白龍江喜兒溝水電站經(jīng)濟(jì)運行研究與實踐

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(shè)計引用流量141m3/s，電站裝有3臺混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量72MW，年設(shè)計發(fā)電量2.85億kW·h，年設(shè)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(jì)運行涉及影響因素多，約束條件復(fù)雜，是一項較復(fù)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(jì)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(biāo)有水頭、水量、水耗等，水電站經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)運行方式

2.1 提高機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)組引用流量，m3/s；

T——計算時長，h；

N——水輪發(fā)電機(jī)組出力，kW；

η——水輪發(fā)電機(jī)組效率；

H——水輪發(fā)電機(jī)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(jī)組度電耗水率的主要因素是水輪發(fā)電機(jī)組的水頭和水輪發(fā)電機(jī)組的效率，當(dāng)庫區(qū)運行水位升高時，機(jī)組發(fā)電水頭抬高，可提高水輪機(jī)效率，降低度電耗水率，達(dá)到增發(fā)電量目的。

喜兒溝水電站高水頭運行方式：?加強(qiáng)值班值守，通過壩區(qū)水位計遠(yuǎn)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(zhǔn)控制在比正常蓄水位低10cm；?加強(qiáng)對攔污柵的清理，避免垃圾堵塞造成水頭損失，確保機(jī)組在高水頭運行。庫區(qū)運行水位抬高，機(jī)組運行水頭相應(yīng)增加后，還可改善機(jī)組運行工況，減少振動給機(jī)組帶來的危害[3]，提升設(shè)備健康運行能力，為機(jī)組經(jīng)濟(jì)運行打好基礎(chǔ)。

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(jī)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(shè)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(bǔ)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(jī)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(shè)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(shè)備運行方式，節(jié)約綜合廠用電量

水電站機(jī)組運行受季節(jié)影響因素制約，不具備長周期所有機(jī)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(dǎo)致全站停機(jī)，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(jī)組運行工況及送出方式，喜兒溝水電站優(yōu)化機(jī)組啟停順序，在保證調(diào)度給定負(fù)荷情況下，優(yōu)化機(jī)組運行方式，在總負(fù)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(fù)載損耗124.455kW；2B主變壓器型號為S10-63000/121，空載損耗36.78kW，負(fù)載損耗220.235kW。1號機(jī)組與1B主變連接，2號、3號機(jī)組與2B主變連接。電站根據(jù)上游來水情況及現(xiàn)場機(jī)組運行情況，有選擇性地開、停機(jī)組。喜兒溝水電站單機(jī)引用流量47m3/s，當(dāng)上游來水流量不大于47m3/s時，1號機(jī)組運行，使得1B主變壓器負(fù)載運行，2B主變冷備用，避免2號機(jī)組或3號機(jī)組造成2B主變壓器負(fù)載運行或2B主變空載運行，增加損耗。當(dāng)上游來水流量在47～94m3/s之間時，2號、3號機(jī)組運行，2B主變壓器負(fù)載運行，1B主變冷備用，避免運行1號、2號機(jī)組或者1號、3號機(jī)組運行造成1B、2B主變壓器同時負(fù)載運行或1B主變空載運行，增加損耗。

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

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

一般情況下，水輪機(jī)導(dǎo)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(jī)組各導(dǎo)葉連接處均存在大小不一的間隙，水輪機(jī)在熱備用狀態(tài)下導(dǎo)葉間隙存在一定的過水現(xiàn)象，造成水量損失。雖然機(jī)組在熱備用的狀態(tài)下過水屬正?，F(xiàn)象，但卻為經(jīng)濟(jì)運行精細(xì)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(chǔ)上，合理利用機(jī)組冷熱備用狀態(tài)，通過減少機(jī)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(jī)組外，備用機(jī)組均處于熱備用狀態(tài)，保證機(jī)組能夠瞬時開機(jī)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(jī)組運行，另外2臺機(jī)組基本處于備用狀態(tài)，為減少因機(jī)組長時間熱備用導(dǎo)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(jī)組備用形式進(jìn)行優(yōu)化，全廠3臺機(jī)組采用1臺機(jī)組運行、1臺機(jī)組熱備用、1臺機(jī)組冷備用的運行方式，1臺機(jī)組處于熱備用狀態(tài)，可應(yīng)對突發(fā)情況，1臺機(jī)組采用冷備用方式，可減少機(jī)組長時間熱備用導(dǎo)葉間隙過水造成的水量損失，提高水資源利用率。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 提高機(jī)組運行水頭

水輪機(jī)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(jī)效率。

喜兒溝水電站引用流量141m3/s，年設(shè)計利用小時3955h，水輪機(jī)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(jī)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(jī)組技術(shù)供水方式

根據(jù)喜兒溝水電站原設(shè)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(jī)組。正常情況下，1臺機(jī)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(jī)組平均運行小時約為5000h左右，如果采用設(shè)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(shè)計技術(shù)供水方式進(jìn)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(shè)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(jī)組運行，采用經(jīng)濟(jì)運行方式后，1B主變壓器負(fù)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(jī)組運行，2B主變壓器負(fù)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(shè)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(jī)組冷熱備用狀態(tài)

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

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

S=2ac+2bc

式中S——導(dǎo)葉間隙過水面積，m2；

a——導(dǎo)葉長度，m；

b——導(dǎo)葉寬度，m；

c——導(dǎo)葉間隙，m。

由上式可計算出單個導(dǎo)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(dǎo)葉間隙過水總面積為0.00678×24=0.16m2，以此得出單臺機(jī)組導(dǎo)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(shè)計引水隧洞洞內(nèi)過水流速為3.19m/s，按設(shè)計引水隧洞洞內(nèi)水流速度計算，單臺機(jī)組從導(dǎo)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(jī)組在枯水期從導(dǎo)葉間隙過水量為Q總=0.5104×181×24×3600=7981839m3。

喜兒溝水電站機(jī)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(jī)組導(dǎo)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(jī)組1臺機(jī)組運行1臺機(jī)組熱備用1臺機(jī)組冷備用經(jīng)濟(jì)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(jì)運行方式后，每年可累計增加收入108.3萬元，經(jīng)濟(jì)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(jī)組特性、主輔機(jī)結(jié)構(gòu)特點等因素深入研究的基礎(chǔ)上，從優(yōu)化水庫調(diào)度、提高水能利用率、優(yōu)化主輔機(jī)運行方式、降低綜合廠用電率等方面制定了多種經(jīng)濟(jì)運行策略，有效提升了水電站整體經(jīng)濟(jì)效益。提高機(jī)組運行水頭、降低度電耗水率經(jīng)濟(jì)運行方式，可在水電站經(jīng)濟(jì)運行中普遍推廣應(yīng)用；在壓力鋼管取水對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行技術(shù)供水的經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(jìn)行處理后應(yīng)用；對主輔機(jī)及主要電氣設(shè)備冷熱備用方式進(jìn)行優(yōu)化研究，制定出不同來水量情況下，主輔機(jī)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(wù)、庫容較大、有一定調(diào)節(jié)能力的水電站可進(jìn)行進(jìn)一步拓展研究。