降低機(jī)組耗水率控制策略分析與實踐

胡 豐，王珍山，王威威

（掛治水電廠，貴州 錦屏 556700）

1 引言

掛治電廠水輪機(jī)型號為：ZZ―LH―580，水輪機(jī)類型：軸流轉(zhuǎn)槳式，額定出力51.5 MW，額定水頭為20.7 m(機(jī)組流量Q=270.4 m3/s），最大水頭為25.29 m(機(jī)組流量Q=219.8 m3/s），最小水頭為12.9 m(最大出力31.8 MW，機(jī)組流量Q=280 m3/s）。

掛治電廠水輪機(jī)采用導(dǎo)槳葉同時參與調(diào)節(jié)的雙重調(diào)節(jié)模式，水輪機(jī)運行水頭下導(dǎo)葉與槳葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線，實現(xiàn)機(jī)組有功安全、平穩(wěn)調(diào)節(jié)。

2 影響耗水率主要因素

（1）機(jī)組運行水頭：掛治電廠距離上游三板溪電站18 km，距離下游白市電站78 km，掛治電廠屬于上游三板溪電廠反調(diào)節(jié)電站，上游水位受三板溪電廠出庫影響，下游水位受白市電廠頂托影響，因此，如何通過水庫調(diào)優(yōu)化降低機(jī)組耗水率，是電廠研究的主要方向。

（2）機(jī)組協(xié)聯(lián)關(guān)系：掛治電廠機(jī)組為軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，水輪機(jī)采用導(dǎo)槳葉同時參與調(diào)節(jié)的協(xié)聯(lián)調(diào)節(jié)方式。在水輪機(jī)設(shè)計之初，設(shè)備制造商會根據(jù)水輪機(jī)相關(guān)試驗，繪制不同水頭下導(dǎo)葉與槳葉之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線圖，作為水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)調(diào)節(jié)的重要依據(jù)。由于多種因素影響，可能導(dǎo)致設(shè)計的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線與實際運行存在偏差。根據(jù)我廠多年運行資料統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析，協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線對機(jī)組耗水率產(chǎn)生較大影響，通過優(yōu)化協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線，可以保證機(jī)組運行效率維持在90%以上，可以有效地降低耗水率。

（3）機(jī)組運行方式：掛治電廠隸屬湖南電網(wǎng)調(diào)度，機(jī)組運行方式由湖南電網(wǎng)調(diào)控中心進(jìn)行調(diào)度，不同的運行方式對機(jī)組耗水率有明顯的變化。

（4）AGC調(diào)節(jié)方式：掛治電廠機(jī)組具備AGC（自動發(fā)電控制）功能，機(jī)組運行時AGC（自動發(fā)電控制）功能投入，機(jī)組負(fù)荷分配是根據(jù)系統(tǒng)下達(dá)的AGC指令執(zhí)行，從機(jī)組長期運行實踐分析，優(yōu)化AGC調(diào)節(jié)方式是降低機(jī)組耗水率重要手段。

（5）攔污柵壓差：攔污柵安裝在機(jī)組進(jìn)水口前，主要作用是阻攔機(jī)組進(jìn)水口前的浮渣，隨著機(jī)組長期運行后，浮渣日趨增多，導(dǎo)致攔污柵壓差逐漸增大（電廠規(guī)定一般不得超過0.02 MPa），導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電效率降低，耗水率隨之增加。

3 降低耗水率控制措施

3.1 水庫調(diào)度優(yōu)化

掛治水電站位于沅水干流清水江中下游，每年的汛期（4～8月份）降水偏多，為清水江的豐水期，其來水量占全年水量的68.76%，其中5～7月份占50.04%，枯水期（9～12月份）徑流量僅占全年的31.24%，全年來水極不均衡。通過水庫優(yōu)化調(diào)度，可以抬高水位運行，降低耗水率。根據(jù)掛治電廠庫容特點及歷年來運行方式，在主汛期，降雨量偏多，且受系統(tǒng)負(fù)荷受限影響，容易造成開閘棄水，因此，主汛期不考慮經(jīng)濟(jì)運行，通過水庫優(yōu)化調(diào)度，提前騰庫庫容，盡量避免棄水。在非汛期，降雨量偏少，考慮經(jīng)濟(jì)運行，盡量將水位控制在321.3 m及以上運行（不超過322 m），可以有效降低耗水率。根據(jù)掛治電廠水輪機(jī)流量特性曲線（即NHQ曲線），得出不同水頭下發(fā)電機(jī)流量值。

機(jī)組運行水頭越大時，機(jī)組過機(jī)流量越小，通過表1數(shù)據(jù)計算得出：該廠機(jī)組運行水頭每抬高1 m，機(jī)組耗水率可以有效降低5%，對比各出力的曲線斜率，水頭越高，出力越大，機(jī)組過機(jī)流量越小，耗水率下降越明顯。所以，優(yōu)化水庫調(diào)度是降低機(jī)組耗水率的重要方式。

表1 掛治電廠單機(jī)40 MW不同水頭下發(fā)電流量

3.2 協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化

掛治電廠機(jī)組屬于軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，機(jī)組的發(fā)電效率較高。η=f（H，α，β）

式中：η為水輪機(jī)的效率；H為水輪機(jī)的水頭；α為水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度；β為水輪機(jī)的槳葉開度。

根據(jù)機(jī)組平均耗水率計算公式：耗水率=發(fā)電水量/發(fā)電量。當(dāng)水頭維持不變，發(fā)電量增加時，耗水率隨之減少，而機(jī)組運行效率是影響發(fā)電量重要因素，通過優(yōu)化機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線可以有效提高發(fā)電效率?，F(xiàn)以該電廠3號機(jī)組為例，3號機(jī)組進(jìn)行了機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線試驗（試驗水頭為22.6 m），經(jīng)過對水輪機(jī)導(dǎo)槳葉之間的協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化后，可以有效改善機(jī)組的運行工況，通過調(diào)速器試驗得到充分驗證：

在機(jī)組導(dǎo)槳葉的協(xié)聯(lián)試驗中，分別選定不同的導(dǎo)葉開度下進(jìn)行試驗，通過試驗數(shù)據(jù)比較得出結(jié)論，協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后效率明顯提高，對比結(jié)果如表1，在各個試驗點效率增幅為2.41%～14.49%。當(dāng)機(jī)組運行水頭為22.6 m時，通過優(yōu)化協(xié)聯(lián)曲線可以提高機(jī)組運行效率，最大幅度可達(dá)14.49%，可以有效地降低了機(jī)組耗水率。

3.3 優(yōu)化機(jī)組運行方式

該廠機(jī)組振動區(qū)間為0～20 MW，表2為電廠機(jī)組負(fù)荷與機(jī)組運行方式對應(yīng)圖，以全廠總有功40 MW為例，可以選擇單臺機(jī)運行，也可選擇兩臺機(jī)運行，根據(jù)該廠機(jī)組NHQ曲線，水頭相同情況下（以水頭22 m為例），根據(jù)機(jī)組流量曲線（根據(jù)表1），單機(jī)負(fù)荷40 MW時的發(fā)電流量為202 m3/s，兩臺機(jī)負(fù)荷各帶20 MW時的總發(fā)電流量為212 m3/s，此時，對比機(jī)組兩種運行方式，前者較后者耗水率降低約5%。即在全廠總有功相同情況下，機(jī)組運行臺數(shù)越多，總出庫流量隨之增加，尾水位抬升效果明顯，機(jī)組耗水率也就越高，所以滿足系統(tǒng)負(fù)荷要求的情況下，通過優(yōu)化機(jī)組的運行方式，在滿足負(fù)荷要求前提下，盡量單機(jī)運行，可以有效降低機(jī)組耗水率指標(biāo)。

表2 協(xié)聯(lián)優(yōu)化前后相對效率對比(22.6 m水頭)

表3 掛治電廠機(jī)組運行負(fù)荷圖

3.4 AGC調(diào)節(jié)控制策略優(yōu)化

機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)根據(jù)AGC下達(dá)的指令執(zhí)行，以兩臺機(jī)組運行為例（運行水頭為22 m），當(dāng)前1號機(jī)組、2號機(jī)組各負(fù)荷帶20 MW，當(dāng)AGC下達(dá)30 MW指令時，AGC程序開始進(jìn)行負(fù)荷分配，此時，負(fù)荷分配方式有以下3種：①1號機(jī)組、2號機(jī)組負(fù)荷平均分配，每臺機(jī)組各增加15 MW，根據(jù)機(jī)組NHQ曲線，機(jī)組總發(fā)電流量為350 m3/s；②1號機(jī)組（2號機(jī)組）增加30 MW、2號機(jī)組（1號機(jī)組）負(fù)荷維持不變，根據(jù)機(jī)組NHQ曲線，機(jī)組總發(fā)電流量為340 m3/s。對比兩種運行方式，第二種方式耗水率要低于第一種，還可以有效減小機(jī)組調(diào)節(jié)次數(shù)。所以，通過對AGC調(diào)節(jié)控制策略優(yōu)化，可以有效降低機(jī)組耗水率。

3.5 減小進(jìn)水口攔污柵壓差

電廠機(jī)組進(jìn)水口攔污柵壓力差一般不得超過0.02 MPa，當(dāng)壓力差達(dá)到0.02 MPa時，電廠將開展進(jìn)水口清渣工作，根據(jù)攔污柵壓差對比機(jī)發(fā)電效率，詳見表4：

表4 掛治電廠清渣前后機(jī)組導(dǎo)葉開度對比圖

4 結(jié)論

影響機(jī)組耗水率的因素有多方面的，如何降低耗水率是水電廠開展經(jīng)濟(jì)運行的重要方向，本文介紹了該廠降低耗水率重要措施：一是不斷利用科學(xué)技術(shù)手段優(yōu)化機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線，充分發(fā)揮軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組高效率的優(yōu)勢；二是對根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷需求合理安排機(jī)組的運行方式；三是聯(lián)合集控中心、上下游電站優(yōu)化水庫調(diào)度，維持高水頭運行；四是根據(jù)攔污柵壓差，定期機(jī)組進(jìn)水口清渣工作，有效提高水能利用率。但不同的水電站流域特性及機(jī)組運行特性存在差異，采取降低耗水率的措施各異，本文僅為同類型機(jī)組、同流域特性的水電站提供參考。