量折算為平段電量)

4.3.2全年其他月份的超發(fā)電

由初設(shè)報告看，10、11、12、1、2月份的水頭超過110m，即機組可出力到210MW(0.875)，3月份為107.5m，即機組可出力到205MW。由表2看，10月份的來水量可滿足4臺機在峰—平段發(fā)16h，11、12、1、2、3月份的來水量在4臺機滿發(fā)時小于8h，故11、12、1、2、3月份設(shè)在峰段發(fā)電。

將每天8h的調(diào)峰電量折算為平段電量為：

(8+8+5+4+3.6+1.8)( 8×1.335×30.5)=9 902(萬kW·h)

10月份來水還可發(fā)8h的平段電量：

8×8×31=1 984(萬kW·h)

總的超發(fā)電量為：3 216+2 146+9 902+1 984=17 248(萬kW·h)。上網(wǎng)電價按0.3計，全年可增加純收入5 174.4萬元。

5 結(jié)束語

通過分析可以看到，紫坪鋪水電站具有較大的超發(fā)電的潛力。實際上機組是可以長期穩(wěn)定運行在240MVA上，電站一次設(shè)備的設(shè)計均按照240MVA設(shè)計，水庫按分期抬高水庫汛限水位運行完全可行。因此在制定紫坪鋪水電站的運行規(guī)程時，充分考慮紫坪鋪水電站機組的超發(fā)電能力，在制定紫坪鋪水庫的防洪度汛方案時將安全與效益作充分和科學的比較，能使電站創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。