基于運行參數(shù)優(yōu)化的水輪機運行效率分析

基于運行參數(shù)優(yōu)化的水輪機運行效率分析

1水庫的經(jīng)濟運行萬家寨水庫配備一臺6臺180mw的旁路泵站。主要任務(wù)是調(diào)節(jié)和供應(yīng)電網(wǎng)。每年的電力流量為27.5億kwh。萬家寨水庫的設(shè)計年均徑流量為192億m3，然而近年來由于黃河天然徑流的減少，加之上游引水量的加大，水庫的實際來水遠少于設(shè)計值,據(jù)統(tǒng)計2000—2003年萬家寨水庫的年徑流僅分別為129.41億m3、111.88億m3、118.84億m3、112.28億m3，來水形勢非常嚴峻，如果不能更充分地利用現(xiàn)有來水做好電站的經(jīng)濟運行，勢必嚴重影響樞紐的還貸和經(jīng)濟效益。發(fā)電耗水率指標是衡量水電站經(jīng)濟運行情況的主要指標，而影響該指標的主要因素之一就是水輪機的經(jīng)濟運行工況的好壞，因此要降低發(fā)電耗水率，必須優(yōu)化水輪機的運行參數(shù)，改善其運行工況。本文從水輪機運行的兩個關(guān)鍵參數(shù)———工作水頭和效率出發(fā)進行優(yōu)化分析，以求通過水輪機的經(jīng)濟運行來提高電站的經(jīng)濟運行水平。2主要參數(shù)萬家寨水電站水輪機分別由天津阿爾斯通公司和上海?？乒旧a(chǎn)，水輪機主要參數(shù)見表1。3不同水源對床的運行分析3.1機流量的確定萬家寨水庫庫容較小，總庫容僅8.96億m3，調(diào)節(jié)能力非常有限，因此電站的運行水位經(jīng)常有較大變化，電站最低運行水位為952.00m高程，最高運行水位為980.00m高程，最大變幅達28m，這對水輪機來講意味著工作水頭的巨大變化，從水輪機的出力公式：式中Q—水輪機流量，m3/s;η—水輪機效率，%。由（1）式可知：運行水頭與出力的關(guān)系，即運行水頭越高，水輪機能量特性越好，單位千瓦時的耗水就越小，以萬家寨5號水輪機為例，圖1繪出了該水輪機在75.58m、67.40m、59.28m工作水頭下的水輪機耗水率曲線，從圖1可以看出水輪機工作水頭對其耗水率有著顯著的影響：在上述高中低3個水頭下水輪機發(fā)出150MW出力，其耗水率分別為5.28m3/（kW·h）、5.81m3/（kW·h）、6.80m3/（kW·h），設(shè)發(fā)電用水1000萬m3，則發(fā)電量分別為189.40萬kW·h、172.12萬kW·h、147.06萬kW·h，以5號機上網(wǎng)電價0.374元/kW·h計算，經(jīng)濟效益分別為70.84萬元、64.37萬元、55.00萬元，可見相同的發(fā)電用水，因水頭的不同而產(chǎn)生的經(jīng)濟效益差別巨大，所以要降低發(fā)電耗水率必須提高水輪機的工作水頭。3.2提高機械工具的產(chǎn)量3.2.1．2水位過高，能量特性較差保持萬家寨水庫的高水位運行，是提高水輪機工作水頭的主要措施。目前，萬家寨水庫的運行水位主要受水調(diào)和電調(diào)兩方面因素制約：(1）水庫的運行要滿足防洪、防凌、流域調(diào)水等要求。萬家寨水庫設(shè)計汛期為7～10月，其中主汛期（7月15日～10月15日）水庫運行水位不得超過汛限水位966.00m高程，在該高程以下范圍內(nèi)水輪機的運行由于偏離額定工況（Hr=68m）較大，因而能量特性較差，表現(xiàn)出較高的發(fā)電耗水率。筆者認為汛期限水位不應(yīng)局限于某一固定值，應(yīng)該視黃河實際水情而定，這樣水庫既能發(fā)揮防洪作用，同時水電企業(yè)又能獲得可觀的經(jīng)濟效益。(2）電網(wǎng)的運行需要。對萬家寨水電站來說，以來水量定發(fā)電量，且水庫保持較高水位運行，是較為經(jīng)濟合理的運行方式，但作為晉蒙兩電網(wǎng)少有的調(diào)峰電源，萬家寨電站由于兩網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用的需要，往往實際發(fā)電運行方式要偏離計劃的經(jīng)濟運行方式，因此水庫難以保持在較高的經(jīng)濟水位運行，從而導(dǎo)致發(fā)電成本的增加,特別是如今面臨晉蒙兩網(wǎng)日趨緊張的供電局面，萬家寨電廠的調(diào)峰任務(wù)會更加艱巨，水調(diào)和電調(diào)的矛盾將更加突出，尋求二者的優(yōu)化運行、實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度將是萬家寨電站非常緊迫的課題。3.2.2過機流量對集水流量影響試驗表明，萬家寨電站水頭損失較大，在水輪機導(dǎo)葉開度最大情況下，水頭損失在2～3m之間，并且水頭損失隨過機流量的增大而增加。降低電站水頭損失的有效途徑是定期清掃進口攔污柵和尾水管出口淤積，同時在機組大修時檢查處理流道的沖刷受損部分。電站宜盡早開展這些工作，以減少水頭損失，提高機組發(fā)電潛力。4表1的效率分析4.1機組負荷增長迅速、動態(tài)響應(yīng)性差近年來，萬家寨水電站各臺機組的負荷情況總體較差，主要原因如下：(1）萬家寨水電站是內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)的調(diào)峰電廠和山西電網(wǎng)的主潮流調(diào)整廠，要保證調(diào)峰和潮流質(zhì)量就必然要求機組要有著很好的負荷跟蹤能力，要隨著網(wǎng)上負荷的波動及時調(diào)整出力，因此機組的運行工況波動頻繁且變幅較大。(2）萬家寨水輪發(fā)電機組的負荷調(diào)節(jié)有著良好的動態(tài)響應(yīng)性,增減負荷迅速,因此電網(wǎng)一般會安排水輪發(fā)電機組較多的旋轉(zhuǎn)備用，造成機組深度調(diào)峰常運行在低負荷、低效率區(qū)。據(jù)統(tǒng)計載至2002-8-25，機組80MW以下運行小時占總運行小時的比率：1號～6號機分別為43.6%、39.0%、28.3%、20.2%、21.6%、23.3%，顯然機組低負荷運行率偏高。4.2高效性能對比萬家寨水電站安裝的是混流式水輪機，該機型相對其他機型而言，其特點是最高效率較高，但效率變化較大，高效區(qū)狹窄，從萬家寨5號水輪機的效率特性曲線（圖2）可明顯看出。4.2.1機出力和效率比較在67.40m的工作水頭下，水輪機出力46.71MW、166.68MW時的效率分別為70.26%、95.17%效率差值達24.91%。4.2.2試驗過程和負荷在67.40m的工作水頭下，水輪機在85MW以上的出力范圍內(nèi)運行效率基本在85%以上，其中在105～180MW的出力區(qū)，水輪機效率在90%以上，而在85MW出力以下水輪機效率則急驟下降。之所以呈現(xiàn)上述特性，是由于混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片是按進口水流無撞擊或略帶正沖角、出口水流是法向或略帶正環(huán)量設(shè)計的，葉片固定在上下環(huán)上，除最優(yōu)工況外其他工況均不能同時滿足進出口水流的最佳要求。當(dāng)水輪機偏離設(shè)計工況時，葉片進口有沖角、出口有旋轉(zhuǎn)速度，使得水力損失增大，效率下降，且偏離設(shè)計工況越遠，水力損失越大，效率越低。同時，由于水輪機內(nèi)部流態(tài)的破壞，產(chǎn)生壓力脈動，導(dǎo)致機組的振動、擺度加劇，影響機組的穩(wěn)定運行，嚴重的會造成構(gòu)件的疲勞破壞，大大縮短水輪機壽命。因此水輪機應(yīng)盡量在設(shè)計工況下運行，不要偏離該工況太遠。對萬家寨水輪機來說，水頭在60m以下時，機組單機負荷應(yīng)不低于80MW；水頭在60～68m時，機組單機負荷不低于100MW；水頭在68m以上時，機組單機負荷不低于120MW，在上述較高的負荷區(qū)運行，水輪機能保持較高的效率，水能利用充分，能量特性較好