紫坪鋪水電站超發(fā)電問題的探討

黃 濤，唐躍武

(四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

1 前 言

紫坪鋪水利樞紐位于四川省成都市西北約60km的岷江上游，是一座以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護(hù)、旅游等綜合效益的水利工程。電站總裝機(jī)4×190MW，年發(fā)電量34.7億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 496h。

紫坪鋪水利樞紐是集灌溉、供水、防洪、發(fā)電、環(huán)保等為一體的綜合性水利工程，是舉世聞名的都江堰灌區(qū)的水源工程?？値?kù)容11.12億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容7.74億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)能力。校核洪水位(P=0.02%)883.1m，正常蓄水位877.0m，防洪限制水位850.0m，死水位817.0m，尾水設(shè)計(jì)洪水位748.60m，尾水校核洪水位751.22m。

2 水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

2.1 水輪機(jī)基本參數(shù)

水輪機(jī)凈水頭

最大水頭

132.76m

最小水頭

68.40m

額定水頭

100.0m

加權(quán)平均水頭

107.0m

額定轉(zhuǎn)速

150r/min

最大飛逸轉(zhuǎn)速

300 r/min

出力

水輪機(jī)在凈水頭100m時(shí)額定出力

193.9MW

水輪機(jī)在凈水頭110m時(shí)額定出力

214.0 MW

水輪機(jī)在最小水頭68.4m時(shí)出力

102 MW

水輪機(jī)在水頭128m時(shí)出力

244.4 MW

額定流量

210.01m3/s

吸出高度

-5.58 m

2.2 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

額定容量

217.14MVA

額定功率因素

0.875(滯后)

額定電壓

13.8kV

持續(xù)最大容量

240MVA

3 水輪發(fā)電機(jī)組的超發(fā)能力

對(duì)于在大變幅水頭運(yùn)行的混流式水輪機(jī)，為了提高發(fā)電機(jī)在高水頭滿出力的導(dǎo)葉開度，減小進(jìn)口沖角和出口流速的圓周分量，從而改善水力條件提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和效率，一般要設(shè)計(jì)大于發(fā)電機(jī)額定出力并能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的發(fā)電機(jī)最大容量。

關(guān)于機(jī)組設(shè)置最大容量，早在20世紀(jì)70年代西方比較流行，當(dāng)時(shí)只考慮發(fā)電機(jī)短期在最大容量運(yùn)行，可以允許較高的溫升極限。如美國(guó)ANSI-C50.33 1976年版本就有設(shè)置最大容量的相關(guān)規(guī)定。隨著發(fā)電機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，美國(guó)ANSI-C50.12D 1982年版本已取消發(fā)電機(jī)最大容量的規(guī)定，并明確指出，如果考慮額定水頭偏低，則應(yīng)研究增加發(fā)電機(jī)容量的合理性，而不是提出發(fā)電機(jī)最大容量的要求。

紫坪鋪水電站的最大水頭/額定水頭達(dá)1.32 ，最大水頭與最小水頭之比達(dá)1.94。如此大的變幅水頭在國(guó)內(nèi)少見。估算最大水頭額定出力的導(dǎo)葉開度小于或等于60%，為了提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和效率，故紫坪鋪水電站機(jī)組設(shè)計(jì)有發(fā)電機(jī)最大容量。該最大容量為240MVA。從東電投標(biāo)文件看，紫坪鋪水電站機(jī)組完全能滿足在最大輸出容量時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。該發(fā)電機(jī)最大容量和過去發(fā)電機(jī)最大容量不同，該發(fā)電機(jī)最大容量是通過不增加發(fā)電機(jī)溫升、不降低發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)、不提高發(fā)電機(jī)功率因數(shù)得到的。

東電投標(biāo)文件7-15：主軸具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能適應(yīng)水輪機(jī)輸出最大出力244.4MW時(shí)的扭矩傳遞要求，并且能在包括最大飛逸轉(zhuǎn)速在內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速下運(yùn)行而沒有有害的振動(dòng)和擺動(dòng)?！薄皩?dǎo)軸承設(shè)計(jì)成能承受任何運(yùn)行工況(包括飛逸工況和水輪機(jī)輸出最大出力244.4MW工況)時(shí)的徑向負(fù)載?！?/p>

東電投標(biāo)文件FJ9-1水輪發(fā)電機(jī)超發(fā)能力說明：紫坪鋪發(fā)電機(jī)額定容量名義上為217.14MVA(功率因數(shù)為0.875)，并按此保證機(jī)組的性能參數(shù)。而實(shí)際上其容量為240MVA(功率因數(shù)為0.875)，且在機(jī)械強(qiáng)度的要求上應(yīng)按240MW(功率因數(shù)為1.0)設(shè)計(jì)。

為了保證水輪發(fā)電機(jī)能滿足在容量為217.14MVA(功率因數(shù)為0.875)時(shí)的各項(xiàng)性能參數(shù)，同時(shí)還能保證在240MVA(功率因數(shù)為0.875)時(shí)發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，制造廠家采取了措施。

3.1 電磁材料的選取

為了滿足發(fā)電機(jī)在最大持續(xù)輸出容量240MVA時(shí)的安全運(yùn)行，優(yōu)化發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)電磁參數(shù)降低發(fā)電機(jī)損耗，提高發(fā)電機(jī)效率，在電磁材料的選取上采用了以下措施:

(1)定子鐵芯采用50W270優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片，具有低損耗、無老化、高導(dǎo)磁率的優(yōu)點(diǎn)；

(2)定子線圈電磁材料選用滌綸玻璃絲燒結(jié)線，雙面絕緣厚度減至0.2mm，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；

(3)定子線圈采用F級(jí)高場(chǎng)強(qiáng)絕緣系統(tǒng)，降低定子的溫升；

(4)磁極線圈采用異性銅排扁繞而成，有效降低轉(zhuǎn)子線圈溫升。

3.2 主要參數(shù)的選取

通過對(duì)水輪發(fā)電機(jī)在容量為217.14MVA(功率因數(shù)為0.875)和240MVA(功率因數(shù)為0.875)時(shí)分別計(jì)算和優(yōu)化，使之能滿足在容量為217.14MVA(功率因數(shù)為0.875)的各項(xiàng)性能參數(shù)，同時(shí)還保證在240MVA(功率因數(shù)為0.875)時(shí)發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)在兩種容量下的主要電磁參數(shù)見表1。由表1可以看出，發(fā)電機(jī)在240MVA(功率因數(shù)為0.875)時(shí)各項(xiàng)性能參數(shù)還有一定的裕度。

表1 發(fā)電機(jī)在兩種容量下的主要電磁參數(shù)

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的措施

(1)定子機(jī)座、定子鐵芯的剛度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)均按容量為217.14MVA及240MVA分別計(jì)算，按短路力矩大者設(shè)計(jì)定子機(jī)座、定子鐵芯以及其他相關(guān)受力部件；

(2)轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)子磁軛和主軸按最大功率240MW設(shè)計(jì)驗(yàn)算，保證機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的安全；

(3)上機(jī)架、下機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承均按最大受力工況設(shè)計(jì)；

(4)發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量，空氣冷卻器、油冷卻器的容量均按機(jī)組最大損耗工況設(shè)計(jì)；

(5)提高水庫(kù)水能效率的途徑。

水電站在某一時(shí)段t1-t2的發(fā)電量為：

Nw=9.81ηwQH

式中Nw——水電站出力；

ηw——水電站效率(包括水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器配電設(shè)備等效率的乘積)；

Q——發(fā)電機(jī)引用流量，包括占調(diào)節(jié)庫(kù)容的流量QR和天然徑流量QC；

H——發(fā)電水頭。

提高水能利用率的途徑有：(1)充分利用天然徑流量QC；(2)在保證防洪安全的前提下，增加調(diào)節(jié)庫(kù)容的流量QR；(3)充分利用落差減少水頭損失；(4)減少機(jī)電設(shè)備的能量損失。興利與防洪是水庫(kù)運(yùn)行的一對(duì)矛盾，妥善地解決這一矛盾即是科學(xué)合理地制定分期抬高水庫(kù)汛限水位的水庫(kù)運(yùn)行方式。即利用(2)和(3)來增加水電站發(fā)電量效益。

分期抬高水庫(kù)汛限水位的水庫(kù)運(yùn)行方式，即根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃臍庀筇卣鲗⒀雌趧澐譃檠辞捌?、主汛期、汛后期，根?jù)不同階段不同的水文氣象特點(diǎn)，不同階段設(shè)計(jì)不同的水庫(kù)運(yùn)行的汛限水位，逐步將主汛期的水庫(kù)運(yùn)行的較低水位抬高到興利的蓄水位。我國(guó)東北、華北、華中等地的一些水庫(kù)已先后實(shí)行了分期抬高水庫(kù)汛限水位的水庫(kù)運(yùn)行方式，“分汛前、主汛、汛后3期，逐步將庫(kù)水位由興利水位降至主汛期的限制水位，再由主汛期限制水位分級(jí)提高到興利蓄水位”。我國(guó)華南廣西的巖灘水電站由于水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的投入使用，預(yù)報(bào)精度提高和預(yù)見期延長(zhǎng)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)汛期動(dòng)態(tài)控制水位調(diào)度運(yùn)行。

4 紫坪鋪水電站超發(fā)電問題的研究

根據(jù)初設(shè)報(bào)告整理的紫坪鋪水庫(kù)年徑流及水位、發(fā)電水頭分布見表2。

表2 紫坪鋪水庫(kù)年徑流及水位、發(fā)電水頭分布

由前面討論可知，紫坪鋪水電站的超發(fā)電的研究，實(shí)際上就是要討論機(jī)組水頭超過額定水頭時(shí)的工況。為了方便討論并結(jié)合表2，現(xiàn)只對(duì)能帶來明顯經(jīng)濟(jì)效益的10、11、12、1、2、3、4月進(jìn)行討論。

4.1 紫坪鋪水庫(kù)的原設(shè)計(jì)運(yùn)行和度汛方式

水庫(kù)庫(kù)容：11.12億m3(校核洪水位以下庫(kù)容)

調(diào)節(jié)庫(kù)容：7.74億m3

調(diào)洪庫(kù)容：5.387億m3(校核洪水位至汛限水位)

防洪庫(kù)容：1.664億m3(防洪高水位至汛限水位)

共用庫(kù)容：4.247億m3(正常蓄水位至汛限水位)

校核洪水位：883.1m

防洪高水位：861.6m

汛限水位：850m

正常蓄水位：877m

死水位：817m

尾水設(shè)計(jì)洪水位為748.60m，尾水校核洪水位為751.22m。

水庫(kù)運(yùn)行方式分為三個(gè)階段：在汛期(6～9月)，水庫(kù)在滿足下游綜合用水條件下保證出力發(fā)電，并盡快蓄水至850m高程汛限水位，汛期水庫(kù)蓄滿后基本維持在850m高程水位運(yùn)行；蓄水期(10～11月)，水庫(kù)由850m高程汛限水位逐漸蓄至877m高程正常蓄水位，在蓄水過程中同樣滿足下游綜合用水和水電站出力不低于保證出力的要求；供水期(12～5月)，水庫(kù)根據(jù)綜合用水需要按調(diào)度圖供水，水位逐漸降低。

水庫(kù)度汛方式為：庫(kù)水位低于防洪高水位861.6m高程時(shí)，下泄流量小于下游安全流量2 395m3/s；庫(kù)水位高于防洪高水位861.6m高程時(shí)，下泄流量可大于2 395m3/s，但不超過洪峰流量；庫(kù)水位超過870m高程時(shí)，開啟溢洪道閘門泄洪。

4.2 紫坪鋪水庫(kù)暴雨及洪水特征

岷江上游威州—紫坪鋪區(qū)間為暴雨多發(fā)區(qū)，暴雨中心出現(xiàn)在漁子溪-紫坪鋪一帶，是著名的川西鹿頭山暴雨區(qū)的南端，暴雨集中于7～8月。近幾十年來發(fā)生的大暴雨有1959年8月9～11日、1964年7月20～22日、1966年7月26～28日等場(chǎng)次。洪水過程歷時(shí)5d左右，漲落迅速，多呈尖瘦的雙峰或多峰。威州以上暴雨來水發(fā)生在6、9月，洪水過程多為矮胖的單峰或較大的復(fù)峰，漲落平緩，歷時(shí)較長(zhǎng)；威州到紫坪鋪大壩河道距離78km，洪水傳播時(shí)間5h。

4.3 紫坪鋪水電站超發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益分析

結(jié)合紫坪鋪水庫(kù)暴雨及洪水特征，將紫坪鋪水庫(kù)運(yùn)行方式劃分為汛前、主汛、汛后3期，汛后抬高水庫(kù)汛限水位到防洪高水位861.6m運(yùn)行，機(jī)組出力即可達(dá)到210MW。在水利部水規(guī)總院關(guān)于紫坪鋪水利樞紐工程初設(shè)報(bào)告的批復(fù)中，也有關(guān)于抬高汛末水庫(kù)運(yùn)行水位的建議。

紫坪鋪水電站的超發(fā)電分為汛末(9月份)的超發(fā)電量；10、11、12、1、2、3月份的超發(fā)電量；調(diào)峰超發(fā)電量。在計(jì)算中充分考慮表2各月的來水量，選取較低值的3年均量作為計(jì)算數(shù)據(jù)。

四川省電力公司已經(jīng)實(shí)行峰谷電價(jià)，全天24h分為峰-平-低谷運(yùn)行考核，調(diào)峰電價(jià)為1.335倍平段電價(jià)，低谷電價(jià)為0.5倍平段電價(jià)。每天7：00～11：00和19：00～23：00共8h為高峰時(shí)間。

4.3.1 汛期水庫(kù)運(yùn)行方式與超發(fā)電

據(jù)以上分析，紫坪鋪水庫(kù)汛期運(yùn)行方式完全有條件實(shí)行分期抬高水庫(kù)汛限水位的水庫(kù)運(yùn)行方式，即分汛前、主汛、汛后3期。由表2的9月份的來水量即可得到9月份的超發(fā)電量為：

6.7×16×30=3 216(萬kW·h)(6.7kW為4臺(tái)機(jī)組共8kW根據(jù)9月來水量折算的機(jī)組容量)

6.7×8×30×1.335=2 146(萬kW·h)(將每天8h的調(diào)峰電量折算為平段電量)

4.3.2全年其他月份的超發(fā)電

由初設(shè)報(bào)告看，10、11、12、1、2月份的水頭超過110m，即機(jī)組可出力到210MW(0.875)，3月份為107.5m，即機(jī)組可出力到205MW。由表2看，10月份的來水量可滿足4臺(tái)機(jī)在峰—平段發(fā)16h，11、12、1、2、3月份的來水量在4臺(tái)機(jī)滿發(fā)時(shí)小于8h，故11、12、1、2、3月份設(shè)在峰段發(fā)電。

將每天8h的調(diào)峰電量折算為平段電量為：

(8+8+5+4+3.6+1.8)( 8×1.335×30.5)=9 902(萬kW·h)

10月份來水還可發(fā)8h的平段電量：

8×8×31=1 984(萬kW·h)

總的超發(fā)電量為：3 216+2 146+9 902+1 984=17 248(萬kW·h)。上網(wǎng)電價(jià)按0.3計(jì)，全年可增加純收入5 174.4萬元。

5 結(jié)束語

通過分析可以看到，紫坪鋪水電站具有較大的超發(fā)電的潛力。實(shí)際上機(jī)組是可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行在240MVA上，電站一次設(shè)備的設(shè)計(jì)均按照240MVA設(shè)計(jì)，水庫(kù)按分期抬高水庫(kù)汛限水位運(yùn)行完全可行。因此在制定紫坪鋪水電站的運(yùn)行規(guī)程時(shí)，充分考慮紫坪鋪水電站機(jī)組的超發(fā)電能力，在制定紫坪鋪水庫(kù)的防洪度汛方案時(shí)將安全與效益作充分和科學(xué)的比較，能使電站創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。