青山殿水电站水轮机经济运行分析及水库优化调度.doc

青山殿水电站水轮机经济运行分析及水库优化调度青山殿水电站水轮机经济运行分析及水库优化调度（青山殿水电开发有限公司 李长君）摘要：针对青山殿水电站水轮机的经济运行问题,从水轮机的工作水头、运行效率方面进行了分析，并对如何优化水库调度提高经济效益和兼顾防洪职能作了阐述。关键词：水轮机经济运行耗水率效率 水库调度 防洪1 概述青山殿水电站装有2台20MW水轮发电机组，电站的主要任务是发电调峰，设计年发电量9109万kWh。青山殿水库集雨面积1429km2，正常蓄水位87m,正常蓄水位以下库容4500万m3,死水位79m,死库容2500万m3，调节库容2000万m3，设计年均径流量为148200万m3。然而近年来由于柳溪江天然径流的减少，水库的实际来水远少于设计值，据统计20032006年青山殿水库的年径流仅分别为103086.43万m3、73092.66万m3、98705. 2万m3、95956. 5万m3，来水形势非常严峻，如果不能更充分地利用现有来水，做好电站的经济运行，势必严重影响青山殿水电开发公司的经济效益。 发电耗水率指标是衡量水电站经济运行情况的主要指标,而影响该指标的主要因素之一就是水轮机的经济运行工况的好坏，因此要降低发电耗水率，必须优化水轮机的运行参数，改善其运行工况。下面从水轮机运行的两个关键参数工作水头和效率出发，进行优化分析，以求通过水轮机的经济运行来提高电站的经济运行水平。2 水轮机主要参数青山殿水电站水轮机由天津阿尔斯通公司生产，主要参数如下：生产厂家：天津阿尔斯通；额定出力：20.6 MW；设计水头：29 m；最大水头：35.6 m；最小水头：23.4 m；最高效率：93.9%；额定流量：78.1 m3/s；最小水头下出力：2800 KW。3水轮机在不同水头下的经济运行分析3.1不同水头下的水轮机耗水率分析 青山殿水库库容较小，总库容仅5600万m3，可调节库容2000万m3调节能力非常有限，因此电站的运行水位经常有较大变化，电站最低运行水位为79m高程，最高运行水位为87.5m高程，最大变幅达8.5m，这对水轮机来说意味着工作水头有较大的变化，从水轮机的出力公式N=9.81Qh不难分析运行水头与出力的关系:运行水头越高，水轮机能量特性越好，单位千瓦时的耗水就越小，以青山殿水轮机为例，表一给出了该水轮机在29m、32m、35m工作水头下的水轮机耗水量，显然水轮机工作水头对其耗水量有着显著的影响：在上述低中高三个水头下水轮机发出20Mw出力，每小时耗水量分别为28.12万m3、25.35万m3、23.17万m3，设发电用水1000万m3，则发电量分别为万71.12万kW.h、78.90万kW.h、86.31万kW.h，以2006年上网平均电价0.539元/kW.h计算，经济效益分别为38.33万元、42.53万元、46.52万元，可见相同的发电用水，因水头的不同而产生的效益大小差别很大，所以要降低发电耗水率必须提高水轮机的工作水头。 耗水量 水头负荷（MW）29m32m35m729. 22326.7924.49833.029.9227.99836.3233.2930.781039.9136.6833.811143.9039.7936.781247.3742.9339.681351.5246.5142.521454.6849.5545.801558.5853.0948.541662.1556.3351.771766.0459.8554.721870.3063.3757.941974.266.8961.152078.1170.4164.37表二 青山殿水轮机在不同水头下的耗水量（m3/s） 3.2提高水轮机的工作水头的措施一是应保持青山殿水库的高水位运行。保持青山殿水库的高水位运行，这是提高水轮机工作水头的主要措施。目前青山殿水库的运行水位主要受水调和电调两方面因素制约：第一、水库的运行要满足防洪要求。青山殿水库主汛期为6月1日7月15日，汛限水位80.0米，水库运行水位不得超过汛限水位80m高程,而此时水轮机能量特性较差，表现出较高的发电耗水率。第二、电网的运行需要。作为杭州电网的调峰电源，青山殿水电站由于调峰的需要,往往实际发电运行方式要偏离计划的经济运行方式，因此水库难以保持在较高的经济水位运行，从而导致发电成本的增加,特别是夏天紧张的供电局面,青山殿电厂的调峰任务较重，水调和电调的矛盾将更加突出，寻求二者的优化运行、实现经济调度是青山殿水电站可深入研究的课题。 二是应减少水轮机输水系统的水头损失。试验表明，青山殿电站水头损失较大，特别是两台机组同时开机情况，水头损失随过机流量的增大而增加，在机组满负荷情况下，水头损失在23m之间。降低电站水头损失的有效途径就是定期检查进口拦污栅，在不要求快速腾空库容的情况下，应尽量一台机组发电，以减少水头损失，提高机组发电潜力。4水轮机效率分析4.1青山殿水轮机运行负荷率的现状 近年来青山殿水电站机组的负荷情况总体不佳，主要是因为：一、青山殿水电站机组运行时不管水头高低，均是满负荷发电，机组没有运行在最高效率区；二、青山殿水电站是杭州电网的调峰电厂，特别是夏季受防汛影响有时在低水头区运行时较多，机组耗水量增大，效率偏低。4.2水轮机运行效率分析青山殿水电站安装的是轴流转桨式水轮机，该机型相对其他机型而言，其特点是机组效率较高，高效率区较宽，因此只要能合理调度，还是有一定潜力可挖的，见青山殿水轮机在不同水头下的效率特性曲线（图一）,可明显看出:一、效率曲线较平滑。在29m的工作水头下，水轮机出力13.2MW、20MW时的效率分别为93%、93.2%,效率差值0.2%。二、高效率区较宽。在29m的工作水头下，水轮机在13.2MW以上的出力范围内运行效率基本在93%以上，其中在15.3MW17.8MW的出力区，水轮机效率在93.5%以上，超出这个出力范围水轮机效率反而下降。之所以呈现上述特性，是由于轴流转桨式水轮机转轮叶片是按导叶与桨叶协联关系设计的，转轮叶片在最优工况下运行，满足进出口水流的最佳要求。当水轮机偏离设计工况时，叶片进口有冲角、出口有旋转速度，使得水力损失增大，效率下降，且偏离设计工况越远，水力损失越大，效率越低，同时由于水轮机内部流态的破坏，产生压力脉动，导致机组的振动、摆度加剧，影响机组的稳定运行，严重的会造成构件的疲劳破坏，大大缩短水轮机寿命。因此水轮机应尽量在设计工况下运行，不要偏离该工况太远，对青山殿水轮机来说，水头在29m时，机组负荷应在15.5MW17.5MW；水头在30m33m时，机组机负荷应在16MW20MW；水头在33m以上时，机组负荷不低于20MW时效率最高，在上述较高的负荷区运行，水轮机能保持较高的效率，水能利用充分，能量特性较好。 5 运行建议5.1 经常保持水轮机高水头运行；5.2 避开振动区，根据机组水轮机运转特性曲线及时调整水轮机出力；5.3 根据实际水头及时调整调速器电气柜水头设定值，以便选择最佳运行协联曲线。6 水库优化调度根据以上分析和运行建议，水库水位进行合理优化调度，对提高经济效益有着重要的作用，下面就如何进行水库的优化调度谈一点看法。6.1优化调度问题的提出青山殿电站上游有岛石、岭下、湍口、昌化、青山殿五个水文站，青山殿水库调度就根据这五个站的测量结果进行预测。青山殿水库集雨面积大、库容系数小（0.0013），由于目前水文站点还不是很多，因此根据降雨量来预测来水量还存在不准确的问题、加之气象预报还不够准确，对洪峰到来之前腾空库容还是有一定的影响。又因为青山殿电站峰谷电价差距较大，向电力局预报负荷有一定难度。例如，如果当天气预报上游有雨，可能出现较大流量，通常会提前发电，甚至为腾空库容发谷电，而实际降雨量的较少或没有，那么此时按向电力局预报的负荷来安排生产，就会造成水位下降较低，从而使机组的损耗增大，效率降低，单耗增大。相反，如果预报上游来水量小而实际来水量大时，就会造成水位上升过快，导致谷电多发,峰谷比下降，甚至开闸泄洪而造成大量弃水。因此，为了充分合理利用水资源，考虑防洪、发电之间的关系，尽可能实现水库机组的优化运行。充分地根据水文预报，气象资料、峰谷电差价、实际水位等因素进行综合分析，对有限的可调库容实现动态调度。因此平时调度过程中要尽量协调好电力调度与防洪关系。这就涉及到水库如何优化调度的问题。6.2 调度原则青山殿电站有发电兼顾防洪功能，防洪库容为891万m3。次主汛期（45月）汛限水位86.3米，主汛期（6月1日7月15日）汛限水位80.0米，次主汛期（7月16日10月15日）汛限水位85.0米。调度原则如下：序号汛期时间控制水位（m）来水量（m3/s）泄洪原则备注1次主汛期4月1日5月30日86.3灵活控制2主汛期6月1日803000Qin=Qout入库流量=Qin7月15日3000Qout=3000出库流量=QoutQin=QoutH=87米时3次主汛期7月16日10月15日85灵活控制4枯水期10月16日至次年3月31日87灵活控制表三 青山殿水库洪水调度原则如果严格按照汛限控制水位，则整个年度的发电量将受到很大限制。根据我们多年的运行经验，真正有大雨612小时涨水，3050小时退水，我们可以充分利用这个时间差，利用腾库时间（见表三）以及水库蓄水时间（见表四）合理安排运行方式。表三：青山殿水库各库容发电至80米水位时间表水位( m)库容（万m3 ）差值（万m3 ）发电时间一台（h）两台（h）80260081280020073823000400146.78333007002411.784360010003516.78539001300452286420016005526.78745001900663287.5470021007235表四：青山殿水库蓄至正常水位时间表水位( m)库容（万m3 ）入库流量（m3/s）到87米所需时间80260010052.7881280010047.2282300010041.6783330010033.3384360010025.085390010016.678642001008.33874500100具体做法是：一、在枯水期水位应控制在87米。当日平均入库流量小于10立方米/秒，并且近期天气无雨则不报发电负荷，蓄水补偿库容。当日平均入库流量大于10立方米/秒，并且近期天气有雨则上报发电负荷，开始降水位腾空库容。二、3月份和在汛期4月15日6月1日，应时刻关注35天天气预报。当入库流量大于2050立方米/秒时；根据近期天气预报和华光潭发电情况，利用有效库容在8：0022：00消落水位，22：008：00补偿库容，而且尽量一台机运行从而保证高水位运行，降低机组单耗水量。如出现入库流量大于100立方米/秒，且后期还要持续降雨就应考虑一台或二台机组24小时运行。三、在主汛期6月1日7月15日，由于气温高蒸发量大，天气变幻莫测，水位极易陡涨陡落，应多发峰电。水位不按汛限水位控制而根据天气控制，没降雨过程控制在8385米之间，协助杭调顶峰发电，提高杭州电网电能质量。如果有降雨过程且已入梅就要不考虑水位，而只考虑机组运行工况，加大出力发至死水位。这样既减