董 新 亮， 何 朝 暉

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611731；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610021)

1 桐子林電站概況

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)，是雅礱江下游最末一個(gè)梯級(jí)電站，電站距二灘水電站壩址18 km，距攀枝花市28 km，壩址控制集水面積12 7624 km2。桐子林水電站為河床式電站，安裝4臺(tái)單機(jī)容量150 MW的軸流式機(jī)組，總裝機(jī)容量為600 MW。水庫(kù)正常蓄水位1015m，死水位1012m，校核洪水位以下總庫(kù)容0.912億m3，水庫(kù)具有日調(diào)節(jié)能力，可對(duì)二灘水電站進(jìn)行反調(diào)節(jié)。

桐子林水文站為國(guó)家基本站，由四川省水文水資源勘測(cè)局于1998年1月1日設(shè)立，測(cè)站位于鹽邊縣金河鄉(xiāng)田村桐子林電站下游約2 km河段，下距雅礱江河口12 km，控制面積128 363 km2。

2 桐子林電站機(jī)組發(fā)電用水曲線率定的必要性

水輪發(fā)電機(jī)組(簡(jiǎn)稱“機(jī)組”)是水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)兩者的合稱，是在水能到電能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中最主要的動(dòng)力設(shè)備。水輪機(jī)是水電站的水力原動(dòng)機(jī)，當(dāng)具有勢(shì)能和動(dòng)能的水流通過(guò)水輪機(jī)時(shí)，把水流的能量傳給了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，促使水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能又通過(guò)水輪機(jī)主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子隨發(fā)電機(jī)軸一起旋轉(zhuǎn)，形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，發(fā)電機(jī)定子線圈因切割磁力線而產(chǎn)生電能。在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制下，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能以穩(wěn)定的頻率和電壓輸送到電力系統(tǒng)或電能用戶。

水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電用水曲線是電站運(yùn)行調(diào)度的基礎(chǔ)特征曲線，在電站的日常運(yùn)行調(diào)度中直接參與電站水量平衡的分析計(jì)算及流域水情測(cè)量預(yù)報(bào)，其精度直接影響梯級(jí)電站水庫(kù)調(diào)度方案制定的合理性和科學(xué)性以及水情預(yù)報(bào)成果的可靠性和準(zhǔn)確度。

雅礱江下游錦屏一級(jí)電站、錦屏二級(jí)電站、官地電站、二灘電站、桐子林電站目前均已投產(chǎn)發(fā)電，因其上、下游電站之間的水力聯(lián)系，各電站具有梯級(jí)聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，為了挖掘梯級(jí)水電生產(chǎn)的潛力和效益，充分利用各水庫(kù)的不同水文與庫(kù)容特性，提高整個(gè)梯級(jí)的發(fā)電能力，充分發(fā)揮水資源的綜合利用效益，并統(tǒng)一組織各梯級(jí)的生產(chǎn)和管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益最大化，目前雅礱江公司按“統(tǒng)一調(diào)度、以水定電、出入平衡”的原則進(jìn)行運(yùn)行調(diào)度。

目前，桐子林電站所使用的機(jī)組發(fā)電用水曲線成果是通過(guò)水輪機(jī)模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算所得，并根據(jù)桐子林電站實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，原機(jī)組發(fā)電用水曲線成果(以下簡(jiǎn)稱“模型實(shí)驗(yàn)成果”)與實(shí)際運(yùn)行存在較大的誤差，導(dǎo)致二灘、桐子林電站的出入庫(kù)水量在流域上下存在不平衡現(xiàn)象，嚴(yán)重影響梯級(jí)電站群聯(lián)合調(diào)度方案的科學(xué)編制。

因桐子林電站庫(kù)容較小，發(fā)電用水曲線的誤差會(huì)導(dǎo)致桐子林電站在實(shí)際運(yùn)行中壩前水位無(wú)法穩(wěn)定，需調(diào)度運(yùn)行人員頻繁聯(lián)系電網(wǎng)調(diào)度部門協(xié)調(diào)調(diào)整發(fā)電負(fù)荷或開啟泄洪閘棄水以保證水位處于規(guī)定范圍，使電廠工作人員操作頻繁，增大了工作量。因此，通過(guò)原型工況測(cè)驗(yàn)對(duì)桐子林電站進(jìn)行重新率定是十分必要的。

3 機(jī)組發(fā)電用水曲線模型實(shí)驗(yàn)成果

機(jī)組發(fā)電耗水曲線模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)理論是相似理論，應(yīng)用相似理論，可按國(guó)際電工委相關(guān)規(guī)則先對(duì)尺寸較小的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后將結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體過(guò)程如下：

(1)建立與原型工況相似的模型實(shí)驗(yàn)工況，要求盡量滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似，通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)獲取模型水輪機(jī)的水頭、直徑、流量、效率、功率等參數(shù)。

(2)利用水輪機(jī)相似定律根據(jù)原型水輪機(jī)的水頭、直徑推求原型工況流量、效率、功率等參數(shù)。

(3)因幾何相似的模型與原型水輪機(jī)的尺寸相差甚大，表面粗糙度不同，工作介質(zhì)黏度存在差異，水輪機(jī)中的液流也不是理想液體，因此兩者雖在相似工況下，但水力損失是不同的，效率亦不相等。故由模型數(shù)據(jù)推算原型水輪機(jī)參數(shù)時(shí)需根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行修正，原型、模型水輪機(jī)在相似工況下的效率應(yīng)進(jìn)行換算。

(4)根據(jù)修正后的原型水輪機(jī)技術(shù)參數(shù)，繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線，如圖1。

圖1 桐子林電站水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線

(5)根據(jù)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線中的技術(shù)參數(shù)，以及設(shè)計(jì)單位提供的水頭損失、發(fā)電機(jī)效率，換算出毛水頭下的機(jī)組發(fā)電耗水曲線。

4 基于原型工況實(shí)驗(yàn)的機(jī)組發(fā)電用水曲線率定

4.1 原型率定實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案

4.1.1 原型工況方案制定[1-2]

機(jī)組發(fā)電原型工況主要包括二個(gè)方面的控制因素：出力控制和水頭控制。

4.1.1.1 出力控制

出力變化范圍內(nèi)盡量均勻分布，不同工況出力間隔10 MW左右，須避開機(jī)組震動(dòng)區(qū)。本次實(shí)驗(yàn)從振動(dòng)區(qū)以外的80 MW至150 MW每間隔10 MW設(shè)立一個(gè)工況點(diǎn)。工況時(shí)段要求桐子林電站運(yùn)行機(jī)組均按工況要求帶負(fù)荷，采用等出力方式運(yùn)行。

4.1.1.2 水頭控制

水頭變化范圍內(nèi)盡量均勻分布，本次實(shí)驗(yàn)從桐子林電站死水位1 012 m至正常蓄水位1 015 m每間隔1 m設(shè)立一個(gè)工況點(diǎn)。

4.1.2 測(cè)驗(yàn)方案制定

工況時(shí)段內(nèi)，需對(duì)桐子林電站壩前水位、尾水水位、各機(jī)組出力、發(fā)電流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集方式及設(shè)備見表1。其中，發(fā)電流量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，桐子林水文站位于桐子林電站壩址下游2 km處，區(qū)間面積較小可忽略不計(jì)，通過(guò)在桐子林電站下游的桐子林水文站進(jìn)行水位、流量測(cè)驗(yàn)獲取發(fā)電流量數(shù)據(jù)。

表1 桐子林電站發(fā)電工況原型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方案

4.2 發(fā)電用水曲線率定

4.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)記錄的水頭、各機(jī)組出力等運(yùn)行數(shù)據(jù)及各電站發(fā)電耗水曲線模型實(shí)驗(yàn)成果，進(jìn)行計(jì)算出各發(fā)電工況發(fā)電流量(即“查線流量”)，將其與各發(fā)電工況實(shí)測(cè)發(fā)電流量進(jìn)行對(duì)比分析，見圖2。由圖可見，桐子林電站模型實(shí)驗(yàn)成果與原型實(shí)驗(yàn)成果有較明顯差異，誤差根據(jù)實(shí)驗(yàn)出力控制不同有所不同，范圍大致為5%～15%。

圖2 桐子林水電站發(fā)電工況實(shí)測(cè)流量與查線流量對(duì)比分析

4.2.2 發(fā)電耗水曲線率定

機(jī)組發(fā)電耗水曲線的模型實(shí)驗(yàn)成果是被國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)承認(rèn)的，在一定程度上可以反映出各種運(yùn)行工況下電站水頭、出力、機(jī)組效率之間的關(guān)系，其誤差主要為系統(tǒng)誤差，故采用相關(guān)關(guān)系分析法進(jìn)行分析率定，基于原型觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立各發(fā)電耗水曲線原型實(shí)驗(yàn)成果與模型實(shí)驗(yàn)成果之間的依賴關(guān)系，分析數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律，進(jìn)行發(fā)電用水曲線率定。見圖3。

圖3 桐子林水電站發(fā)電工況實(shí)測(cè)流量與查線流量相關(guān)關(guān)系

由圖3可知，桐子林電站機(jī)組出力為80 MW時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比發(fā)電耗水曲線查線數(shù)據(jù)偏大約5%；機(jī)組出力90 MW時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏大約7%；機(jī)組出力為100 MW、110 MW、120 MW、130 MW、140 MW時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏大約10%；機(jī)組出力為150 MW時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏大約11%?；境尸F(xiàn)出力越大，發(fā)電流量偏差越大特點(diǎn)。

5 成果檢驗(yàn)

桐子林電站下游有桐子林水文站，其區(qū)間面積僅739 km2，在枯水期，區(qū)間流量可基本忽略不計(jì)，桐子林電站出庫(kù)流量應(yīng)基本與桐子林水文站流量相等。根據(jù)桐子林電站機(jī)組發(fā)電耗水曲線模型實(shí)驗(yàn)成果和原型實(shí)驗(yàn)成果，分別計(jì)算桐子林電站近期出庫(kù)流量，并與桐子林電站下游的桐子林水文站同期流量成果進(jìn)行比較，見圖4。由圖4可知：采用根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)的機(jī)組發(fā)電用水曲線計(jì)算出的桐子林電站出庫(kù)流量與桐子林水文站同期流量相差較大，這明顯不符合實(shí)際。而采用根據(jù)原型工況實(shí)驗(yàn)率定的機(jī)組發(fā)電用水曲線計(jì)算的桐子林電站出庫(kù)流量與桐子林水文站同期流量基本一致，說(shuō)明基于原型工況的桐子林電站機(jī)組發(fā)電用水曲線率定成果是合理的。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)國(guó)內(nèi)目前運(yùn)行的各電站實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水電站的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)——水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線、發(fā)電機(jī)效率、水頭損失等均可能設(shè)計(jì)值存在一定的誤差, 但因涉機(jī)械、水力、電氣等諸多因素，很少有較為系統(tǒng)的一下就全部解決的方案，本次根據(jù)原型實(shí)驗(yàn)率定毛水頭下機(jī)組出力對(duì)應(yīng)發(fā)電流量，可以反應(yīng)出各參數(shù)的綜合誤差，回避逐個(gè)參數(shù)率定的困難，是現(xiàn)階段較為實(shí)用的方法之一。

(2)實(shí)測(cè)的發(fā)電用水曲線光滑，各工況點(diǎn)沒(méi)有明顯的離散，分布趨勢(shì)基本反映了水輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)際能量特性，因此，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是真實(shí)可靠的。采用基于原型工況實(shí)驗(yàn)率定的桐子林電站發(fā)電耗水曲線計(jì)算出的桐子林電站枯水期出庫(kù)流量(未產(chǎn)生溢棄流量時(shí)段)與桐子林水文站同時(shí)段流量基本一致，這證明桐子林電站發(fā)電用水曲線率定成果是準(zhǔn)確的。

(3)發(fā)電用水曲線與庫(kù)容曲線、泄流曲線并稱電廠運(yùn)行調(diào)度的三大基礎(chǔ)特性曲線。通過(guò)原型工況實(shí)驗(yàn)對(duì)發(fā)電用水曲線進(jìn)行率定, 可為電廠提供更為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)特性曲線，以計(jì)算出比較可靠的發(fā)電流量, 便于制定電站發(fā)電日計(jì)劃及進(jìn)行廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及能量指標(biāo)復(fù)核提供可靠的依據(jù)。