萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

1、萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析摘要：針對(duì)萬(wàn)家寨電站水輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問(wèn)題,從水輪機(jī)的工作水頭、運(yùn)行效率方面進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：水輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行耗水率效率萬(wàn)家寨水電站裝有6臺(tái)180MW水輪發(fā)電機(jī)組，電站的主要任務(wù)是發(fā)電調(diào)峰和供水，設(shè)計(jì)年發(fā)電量27.5億kW·h。萬(wàn)家寨水庫(kù)的設(shè)計(jì)年均徑流量為192億m3，然而近年來(lái)由于黃河天然徑流的減少，加之上游引水的加大，水庫(kù)的實(shí)際來(lái)水遠(yuǎn)少于設(shè)計(jì)值，據(jù)統(tǒng)計(jì)20002003年萬(wàn)家寨水庫(kù)的年徑流僅分別為129.41億m3、111.88億m3、118.84億m3、112.28億m3，來(lái)水形勢(shì)非常嚴(yán)峻，如果不能更充分地利用現(xiàn)有來(lái)水，做好電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，勢(shì)必嚴(yán)重影響

2、樞紐的還貸和實(shí)現(xiàn)效益。發(fā)電耗水率指標(biāo)是衡量水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況的主要指標(biāo),而影響該指標(biāo)的主要因素之一就是水輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況的好壞，因此要降低發(fā)電耗水率，必須優(yōu)化水輪機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，改善其運(yùn)行工況。本文從水輪機(jī)運(yùn)行的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)-工作水頭和效率出發(fā)，進(jìn)行優(yōu)化分析，以求通過(guò)水輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行來(lái)提高電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。1水輪機(jī)主要參數(shù)萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)分別由天津阿爾斯通公司和上海?？乒旧a(chǎn)，見(jiàn)表一。 表一萬(wàn)家寨水輪機(jī)參數(shù)一覽表2水輪機(jī)在不同水頭下的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析2.1不同水頭下的水輪機(jī)耗水率分析萬(wàn)家寨水庫(kù)庫(kù)容較小，總庫(kù)容僅8.96億m3，調(diào)節(jié)能力非常有限，因此電站的運(yùn)行水位經(jīng)常有較大變化，電站最低運(yùn)行水

3、位為952.00m高程，最高運(yùn)行水位為980.00m高程，最大變幅達(dá)28m，這對(duì)水輪機(jī)來(lái)說(shuō)意味著工作水頭的巨大變化，從水輪機(jī)的出力公式N=9.81.Q.h.不難分析運(yùn)行水頭與出力的關(guān)系:運(yùn)行水頭越高，水輪機(jī)能量特性越好，單位千瓦時(shí)的耗水就越小，以萬(wàn)家寨5#水輪機(jī)為例，圖一繪出了該水輪機(jī)在75.58m、67.40m、59.28m工作水頭下的水輪機(jī)耗水率曲線，顯然水輪機(jī)工作水頭對(duì)其耗水率有著顯著的影響：在上述高中低三個(gè)水頭下水輪機(jī)發(fā)出150Mw出力，其耗水率分別為5.28m3/kW.h、5.81 m3/kW.h、6.80 m3/kW.h，設(shè)發(fā)電用水1000萬(wàn)m3，則發(fā)電量分別為189.40萬(wàn)kW.

4、h、172.12萬(wàn)kW.h、147.06萬(wàn)kW.h，以5#機(jī)上網(wǎng)電價(jià)0.374元/kW.h計(jì)算，經(jīng)濟(jì)效益分別為70.84萬(wàn)元、64.37萬(wàn)元、55.00萬(wàn)元，可見(jiàn)相同的發(fā)電用水，因水頭的不同而產(chǎn)生的效益大小差別巨大，所以要降低發(fā)電耗水率必須提高水輪機(jī)的工作水頭。2.2提高水輪機(jī)的工作水頭的措施(1) 應(yīng)保持萬(wàn)家寨水庫(kù)的高水位運(yùn)行。保持萬(wàn)家寨水庫(kù)的高水位運(yùn)行，這是提高水輪機(jī)工作水頭的主要措施。目前萬(wàn)家寨水庫(kù)的運(yùn)行水位主要受水調(diào)和電調(diào)兩方面因素制約：第一、水庫(kù)的運(yùn)行要滿(mǎn)足防洪、防凌、流域調(diào)水等要求。萬(wàn)家寨水庫(kù)設(shè)計(jì)汛期為710月，其中主汛期（7月15日10月15日）水庫(kù)運(yùn)行水位不得超過(guò)汛限水位966

5、.00m高程,在該高程以下范圍內(nèi)水輪機(jī)的運(yùn)行由于偏離額定工況（Hr=68m）較大，因而能量特性較差，表現(xiàn)出較高的發(fā)電耗水率。筆者認(rèn)為汛限水位不應(yīng)局限于某一固定值,應(yīng)該視黃河實(shí)際水情而定，這樣水庫(kù)既能發(fā)揮防洪作用，同時(shí)水電企業(yè)又能獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益；第二、電網(wǎng)的運(yùn)行需要。對(duì)萬(wàn)家寨水電站來(lái)說(shuō)，以來(lái)水量定發(fā)電量，且水庫(kù)保持較高水位運(yùn)行，是較為經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行方式，但作為晉蒙兩電網(wǎng)少有的調(diào)峰電源，萬(wàn)家寨電站由于兩網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用的需要,往往實(shí)際發(fā)電運(yùn)行方式要偏離計(jì)劃的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，因此水庫(kù)難以保持在較高的經(jīng)濟(jì)水位運(yùn)行，從而導(dǎo)致發(fā)電成本的增加,特別是如今面臨晉蒙兩網(wǎng)日趨緊張的供電局面,萬(wàn)家寨電廠的調(diào)

6、峰任務(wù)會(huì)更加艱巨，水調(diào)和電調(diào)的矛盾將更加突出，尋求二者的優(yōu)化運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度將是萬(wàn)家寨電站非常緊迫的課題。(2) 應(yīng)減少水輪機(jī)輸水系統(tǒng)的水頭損失。試驗(yàn)表明，萬(wàn)家寨電站水頭損失較大，在水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度最大情況下，水頭損失在23m之間，并且水頭損失隨過(guò)機(jī)流量的增大而增加。降低電站水頭損失的有效途徑就是定期清掃進(jìn)口攔污柵和尾水管出口淤積，同時(shí)在機(jī)組大修時(shí)檢查處理流道的沖刷受損部分。電站宜盡早開(kāi)展這些工作，以減少水頭損失，提高機(jī)組發(fā)電潛力。3水輪機(jī)效率分析3.1萬(wàn)家寨水輪機(jī)運(yùn)行負(fù)荷率的現(xiàn)狀近年來(lái)萬(wàn)家寨水電站各臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷情況總體較差，主要是因?yàn)椋阂弧⑷f(wàn)家寨水電站是內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)的調(diào)峰電廠和山西電網(wǎng)的主

7、潮流調(diào)整廠，要保證調(diào)峰和潮流質(zhì)量就必然要求機(jī)組要有著很好的負(fù)荷跟蹤能力，要隨著網(wǎng)上負(fù)荷的波動(dòng)及時(shí)調(diào)整出力，因此機(jī)組的運(yùn)行工況波動(dòng)頻繁且變幅較大；二、萬(wàn)家寨水輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)有著良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性,增減負(fù)荷迅速,因此電網(wǎng)一般會(huì)安排較多的旋轉(zhuǎn)備用于水輪發(fā)電機(jī)組,造成機(jī)組深度調(diào)峰,常運(yùn)行在低負(fù)荷、低效率區(qū)，據(jù)統(tǒng)計(jì)載至2002年8月25日，機(jī)組80MW以下運(yùn)行小時(shí)占總運(yùn)行小時(shí)的比率：1#6#機(jī)分別為43.6%、39.0%、 28.3%、20.2%、21.6%、23.3%，顯然機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行率偏高。 3.2水輪機(jī)運(yùn)行效率分析萬(wàn)家寨水電站安裝的是混流式水輪機(jī)，該機(jī)型相對(duì)其他機(jī)型而言，其特點(diǎn)是最高效率較高

8、，但效率變化較大，高效區(qū)狹窄，見(jiàn)萬(wàn)家寨5#水輪機(jī)的效率特性曲線（圖二）,可明顯看出:一、效率曲線較陡。在67.40m的工作水頭下，水輪機(jī)出力46.71MW、166.68MW時(shí)的效率分別為70.26%、95.17%,效率差值達(dá)24.91%。二、高效區(qū)較窄。在67.40m的工作水頭下，水輪機(jī)在85MW以上的出力范圍內(nèi)運(yùn)行效率基本在85%以上，其中在105MW180MW的出力區(qū)，水輪機(jī)效率在90%以上，而在85MW出力以下水輪機(jī)效率則急驟下降。之所以呈現(xiàn)上述特性，是由于混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是按進(jìn)口水流無(wú)撞擊或略帶正沖角、出口水流是法向或略帶正環(huán)量設(shè)計(jì)的，葉片固定在上下環(huán)上，除最優(yōu)工況外其他工況均不能

9、同時(shí)滿(mǎn)足進(jìn)出口水流的最佳要求。當(dāng)水輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，葉片進(jìn)口有沖角、出口有旋轉(zhuǎn)速度，使得水力損失增大，效率下降，且偏離設(shè)計(jì)工況越遠(yuǎn)，水力損失越大，效率越低，同時(shí)由于水輪機(jī)內(nèi)部流態(tài)的破壞，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組的振動(dòng)、擺度加劇，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重的會(huì)造成構(gòu)件的疲勞破壞，大大縮短水輪機(jī)壽命1。因此水輪機(jī)應(yīng)盡量在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，不要偏離該工況太遠(yuǎn)，對(duì)萬(wàn)家寨水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，水頭在60m以下時(shí)，機(jī)組單機(jī)負(fù)荷應(yīng)不低于80MW；水頭在6068m時(shí)，機(jī)組單機(jī)負(fù)荷不低于100MW；水頭在68m以上時(shí)，機(jī)組單機(jī)負(fù)荷不低于120MW，在上述較高的負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，水輪機(jī)能保持較高的效率，水能利用充分，能量特性較好。 4結(jié)束語(yǔ)保持電站較高的水庫(kù)運(yùn)行水位