黃萬虎 沈順云 劉開泰

(華能甘肅水電開發(fā)有限公司，甘肅 蘭州 730070)

1 概 述

白龍江喜兒溝水電站位于甘肅省舟曲縣境內(nèi)的白龍江干流上游，電站為徑流式水電站，額定水頭57.8m，設計引用流量141m3/s，電站裝有3臺混流式機組，總裝機容量72MW，年設計發(fā)電量2.85億kW·h，年設計利用小時3955h。喜兒溝水電站正常蓄水位1538.0m，原始庫容131萬m3，剩余庫容51萬m3，水庫沒有調(diào)節(jié)性能，因此正常情況下，電站保持正常蓄水位運行[1]。

水電站經(jīng)濟運行涉及影響因素多，約束條件復雜，是一項較復雜的系統(tǒng)工程。不同水電站特征千差萬別，加大了水電站經(jīng)濟運行實施的難度。影響水電站經(jīng)發(fā)電量的主要水能指標有水頭、水量、水耗等，水電站經(jīng)濟運行就是通過優(yōu)化調(diào)度，充分利用來水量，實現(xiàn)水能對電能最高效率的轉(zhuǎn)化。

水電站經(jīng)濟運行，是在來水量一定的情況下增加發(fā)電量的有效途徑。

2 白龍江喜兒溝水電站經(jīng)濟運行方式

2.1 提高機組運行水頭，降低度電耗水率

水頭是決定水電站度電耗水率的一個重要因素。水頭損失主要包括庫區(qū)水位過低造成的水頭損失和進水口攔污柵清理不及時造成的水頭損失[2]。

根據(jù)水輪發(fā)電機組出力公式，度電耗水率為

度電耗水率=發(fā)電耗水總量/發(fā)電量

=(3600QT)/(NT)=C/(ηH)

式中Q——水輪發(fā)電機組引用流量，m3/s；

T——計算時長，h；

N——水輪發(fā)電機組出力，kW；

η——水輪發(fā)電機組效率；

H——水輪發(fā)電機組凈水頭，m；

C——常數(shù)，C=3600/9.81。

由上式可以看出，影響水輪發(fā)電機組度電耗水率的主要因素是水輪發(fā)電機組的水頭和水輪發(fā)電機組的效率，當庫區(qū)運行水位升高時，機組發(fā)電水頭抬高，可提高水輪機效率，降低度電耗水率，達到增發(fā)電量目的。

喜兒溝水電站高水頭運行方式：?加強值班值守，通過壩區(qū)水位計遠傳信號及工業(yè)電視監(jiān)控庫區(qū)水位，將庫區(qū)運行水位精準控制在比正常蓄水位低10cm；?加強對攔污柵的清理，避免垃圾堵塞造成水頭損失，確保機組在高水頭運行。庫區(qū)運行水位抬高，機組運行水頭相應增加后，還可改善機組運行工況，減少振動給機組帶來的危害[3]，提升設備健康運行能力，為機組經(jīng)濟運行打好基礎。

抬高水頭運行，其實質(zhì)是降低度電耗水率，實現(xiàn)水能對電能的最優(yōu)轉(zhuǎn)化。

2.2 優(yōu)化機組技術(shù)供水方式，降低綜合廠用電量

白龍江喜兒溝水電站原設計采用循環(huán)冷卻器供水系統(tǒng)，循環(huán)水池由河邊供水井補水，由循環(huán)水池、3臺尾水冷卻器、5臺離心泵、連接管路、壓力表及閥門組成，由控制柜操作離心泵將冷卻水供至機組技術(shù)供水系統(tǒng)。后經(jīng)技術(shù)改造，在蝶閥前壓力鋼管處設置一取水口，取水口安裝減壓閥、濾水器，將壓力鋼管自壓水經(jīng)減壓閥減壓、濾水器過濾后直接用于技術(shù)供水系統(tǒng)。通過技術(shù)供水系統(tǒng)改造，大大降低了綜合廠用電量。

2.3 優(yōu)化廠內(nèi)設備運行方式，節(jié)約綜合廠用電量

水電站機組運行受季節(jié)影響因素制約，不具備長周期所有機組同時運行的條件，這種情況在枯水期尤為明顯，特別是在高寒高海拔地區(qū)，冬季河面結(jié)冰，導致全站停機，廠內(nèi)1臺或多臺主變壓器空載運行，無形之中增加了損耗，增加了綜合廠用電量。

結(jié)合機組運行工況及送出方式，喜兒溝水電站優(yōu)化機組啟停順序，在保證調(diào)度給定負荷情況下，優(yōu)化機組運行方式，在總負荷不變的情況下，對空載的主變壓器采用冷備用方式，提高主變壓器運行效率，減少綜合廠用電量。

喜兒溝水電站裝有2臺主變壓器，1B主變壓器型號為S10-31500/110，空載損耗25.374kW，負載損耗124.455kW；2B主變壓器型號為S10-63000/121，空載損耗36.78kW，負載損耗220.235kW。1號機組與1B主變連接，2號、3號機組與2B主變連接。電站根據(jù)上游來水情況及現(xiàn)場機組運行情況，有選擇性地開、停機組。喜兒溝水電站單機引用流量47m3/s，當上游來水流量不大于47m3/s時，1號機組運行，使得1B主變壓器負載運行，2B主變冷備用，避免2號機組或3號機組造成2B主變壓器負載運行或2B主變空載運行，增加損耗。當上游來水流量在47～94m3/s之間時，2號、3號機組運行，2B主變壓器負載運行，1B主變冷備用，避免運行1號、2號機組或者1號、3號機組運行造成1B、2B主變壓器同時負載運行或1B主變空載運行，增加損耗。

廠內(nèi)經(jīng)濟運行，是水電站經(jīng)濟運行的補充和完善[4]。

2.4 優(yōu)化機組冷熱備用狀態(tài)，減少停機狀態(tài)漏水量

一般情況下，水輪機導葉在全關(guān)的狀態(tài)下，由于制造工藝、安裝規(guī)范及材質(zhì)等方面因素影響，水輪機組各導葉連接處均存在大小不一的間隙，水輪機在熱備用狀態(tài)下導葉間隙存在一定的過水現(xiàn)象，造成水量損失。雖然機組在熱備用的狀態(tài)下過水屬正?，F(xiàn)象，但卻為經(jīng)濟運行精細化管理提供了優(yōu)化空間。

喜兒溝水電站在充分考慮安全、效益的基礎上，合理利用機組冷熱備用狀態(tài)，通過減少機組熱備用狀態(tài)下的漏水量，提升電站發(fā)電量。汛期，喜兒溝水電站除運行機組外，備用機組均處于熱備用狀態(tài)，保證機組能夠瞬時開機運行，確保電站汛期運行安全?？菟?，電站大部分時間只有1臺機組運行，另外2臺機組基本處于備用狀態(tài)，為減少因機組長時間熱備用導葉間隙過水造成水量損失，喜兒溝水電站在兼顧安全與發(fā)電量的前提下，對機組備用形式進行優(yōu)化，全廠3臺機組采用1臺機組運行、1臺機組熱備用、1臺機組冷備用的運行方式，1臺機組處于熱備用狀態(tài)，可應對突發(fā)情況，1臺機組采用冷備用方式，可減少機組長時間熱備用導葉間隙過水造成的水量損失，提高水資源利用率。

3 經(jīng)濟效益分析

3.1 提高機組運行水頭

水輪機出力計算公式為

N=9.81HQη

式中H——發(fā)電水頭，m；

Q——發(fā)電流量，m3/s；

η——水輪機效率。

喜兒溝水電站引用流量141m3/s，年設計利用小時3955h，水輪機效率η取0.9，由上式可知，發(fā)電水頭每提高10cm，喜兒溝水電站3臺機組每年增加電量N=9.81×0.1×141×0.9×3955=49.23萬kW·h，按上網(wǎng)電價為0.272元/(kW·h)計算，庫區(qū)水位每抬高10cm，喜兒溝水電站每年增加收入為49.23萬kW·h×0.272元/(kW·h)=13.4萬元。

3.2 優(yōu)化機組技術(shù)供水方式

根據(jù)喜兒溝水電站原設計技術(shù)供水方式，通過 5臺立式離心泵將技術(shù)供水送至機組。正常情況下，1臺機組運行需要1臺離心泵供水，單臺泵功率為75kW，5臺離心泵互為備用。根據(jù)電站運行小時數(shù)據(jù)分析，全年每臺機組平均運行小時約為5000h左右，如果采用設計供水方式，全廠技術(shù)供水泵全年耗費廠用電量為75kW×5000h×3臺=112.5萬kW·h。電站對設計技術(shù)供水方式進行改造后，采用壓力鋼管供水，全年可節(jié)約綜合廠用電量112.5萬kW·h，按上網(wǎng)電價0.272元/(kW·h)計算，全年增加收入112.5萬kW·h×0.272元/kW·h=30.6萬元。

3.3 優(yōu)化廠內(nèi)設備運行方式

喜兒溝水電站枯水期為11月—翌年4月，總計181天，一般情況下，來水量小于47m3/s，電站1號機組運行，采用經(jīng)濟運行方式后，1B主變壓器負載運行，2B主變冷備用，節(jié)約綜合廠用電量為220.235kW×24h×181=95.67kW·h。

喜兒溝水電站初汛期為5月、6月，末汛期為10月，總計92天，一般情況下，初汛期和末汛期上游來水流量在47～94m3/s之間，電站2號、3號機組運行，2B主變壓器負載運行，1B主變冷備用，節(jié)約綜合廠用電量為124.455kW×24h×92=27.5萬kW·h。

優(yōu)化廠內(nèi)設備運行方式，全年可節(jié)約綜合廠用電量為95.67萬kW·h+27.5萬kW ·h=123.17萬kW ·h，按上網(wǎng)電價0.272元/(kW ·h)計算，全年增加收入123.17萬kW ·h×0.272元/(kW ·h)=33.5萬元。

3.4 優(yōu)化機組冷熱備用狀態(tài)

喜兒溝水電站水輪機組有活動導葉24個，固定導葉24個，導葉總量為48個，單個導葉長74cm、寬39cm。經(jīng)現(xiàn)場實測計算，單臺水輪機組各導葉之間平均間隙值為0.03cm。

單個活動導葉兩個側(cè)面及頂面和底面均過水，單個導葉間隙過水面積可按下式計算：

S=2ac+2bc

式中S——導葉間隙過水面積，m2；

a——導葉長度，m；

b——導葉寬度，m；

c——導葉間隙，m。

由上式可計算出單個導葉間隙過水面積S=2×(0.74×0.003)+2×(0.39×0.003)=0.00678m2，24個活動導葉間隙過水總面積為0.00678×24=0.16m2，以此得出單臺機組導葉過水間隙面積為0.16m2。

液體流量的計算公式為

Q=Av

式中A——過流截面面積，m2；

v——水流速度，m/s。

喜兒溝水電站設計引水隧洞洞內(nèi)過水流速為3.19m/s，按設計引水隧洞洞內(nèi)水流速度計算，單臺機組從導葉間隙過水量為Q=0.16×3.19=0.5104m3/s。

喜兒溝水電站枯水期為11月—翌年4月，枯水期總計為6個月181天，由此可得出喜兒溝水電站單臺機組在枯水期從導葉間隙過水量為Q總=0.5104×181×24×3600=7981839m3。

喜兒溝水電站機組度電耗水率為7.05m3/(kW ·h)，由此可得出喜兒溝水電站枯水期單臺機組導葉間隙過水量損失發(fā)電量為7981839/7.05=113.22萬kW ·h。按上網(wǎng)電價0.272元/(kW ·h)計算，采用3臺機組1臺機組運行1臺機組熱備用1臺機組冷備用經(jīng)濟運行方式后，每年可增加收入為113.22×0.272=30.8萬元。

通過分析，喜兒溝水電站采取以上經(jīng)濟運行方式后，每年可累計增加收入108.3萬元，經(jīng)濟效益提升效果明顯。

4 結(jié) 語

本文在對白龍江喜兒溝水電站調(diào)度方式、機組特性、主輔機結(jié)構(gòu)特點等因素深入研究的基礎上，從優(yōu)化水庫調(diào)度、提高水能利用率、優(yōu)化主輔機運行方式、降低綜合廠用電率等方面制定了多種經(jīng)濟運行策略，有效提升了水電站整體經(jīng)濟效益。提高機組運行水頭、降低度電耗水率經(jīng)濟運行方式，可在水電站經(jīng)濟運行中普遍推廣應用；在壓力鋼管取水對發(fā)電機組進行技術(shù)供水的經(jīng)濟運行方式，可大大降低廠用電量，可在水質(zhì)較好的水電站運行中普遍推廣應用，水質(zhì)較差、泥沙含量多、雜物較多的水電站可在對水質(zhì)進行處理后應用；對主輔機及主要電氣設備冷熱備用方式進行優(yōu)化研究，制定出不同來水量情況下，主輔機運行及組合運行方式，可提高水資源利用率、降低廠用電量，沒有調(diào)頻與調(diào)峰任務、庫容較大、有一定調(diào)節(jié)能力的水電站可進行進一步拓展研究。