基于原型工況測驗的桐子林電站機組發(fā)電用水曲線率定

董 新 亮， 何 朝 暉

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，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梯級電站，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臺單機容量150 MW的軸流式機組，總裝機容量為600 MW。水庫正常蓄水位1015m，死水位1012m，校核洪水位以下總庫容0.912億m3，水庫具有日調(diào)節(jié)能力，可對二灘水電站進行反調(diào)節(jié)。

桐子林水文站為國家基本站，由四川省水文水資源勘測局于1998年1月1日設(shè)立，測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 桐子林電站機組發(fā)電用水曲線率定的必要性

水輪發(fā)電機組(簡稱“機組”)是水輪機和發(fā)電機兩者的合稱，是在水能到電能的轉(zhuǎn)換過程中最主要的動力設(shè)備。水輪機是水電站的水力原動機，當(dāng)具有勢能和動能的水流通過水輪機時，把水流的能量傳給了水輪機轉(zhuǎn)輪，促使水輪機轉(zhuǎn)動，從而形成旋轉(zhuǎn)的機械能。旋轉(zhuǎn)的機械能又通過水輪機主軸帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，勵磁后的發(fā)電機轉(zhuǎn)子隨發(fā)電機軸一起旋轉(zhuǎn)，形成了一個旋轉(zhuǎn)的磁場，發(fā)電機定子線圈因切割磁力線而產(chǎn)生電能。在水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)和發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的控制下，發(fā)電機產(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)電機組的發(fā)電用水曲線是電站運行調(diào)度的基礎(chǔ)特征曲線，在電站的日常運行調(diào)度中直接參與電站水量平衡的分析計算及流域水情測量預(yù)報，其精度直接影響梯級電站水庫調(diào)度方案制定的合理性和科學(xué)性以及水情預(yù)報成果的可靠性和準(zhǔn)確度。

雅礱江下游錦屏一級電站、錦屏二級電站、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，各電站具有梯級聯(lián)動效應(yīng)，為了挖掘梯級水電生產(chǎn)的潛力和效益，充分利用各水庫的不同水文與庫容特性，提高整個梯級的發(fā)電能力，充分發(fā)揮水資源的綜合利用效益，并統(tǒng)一組織各梯級的生產(chǎn)和管理，實現(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”的原則進行運行調(diào)度。

目前，桐子林電站所使用的機組發(fā)電用水曲線成果是通過水輪機模型實驗數(shù)據(jù)進一步計算所得，并根據(jù)桐子林電站實際運行情況進行統(tǒng)計分析，原機組發(fā)電用水曲線成果(以下簡稱“模型實驗成果”)與實際運行存在較大的誤差，導(dǎo)致二灘、桐子林電站的出入庫水量在流域上下存在不平衡現(xiàn)象，嚴(yán)重影響梯級電站群聯(lián)合調(diào)度方案的科學(xué)編制。

因桐子林電站庫容較小，發(fā)電用水曲線的誤差會導(dǎo)致桐子林電站在實際運行中壩前水位無法穩(wěn)定，需調(diào)度運行人員頻繁聯(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，通過原型工況測驗對桐子林電站進行重新率定是十分必要的。

3 機組發(fā)電用水曲線模型實驗成果

機組發(fā)電耗水曲線模型試驗的基礎(chǔ)理論是相似理論，應(yīng)用相似理論，可按國際電工委相關(guān)規(guī)則先對尺寸較小的模型進行實驗，然后將結(jié)果進行轉(zhuǎn)換。具體過程如下：

(1)建立與原型工況相似的模型實驗工況，要求盡量滿足幾何相似、運動相似、動力相似，通過模型實驗獲取模型水輪機的水頭、直徑、流量、效率、功率等參數(shù)。

(2)利用水輪機相似定律根據(jù)原型水輪機的水頭、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)推算原型水輪機參數(shù)時需根據(jù)相關(guān)規(guī)范進行修正，原型、模型水輪機在相似工況下的效率應(yīng)進行換算。

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

圖1 桐子林電站水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線

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

4 基于原型工況實驗的機組發(fā)電用水曲線率定

4.1 原型率定實驗實施方案

4.1.1 原型工況方案制定[1-2]

機組發(fā)電原型工況主要包括二個方面的控制因素：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，須避開機組震動區(qū)。本次實驗從振動區(qū)以外的80 MW至150 MW每間隔10 MW設(shè)立一個工況點。工況時段要求桐子林電站運行機組均按工況要求帶負(fù)荷，采用等出力方式運行。

4.1.1.2 水頭控制

水頭變化范圍內(nèi)盡量均勻分布，本次實驗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)立一個工況點。

4.1.2 測驗方案制定

工況時段內(nèi)，需對桐子林電站壩前水位、尾水水位、各機組出力、發(fā)電流量等數(shù)據(jù)進行采集，采集方式及設(shè)備見表1。其中，發(fā)電流量現(xiàn)場測驗是實驗關(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，通過在桐子林電站下游的桐子林水文站進行水位、流量測驗獲取發(fā)電流量數(shù)據(jù)。

表1 桐子林電站發(fā)電工況原型實驗數(shù)據(jù)采集方案

4.2 發(fā)電用水曲線率定

4.2.1 實驗數(shù)據(jù)分析

通過記錄的水頭、各機組出力等運行數(shù)據(jù)及各電站發(fā)電耗水曲線模型實驗成果，進行計算出各發(fā)電工況發(fā)電流量(即“查線流量”)，將其與各發(fā)電工況實測發(fā)電流量進行對比分析，見圖2。由圖可見，桐子林電站模型實驗成果與原型實驗成果有較明顯差異，誤差根據(jù)實驗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)電工況實測流量與查線流量對比分析

4.2.2 發(fā)電耗水曲線率定

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

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

由圖3可知，桐子林電站機組出力為80 MW時，實測數(shù)據(jù)比發(fā)電耗水曲線查線數(shù)據(jù)偏大約5%；機組出力90 MW時，實測數(shù)據(jù)偏大約7%；機組出力為100 MW、110 MW、120 MW、130 MW、140 MW時，實測數(shù)據(jù)偏大約10%；機組出力為150 MW時，實測數(shù)據(jù)偏大約11%。基本呈現(xiàn)出力越大，發(fā)電流量偏差越大特點。

5 成果檢驗

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，桐子林電站出庫流量應(yīng)基本與桐子林水文站流量相等。根據(jù)桐子林電站機組發(fā)電耗水曲線模型實驗成果和原型實驗成果，分別計算桐子林電站近期出庫流量，并與桐子林電站下游的桐子林水文站同期流量成果進行比較，見圖4。由圖4可知：采用根據(jù)模型實驗推導(dǎo)的機組發(fā)電用水曲線計算出的桐子林電站出庫流量與桐子林水文站同期流量相差較大，這明顯不符合實際。而采用根據(jù)原型工況實驗率定的機組發(fā)電用水曲線計算的桐子林電站出庫流量與桐子林水文站同期流量基本一致，說明基于原型工況的桐子林電站機組發(fā)電用水曲線率定成果是合理的。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)國內(nèi)目前運行的各電站實際運行經(jīng)驗，水電站的實際運行參數(shù)——水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線、發(fā)電機效率、水頭損失等均可能設(shè)計值存在一定的誤差, 但因涉機械、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)原型實驗率定毛水頭下機組出力對應(yīng)發(fā)電流量，可以反應(yīng)出各參數(shù)的綜合誤差，回避逐個參數(shù)率定的困難，是現(xiàn)階段較為實用的方法之一。

(2)實測的發(fā)電用水曲線光滑，各工況點沒有明顯的離散，分布趨勢基本反映了水輪發(fā)電機組的實際能量特性，因此，得到的試驗數(shù)據(jù)是真實可靠的。采用基于原型工況實驗率定的桐子林電站發(fā)電耗水曲線計算出的桐子林電站枯水期出庫流量(未產(chǎn)生溢棄流量時段)與桐子林水文站同時段流量基本一致，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)電用水曲線與庫容曲線、泄流曲線并稱電廠運行調(diào)度的三大基礎(chǔ)特性曲線。通過原型工況實驗對發(fā)電用水曲線進行率定, 可為電廠提供更為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)特性曲線，以計算出比較可靠的發(fā)電流量, 便于制定電站發(fā)電日計劃及進行廠內(nèi)經(jīng)濟運行，為水電站的經(jīng)濟運行及能量指標(biāo)復(fù)核提供可靠的依據(jù)。