关于水能优化利用探讨--以福鼎市桑园电站为例.pdf

案例分析 2014 年第 4 期 78建筑建材装饰 关于水能优化利用探讨 以福鼎市桑园电站为例 陈上和 （福鼎发电分公司，福建宁德 352000） 摘要：桑园电站位于福鼎市赤赤流域赤赤镇赤赤自然赤境内，电站于 1995 年 6 月 16 日首台机组发电，电站装机三台， 容量共 37.5MW，电站设计单位为福建省水利水电勘测设计研究院，水轮发电机组为浙江省原杭州发电设备厂制造，设备安 装施工单位为原福鼎市电力公司下属安装公司。电站运行至今共 21 年，为福鼎发电分公司贡献发电量达 229852 万 kwh，下 面就依据 2000 年至 2009 年十年来电站发电和水库水情数据，分析探讨如何充分优化利用水能达到多发电目的。 关键词：水电站；水轮机；水能优化利用 中图分类号：TV-9 文献标志码：A 文章絸号：16743024（2014）47803 前言 水电站是将水能转化成电能的加工厀，用最少的水能生 产出暙多的电能是企业效益的内在要求，因此如何优化利用 水能便成了发电企业永远不变的课题，做为企业的员工，大 家都有职责为这一课题不懈去钻研，这里我做个抛砖引玉， 对影响水能优化利用的几个因素做初步分析，为进一步开展 优化利用水能做个探路，为致力于这方面研究的同行和领导 开个思路。 水电站是如何生产电能？且看它的生产过程： 水电站通过 建筑大坝拦蓄河道水流以抬高水位形成水库， 水库存蓄着潜在 可利用水能后， 通过隧洞和压力钢管将含有能量的水流引入到 水轮机， 水轮机将水能转换成机械能， 机械能通过主轴传递给 发电机， 发电机通过电枢反应将机械能转化成电能， 电能通过 开关、 变压器和线路传输到用户用电设备， 用户用电设备将电 能再转化成其它形式的能量，到此电能的生产过程才告结束。 从生产环节来看， 电站电能的生产与用户用电设备的使用是息 息相关的， 没有用电设备的使用就不存在电能的生产， 这是产 供销同时进行瞬间完成的特殊行业， “产”影响“销”， “销” 也影响 “产” ， 它们的平衡反映在电能的电压和频率的稳定上， 这是真正的买方市场行业。因此，对于发电企业来说，能够随 时提供用户电能是至关重要的管理工作， 这就是为什么发电企 业对安全管理非常重视和严格的内在动因。 从能量转换角度来看， 电站的生产过程也就是能量的三个 形态转换过程（即：水能机械能电能），这三个过程全部 是物理过程， 在物质的质和量上不存在改变或消亡， 即水还是 水，水轮机还是水轮机，发电机还是发电机。只是载在其上的 能量进行了能量形态的转换， 在能量转换中存在着一部分能量 转换成第三种形态的能量或者仍有一部分保留着原形态的能 量没有转换掉，出现了转换后的能量比转换前能量在量上少 了， 前者与后者的比就是转换效率问题， 如水能转化成机械能 时， 还有一部分没有转换掉的水能流到下游， 还有一部分转换 成热能等其它形态的能量， 同样机械能转换成电能时也存在着 部分机械能转换成热能等其他形态的能量。 水能是以水位、 压 强、流速形态存在（W、P、V），我们知道，水流到达水轮 机前先经过隧洞和压力钢管， 由于水在流动过程对隧洞壁和钢 管壁以及水流体间形成相对磨擦造成水头损失， 或者由于引水 系统管道形状突然改变形成紊流造成局部水头损失， 因此造成 水库潜在可利用水能与水流到达水轮机后实际输入给水轮机 水能的量是不一样的，前者的量与后者的量差就是水头损失 h。转动机械能是以转速和转矩的形态存在（M、），水能 转换成电能时要经过中间能量转换环节，即先转换成机械能， 水轮机正是完成这一任务的机械设备， 一定量的水能经水轮机 转换后成一定量的机械能， 后者量与前者量的比就是水轮机能 量转换效率即水轮机效率（j）。 从上文叙述可知： 水库存蓄着水能， 对于已知水库其大小为： Eq =(A-W 下)*L； 水库潜在可利用最大水能： Eq =Z*L； 水流输入给水轮机的水能大小： Es = HQT； 水轮机输出的机械能大小： Ej=MT； 水能与转换后机械能关系： Ej =Es*j=HQTj； 单位时间机械能即功率： Nj=HQj； 单位重量水体所具有的能量（即：水头）： Hs=P/+V 2/2g+W； 流道内各处水体水能相等（能量守恒）:HI=HII+h损 水轮机转轮进出口水头之差(即是：水轮机工作水头）: H=（PI/+VI 2/2g +W I）-（PII/+VII 2/2g +W II）； 式中 A 为水库相对进水口存蓄水量的加权水位，A= WiLi/L，Wi为水位层，Li为相对 Wi水位层水量；Z 为相对于尾 水位的水库水位落差，Z=W上-W下，W上为水库水位，W下为 尾水水位；为水的比重；L 为水库存蓄的水量(容积)； Q 为 工作流量，即单位时间内通过水轮机转轮的水体容积；T 为作 用时间；W 为单位水体质点所在相对位置；HI、HII为处 处水体水头；h损为处至处水体水头损失；WI为水体质点 在转轮叶片进口边相对位置，WII为水体质点在转轮叶片出口 边相对位置。 PI，PII为水轮机入口和出口处相对大气压的压 强； VI ， VII为水轮机入口和出口处水流速；g 为重力加速度。 根据水轮机工作水头定义和能量守恒规律可知： H=（PI/+VI 2/2g +W I）-（ws 2/2g +W 下+ hs） = W上-hy-（ws 2/2g +W 下+ hs）； = W上-W下ws 2/2g(h y+ hs） = Zws 2/2gh； 式中ws为尾水出口流速；hs为尾水管段水头损失，hy为 水库至水轮机转轮进口处水头失损，h 为水库至尾水出口处 水头损失， h=hy+ hs。 案例分析 2014 年第 4 期 建筑建材装饰79 从工作水头计算公式可知，由于相对固定出力下尾水位 W下和尾水出口流速ws变化不大，因此水库水位 W上越高， 得到的 H 就越大，实际可利用的水能也就越大。水头损失 h 相对于水头是反面影响， 如果运用中可以控制 h 在尽量小值， 则得到的水头 H 较大，对实际水能利用有利。同样水轮机能 量转换效率j如果在运行中可以有效控制， 使其尽量保持较 大，实际水能利用也较大。水能优化利用的最后一个问题就 是来水量的有效利用，即在水库运用中的弃水问题，公式中 的 QT 如果越大，最终得到的电量将越大。如何使电站常在 高水位运行又不弃水，这不仅是一个技术性的问题，暙是管 理性问题，它涉及到供电公司调峰需求，涉及到用户用电量 需要，也涉及到电站装机大小与水位有效下降等问题，本文 就技术方面问题进行分析探讨。 综上所述：水能的优化利用主要有四个方面追求，即： （1）减小水头损失；（2）保持水轮机高效率运行；（3） 保持水库高水位运行；（4）避免水库弃水。 1 如何减小水头损失 根据有关参考资料， 引水系统的水头损失包括了局部水头 损失：i*Vi 2/(2g)和沿程水头损失：( iLi/di)*Vi 2/(2g)，即： hi*Vi 2/(2g) ( iLi/di)*Vi 2/(2g)； 引水系统某段面流速 V 与流量 Q 的关系为： Q=V*S =V*(d/2) 2=d2V/4； V=4 Q/(d 2)； V 2=16 Q2/(2d4)； 用 Q 来代换 V，则水头损失公式为： h8i Q 2/( g2d i 4)+8 iLi Q 2/( g2d i 5)； 将8i /( g 2d i 4)+ 8 iLi /( g 2d i 5) 定义为 K i，即： Ki8i /( g 2d i 4)+ 8 iLi /( g 2d i 5)； 则水头损失公式为： hKi*Q 2； 式中 di为某段引水隧洞直径，Li为对应 di直径下的隧洞 长度，对于已建成的水库及电站引水系统，di、Li是不会改 变的， i(沿程水头损失系数)、 i(局部水头损失系数)都与引 水系统结构有关，对于已定形的引水系统其i和i也是不 会改变的，即 Ki为定值，因此从公式可知，引水系统的水头 损失 h 与流量 Q 的平方成正比。 发电机出力与流量的关系：Nf=Njf=H Qjf； 用水头公式代入： Nf =(Z ws 2/2g - h) Q jf； 尾水管出口流速较小可忽略不计： Nf =jf (Z - h) Q； 式中f为发电机效率。 发电机所发电量的计算公式：ENfT，由公式可知当 时间 T 缩短倍，出力 Nf增加倍，最终的电量是不变的， 即对于一定电量来说出力与时间成线性反比。 水轮机在给定电量下所消耗的水量计算公式： LTQT Nf/jf (Z - h)； 由此式可知L值不仅与T和Nf有关， 还与jf (Z - h) 有关， 由于 h 大小与 Q 成几何倍关系，Nf增加 Q 势必要加， 致使jf (Z - h)变小，因此出力 Nf增加倍 Q 将增大大 于倍。 对于电量来说机组的出力增减变化与时间缩短加长同 步变化虽然不影响发电的最终量，但对消耗的水量来说却增 加。如何减小水头损失，使水能利用率暙高。结论是：保持 机组负载稳定运行。 2 如何保持水轮机高效率运行 水轮机效率的大小与运行工况（对应于固定的一组 H、 Q 点）有关，这由转轮型号和制造厀工艺决定的，什么工况 下效率最高可通过实际效率试验获得，没有条件做效率试验 时也可以参照水轮机运转特性暗线近似查得。为了使用方便 现将桑园电站运转特性暗线转换成工作特性暗线（水头暗 线），从得到的工作特性暗线来看可将水头大致分成三个运 行区段， 即高水头区、 中水头区和低水头区 （详见插图 1、 2） ， 在不同区其出力与效率的变化规律是不同的，高水头其高效 率区在高负荷区，中低水头时高效率区并不在高负荷区，因 此在实际运用中要注意同供电调度协调，争取在机组出力在 高效率区运行。 如何保持水轮机高效率运行，结论很简单：根据不同水 位依据工作特性暗线制订机组发电出力计划，保持水轮机在 高效率区运行，以充分利用水能。 图一 图二 3 如何保持水库高水位运行 在（H+R）值水头时发电机出力为：Nf1=9.81(H+R) Qj f，在 H 值水头时发电机出力为：Nf2 =9.81H Qjf，在给 定流量和效率时上述前后两个水头值下的出力比：Nf 1/Nf2 =1+R/H； 前后水头值下出力关系：Nf1 = Nf2+（R/H）* Nf2； 从上式可知水头增加 R 米出力将增加原出力的 R/H 倍， 由于水位增加后同样出力时流量 Q 会变小， 水头损失 h 也将 变小，因此如果水位增 R 米，实际水头将增加不小于 R 米。 例：以 225 米设计水头为例，水位每增加 1 米，电能将 增加 1/225 倍原电量，即增 0.44%，如果水位增加 10 米，电 能将相应增加 4.4。 由此结论：尽量保持水库在高水位运行，使水库水能得 到充分利用。 4 如何避免弃水 保持高水位运行，增加发电量效果是十分明显的，但保 持高水位运行又存在着发生超预计降雨量造成过洪弃水损 失的风险，如何平衡高水位和避免弃水是一项十分有意义的 （下转第 88 页） 案例分析 2014 年第 4 期 88建筑建材装饰 0.6054m，是斜拉索截面直径的六倍多，与在八度烈度地震 作用下相比，增加了 33.7%。 （4） 在九度烈度地震作用下， 斜拉索最大轴力 5649KN， 最大正应力 580.6MPa，与在八度烈度地震作用下相比，增加 了 9.3%。 斜拉索正应力远远小于斜拉索的标准抗拉强度 1670 MPa，斜拉索不会破坏。 （5）综合位移和内力分析:与在八度烈度地震作用下的 结果相比，在九度烈度地震作用下，该斜拉索的变形量远大 于内力的增加量，可见，斜拉索是柔性结构，一般主要通过 变形来抵御外部作用，而不是主要通过增加内力来抵御外部 作用。 3.6 斜拉糾紧性时程分析 为了与非线性的结果相比较，有必要进行斜拉索的线性 时程分析。如果不考虑几何非线性，斜拉索在九度烈度地震 作用下的线性结果如下： 表 3 九度烈度时，斜拉索关键位置位移峰值 位置 纵向（m） 横向（m） 竖向（m） 1 0.3060 3.198 0.7375 2 0.3181 3.198 0.7375 3 0.3335 3.198 0.7375 在九度烈度地震作用下，不考虑几何非线性，分析后得 到的线性时程结果，如下，经过对比，得到: （1）在九度烈度地震作用下，如果考虑几何非线性， 斜拉索最大纵向位移、最大横向位移和最大竖向位移出现在 索的跨中，分别为 0.1058m、0.6054m、0.1313m ；在九度烈 度地震作用下，如果不考虑几何非线性，斜拉索最大纵向位 移、最大横向位移和最大竖向位移分别为 0.3335m、3.198m、 0.7375m ，与非线性结果相比较，差别非常大。 （2）在九度烈度地震作用下，如果考虑几何非线性， 斜拉索最大轴力 5649KN，最大正应力 580.6MPa。 （3）在九度烈度地震作用下，如果不考虑几何非线性， 斜拉索最大轴力 5720KN，最大正应力 588.8MPa，与非线性 结果相比较，差别比较小。 （4）考虑几何非线性的情况与不考虑几何非线性的情 况相比，在九度烈度地震作用下，位移时程相差很大，尤其 是横向，差别达到 4 倍。内力时程时程相差较小，应力仅仅 相差 1.4%。 （5）综合位移和内力分析：在强震作用下，又因为斜 拉索是柔性结构，对斜拉索进行时程分析时，一般要考虑几 何非线性的影响。如果不考虑几何非线性的影响，会到来较 大误差。 4 紻语 本文对某大桥进行地震反应分析，采用有限元分析软件 Midas 进行模拟计算，通过线性结果和非线性结果的对比得 知：在强震作用下，对斜拉索进行时程分析时，一般要考虑 几何非线性的影响。如果不考虑几何非线性的影响，会引起 较大误差。 参線文献： 1丁皓江.弹性和塑性力学中的有限单元法M.北京：机 械工业出版社，2011 2范立础.桥梁抗震M.同济大学出版社，2012 3杨运科.深水墩斜拉桥的地震反应分析D.成都：西南 交通大学，2010 4纽马克等.地震工程学原理M.北京：中国建筑工业出 版社，2010 （上接第 79 页） 工作。桑园电站年利用只有 2884 小时，24 小时满发电可腾 库容 150 万方水量，相当减少 15mm 降雨量对水库影响，因 此如何提高桑园水库水位运行大有