李志華，王 鵬，夏紹云，鄭新建，胡照宇，寇 林，袁鄭州

(1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032；2.華能湖南清潔能源有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引 言

節(jié)能增效的評估方法多用于煤炭、鋼鐵、化工、火力發(fā)電等行業(yè)中，對水電，太陽能、風(fēng)電等清潔能源研究和分析較少[1]。近年來隨著高水頭水力資源開發(fā)的枯竭，國內(nèi)貫流式機(jī)組裝機(jī)容量和規(guī)模日趨增大，但已投運(yùn)貫流式機(jī)組中存在低水頭運(yùn)行穩(wěn)定性差、出力達(dá)不到設(shè)計要求等情況。不同學(xué)者和工程技術(shù)人員分別從葉片個數(shù)、翼型設(shè)計、重力場影響、水輪機(jī)水力開發(fā)設(shè)計、工程現(xiàn)場實踐等[2-7]方面進(jìn)行分析研究存在的問題以及改造后機(jī)組出力優(yōu)化提升等，但是對改造或者提升后的經(jīng)濟(jì)價值和效益均無概述。文獻(xiàn)[8]通過水電站來水推算、庫容曲線擬合、動態(tài)庫容、管路損失、水能換算和系統(tǒng)效率修正等幾部分計算，很好地實現(xiàn)了電站發(fā)電量的計算，但并未涉及因運(yùn)行參數(shù)或機(jī)組引用流量提升對電站帶來的效益和收益。文獻(xiàn)[9]采用CDM研究的一套評價水電站增發(fā)電量的計算方法，建立并編制了梯級調(diào)度電站評價體系，取得較好的效果，但是不宜實現(xiàn)。涉及到燈泡貫流式機(jī)組節(jié)能增效收益計算和分析的文獻(xiàn)和資料、方法均比較少。

表1 電站運(yùn)行水頭分布規(guī)律統(tǒng)計

1 工程概況

某水電樞紐工程位于湖南省祁陽縣境內(nèi)湘江干流上，以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、公路交通等綜合經(jīng)濟(jì)效益。該電站壩址以上控制流域面積27 118 km2。正常蓄水位75.5 m，水庫總庫容3.13億m3。電站裝機(jī)20 MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組4臺，總裝機(jī)容量80 MW，發(fā)電機(jī)采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)，多年平均發(fā)電量3.18億kW·h。

本工程規(guī)模為中型三等工程，永久性水工建筑物級別為3級。永久性水工建筑物擋水壩、電站廠房和船閘為3級，臨時性水工建筑物為4級。擋水壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇；土壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a一遇；電站廠房(河床式)和船閘為擋水建筑物的一部分，其上游防洪標(biāo)準(zhǔn)與擋水壩相同，下游設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇；消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇。

該水電站自2012年投產(chǎn)以來，就存在邊棄水邊發(fā)電情況，且無法達(dá)到設(shè)計出力，損失了大量的水能資源；電站毛水頭低于5 m機(jī)組處于停機(jī)泄洪狀態(tài)，低水頭運(yùn)行穩(wěn)定性差，這些問題一直困擾著水電站的運(yùn)行。經(jīng)研究分析認(rèn)為，該機(jī)組導(dǎo)葉開度受限造成引用流量不足，限制了其帶負(fù)荷能力?；谒啓C(jī)水力設(shè)計優(yōu)化、水輪機(jī)原理以及計算流體力學(xué)等方面的基本知識，電站采用增大導(dǎo)葉開度、增加機(jī)組引用流量等方法提升機(jī)組發(fā)電能力，并于2021年10月1日下發(fā)了修訂后的導(dǎo)葉開度限制。修改導(dǎo)葉開度參數(shù)后電站的實際運(yùn)行情況證明，該方法是合理的，為電站創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)價值；但是統(tǒng)計分析取得的經(jīng)濟(jì)收益較為復(fù)雜和困難。本文以機(jī)組凈水頭、機(jī)組負(fù)荷、機(jī)組振動為邊界條件對取得的經(jīng)濟(jì)收益進(jìn)行分析估算。

2 電站水頭統(tǒng)計

根據(jù)電站《XX電量日報自動計算表》中水情數(shù)據(jù)錄入中的基本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計2016年1月1日～2021年9月30日，近6年共計2 100 d內(nèi)電站運(yùn)行水頭情況，其中主要統(tǒng)計見表1。

根據(jù)表1可知，機(jī)組毛水頭在7.0 m≤h<7.4 m區(qū)間運(yùn)行時間多年平均值為36 d，在6.5 m≤h<7.0 m區(qū)間運(yùn)行時間多年平均值為27.8 d，在6.0 m≤h<6.5 m區(qū)間運(yùn)行時間多年平均值為9.7 d，在5.5 m≤h<6.0 m區(qū)間運(yùn)行時間多年平均值為5.2 d，在5.0 m≤h<5.5 m區(qū)間運(yùn)行時間多年平均值為4.5 d，在4.5 m≤h<5.0 m區(qū)間運(yùn)行時間多年平均值為3.3 d。機(jī)組在毛水頭4.5 m以下運(yùn)行時間非常短暫，且受到防洪度汛、機(jī)組超低水頭運(yùn)行振動偏大等因素制約，基本不在4.5 m水頭以下運(yùn)行，所以本研究不做統(tǒng)計和分析。根據(jù)電站實際運(yùn)行情況，電站毛水頭7.4 m以上導(dǎo)葉開度開至90%左右即可滿足帶最大負(fù)荷的基本要求，所以本研究也不分析電站凈水頭7.4 m以上機(jī)組出力情況?？傊娬驹?.5～7.4 m水頭之間運(yùn)行的天數(shù)占5.0～7.4 m水頭之間運(yùn)行總天數(shù)的74%，預(yù)估此區(qū)間水頭獲得的收益較為明顯。

3 機(jī)組帶負(fù)荷能力預(yù)估

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行特性曲線和電站不同水頭下機(jī)組空轉(zhuǎn)對應(yīng)的導(dǎo)葉開度進(jìn)行不同水頭下空載開度預(yù)估，其中電站凈水頭7 m以上空載開度預(yù)估為11%，電站凈水頭6.0～7.0 m之間的空載開度預(yù)估為12%，電站凈水頭6 m以下的空載開度預(yù)估為13%。根據(jù)線性回歸分析可知，機(jī)組單位開度對應(yīng)的負(fù)荷計算公式為

Q=f(x)=f(x1-x0)

(1)

式中，x為當(dāng)前水頭、當(dāng)前負(fù)荷下對應(yīng)的導(dǎo)葉凈開度，%；x1為當(dāng)前水頭對應(yīng)機(jī)組負(fù)荷下導(dǎo)葉開度，%；x0為不同水頭下對應(yīng)的空載開度預(yù)估值，%；Q為機(jī)組負(fù)荷，MW。Q和x滿足類直線關(guān)系，單位開度對應(yīng)的功率即可按照式(2)計算

Q1=kΔx

(2)

式中，Q1為增大引用流量后單位開度對應(yīng)的機(jī)組帶負(fù)荷能力或功率，MW；k為單位開度對應(yīng)的功率，MW；Δx為增加導(dǎo)葉開度幅值，%。

按照上述公式和計算方式計算1～4號機(jī)組單位開度對應(yīng)機(jī)組功率關(guān)系，如圖1所示。

圖1 不同機(jī)組不同水頭單位開度對應(yīng)的功率關(guān)系曲線

表2 全電站多發(fā)電量估算

由圖1可知，機(jī)組導(dǎo)葉開度和單位開度功率曲線基本為線性關(guān)系，不同機(jī)組只是k值不同，因此采用線性擬合導(dǎo)葉開度和機(jī)組功率對應(yīng)關(guān)系可行并且是正確的。通過公式(1)、(2)和圖1可以看出，在凈水頭6.5～7.4 m區(qū)間運(yùn)行時，機(jī)組帶負(fù)荷能力符合如下規(guī)律：單位開度對應(yīng)的功率為0.75～1.05 MW，且水頭越高單位開度對應(yīng)的功率越大。根據(jù)電站多年凈水頭統(tǒng)計和分析可知，電站凈水頭6.5 m以下多年平均天數(shù)較少，不作為分析重點。

4 電站預(yù)估電量分析

不同水頭下，機(jī)組的帶負(fù)荷能力不同，因此根據(jù)電站水頭分布情況分別取7.2、6.8、6.3、5.8、5.3 m和4.8 m為不同水頭段的特征水頭進(jìn)行分析計算。

根據(jù)圖1對機(jī)組單位開度功率和機(jī)組水頭采用公式(3)進(jìn)行直線擬合

Q2=ah+b

(3)

式中，Q2為不同水頭對應(yīng)機(jī)組功率增加值，MW；h為電站凈水頭，m；a和b為系數(shù)。

應(yīng)用式(3)可以方便求出任一水頭下的機(jī)組單位開度帶負(fù)荷能力，再乘以相應(yīng)水頭下等開度的運(yùn)行時間，即可得到多發(fā)電量，計算公式為

M=TQ2

(4)

式中，M為機(jī)組等開度下多發(fā)電量，MW·h；T為機(jī)組在某個水頭運(yùn)行的時間，h；Q2為典型水頭下等開度對應(yīng)的負(fù)荷，MW。

由于電站大部分的運(yùn)行水頭為6.5 m以上，因此對1～4號機(jī)組在6.8 m和7.2 m特征水頭下的增發(fā)電量進(jìn)行分析計算，計算結(jié)果見表2所示?？紤]電網(wǎng)調(diào)度、線路故障、計算誤差、防洪要求、機(jī)組可用系數(shù)等不可控等因素對增發(fā)電量的影響，在進(jìn)行電量預(yù)估時引入等效系數(shù)k2，計算公式為

(5)

式中，T1為機(jī)組在來水充足但不可發(fā)電的天數(shù)，d；T總為該水頭下多年平均可用天數(shù)，d。

根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)分析和計算，本文推薦采用75%等效系數(shù)對電站多發(fā)電量進(jìn)行計算。

根據(jù)表2可知，按照75%等效系數(shù)計算1～4號機(jī)組多年平均多發(fā)電量分別為114.11萬、109.92萬、106.87萬、104.29萬kW·h，1～4號機(jī)組累計多發(fā)電量435.2萬kW·h，占多年平均發(fā)電量的1.4%；每臺機(jī)組帶負(fù)荷能力增加約0.75～1 MW，占額定容量的5%左右，因此帶來較為可觀的電量和可用裝機(jī)容量的增加。

5 機(jī)組運(yùn)行特性分析

為了分析評價機(jī)組因增加引用流量對機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、帶負(fù)荷能力的影響，統(tǒng)計1號機(jī)組在不同時間的電站凈水頭、機(jī)組出力和機(jī)組振動3個參數(shù)。

該水電站水輪發(fā)電組振擺測點主要有：水導(dǎo)軸承X、Y向振動，水導(dǎo)軸承X、Y向擺度，組合軸承X、Y、Z方向振動，轉(zhuǎn)輪室X、Y方向振動共計9個測點。根據(jù)多年運(yùn)行經(jīng)驗，水導(dǎo)軸承X向振動對機(jī)組負(fù)荷和電站水頭最為敏感，因此本文只統(tǒng)計了水導(dǎo)軸承X向振動情況并進(jìn)行分析對比。根據(jù)水頭相近、運(yùn)行時間相近、機(jī)組負(fù)荷相近和上游來流相近，并綜合考慮庫容騰空和攔洪蓄尾等因素，統(tǒng)計分析了導(dǎo)葉開度限制修改前共6 d的電站凈水頭、機(jī)組負(fù)荷和水導(dǎo)振動數(shù)據(jù)，包括2020年4月8日、2021年4月20日、2021年4月19日、2021年5月23日、2021年5月27日和2021年6月6日；修改導(dǎo)葉開度限制參數(shù)后共2 d的電站凈水頭、機(jī)組負(fù)荷和水導(dǎo)振動數(shù)據(jù)，包括2021年11月1日和2021年11月3日。為了便于直觀表達(dá)和分析導(dǎo)葉開度限制參數(shù)修改前后機(jī)組帶負(fù)荷能力的提升，按照日內(nèi)凈水頭運(yùn)行區(qū)間6.4～6.8 m和6.8～7.4 m兩種水頭區(qū)間分別對比分析，其中修改參數(shù)后的2021年11月3日和修改參數(shù)前的2020年4月8日、2021年4月20日、2021年5月23日、2021年5月27日這4天的運(yùn)行工況較為接近，修改參數(shù)后的2021年11月1日與修改參數(shù)前的2021年4月19日和2021年6月6日這2天運(yùn)行工況較為接近。圖2、4、6主要反映的是電站凈水頭6.4～6.8 m時的關(guān)系曲線，圖3、5、7主要反映的是電站凈水頭6.8～7.4 m時的關(guān)系曲線。

圖2 機(jī)組負(fù)荷和水頭關(guān)系曲線(2021年11月3日與相關(guān)日期對比)

圖3 機(jī)組負(fù)荷和水頭關(guān)系曲線(2021年11月1日與相關(guān)日期對比)

圖4 水導(dǎo)X向振動和水頭關(guān)系曲線(2021年11月3日與相關(guān)日期對比)

圖5 水導(dǎo)X向振動和水頭關(guān)系曲線(2021年11月1日與相關(guān)日期對比)

圖6 水導(dǎo)X向振動和負(fù)荷關(guān)系曲線(2021年11月3日與相關(guān)日期對比)

由圖2可知，電站凈水頭在6.5～6.8 m之間時，機(jī)組出力增加值約為0.9 MW，且機(jī)組負(fù)荷增加幅度隨著水頭增加而增加，負(fù)荷減小幅度隨著水頭減小而減小。由圖3可知，電站凈水頭在6.8～7.4 m之間時，機(jī)組出力增加值約為1.1 MW，且機(jī)組負(fù)荷增加幅度隨著水頭增加而減小，負(fù)荷減小幅度隨著水頭減小而增加。根據(jù)電站多日

圖7 水導(dǎo)X向振動和負(fù)荷關(guān)系曲線(2021年11月1日與相關(guān)日期對比)

運(yùn)行參數(shù)可知，水輪機(jī)帶負(fù)荷能力采用式(1)～(5)計算數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)偏差均在5%以內(nèi)，說明該預(yù)估方法的計算過程和公式可信、正確。

由圖4、5可知，機(jī)組在增加負(fù)荷后以水導(dǎo)為代表的機(jī)組組振動并未明顯增加，且有減少趨勢。水導(dǎo)振動水平由修改導(dǎo)葉開度限制參數(shù)前的120～185 μm，下降至130～150μm，其中最大值下降了近23%；水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室、組合軸承處的振動也均有不同程度的減小。

可見，采用增大引用流量的方法不僅增加了機(jī)組出力而且有效降低了機(jī)組振動水平。

6 結(jié) 語

該電站機(jī)組為雙調(diào)機(jī)組，對運(yùn)行水頭參數(shù)較為敏感，一直存在邊發(fā)電邊棄水且不能達(dá)到設(shè)計出力情況，通過增加導(dǎo)葉開度進(jìn)而增加引用流量并取消槳葉開度限制，不僅獲得了較大的經(jīng)濟(jì)效益也獲得了較好的機(jī)組穩(wěn)定收益。通過本文計算方法可以很好地為節(jié)能增效，特別是增加引用流量后多發(fā)電量的收益計算和評估提供較為可靠和準(zhǔn)確的參考。本文的計算表明，機(jī)組在不同水頭區(qū)間帶負(fù)荷能力提升約2%～5%，并且計算誤差在5%以內(nèi)；按照75%等效系數(shù)的多發(fā)電量較以往全年多400萬kW·h，占多年平均發(fā)電量的1.4%。同時，計算還表明，針對已建成的電站，因機(jī)組在0.9倍額定水頭至額定水頭區(qū)間運(yùn)行時間較長，應(yīng)優(yōu)先挖掘機(jī)組在該水頭區(qū)間的發(fā)電潛力，這樣節(jié)能增效的收益最為顯著。