基于兩級調度模式下的大型水電站優化運行分析

李民希

（二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000）

1 概述

桐子林電站和二灘水電站同屬于二灘水力發電廠管理。桐子林水庫2015 年年中進行了蓄水，10 月、11 月，桐子林電站1 號、2 號、3 號機組分別投產發電，2016 年3 月桐子林電站4 號機組投產，截止目前桐子林電站已投產運行3 年。由于桐子林水電站為日調節水庫且機組為軸流轉槳式，單機發電流量很大，因此上游水位變化很大，從而導致了上游的二灘水電站尾水位發生了變化，對二灘水電站枯平期經濟運行造成了影響。此外，二灘水電站在今年起調度關系由四川省調轉變為國調西南分調直接調度，形成了“一廠兩站、兩級調度”的調控模式，為二灘和桐子林電站在枯平期的聯合運行帶來了巨大挑戰。

2 經濟運行指標

經濟運行是指通過加強安全生產管理、提高設備可靠性、優化電站機組負荷分配，實現枯平期（1～5月及11～12 月）降低耗水率，以充分利用水能資源達到最大限度增發電量目的。經濟運行指標主要考慮機組穩定運行（即機組可利用系數）和發電效益兩部分共同決定。發電廠發電效益就等于總發電量與電價的乘積。

3 下游電站運行對上游電站的影響

3.1 桐子林水電站水庫水位抬升對二灘水電站機組耗水率的影響

2018 年1 月2 日～12 日期間二灘電站負荷相對固定，負荷因素對尾水位的影響較小，提取了該期間每個整點的相關數據繪制二灘水電站尾水位與桐子林水電站壩前水位關系圖。

圖1 二灘水電站尾水位與桐子林水電站壩前水位關系

由圖1 可看出，當二灘水電站機組總負荷不變時，桐子林水電站壩前水位的變化，會引起二灘水電站尾水位的同向變化，當前負荷下桐子林水庫水位上漲1 m 會導致二灘水電站尾水位同步上漲接近1 m。因此，在上游水位不變情況下，桐子林水電站水庫水位抬升必然導致二灘水電站機組實際運行水頭降低。

根據水輪發電機組流量公式：

其中：Q 為水輪機流量；P 水輪發電機出力；H水頭；η1水輪機效率；η2發電機效率。

可得，在發電出力一定的情況下，機組流量與機組的水頭成反比關系。所以隨著桐子林水電站壩前水位的升高，二灘水電站尾水位將隨之升高，機組水頭降低，機組耗水率同步增加。在枯水期川內來水普遍減少的自然規律下，耗水率指標的上升，不利于二灘水電站水能資源的高效利用，同時降低了二灘水電站電力生產的競爭力。

3.2 尾水位抬升對二灘水電站機組運行特性的影響

水輪機運轉特性曲線是表示水輪機水頭、流量、出力和效率之間相互關系的曲線，是選擇水輪機及分析最優工作位置的依據，它對水電站如何合理放水、提高機組效率和減少單位電能耗水率起著指導作用，對水庫合理調度、提高水電站經濟效益有其重要意義。

二灘水電站尾水位抬升后，二灘水電站機組實際運行水頭低于設計運行水頭，設計水頭線下移，將對機組運行特性帶來一定的變化，其影響主要是，相同壩前水位時，機組實際運行水頭降低，隨著水庫水位的消落，機組將提前進入限制出力運行區域（由圖2 可知，水頭在160 m 及以上時，機組可以滿發），導致全站發電能力降低。

3.3 桐子林水電站水位抬升對二灘水電站機組振動的影響

水輪機偏離最優工況運行時，轉輪出口水流的絕對速度將產生一個圓周分量，尾水管內的旋轉流速由管壁到中心逐漸增大，在尾水管內形成了真空渦帶。渦帶以一定的頻率在尾水管內旋轉，其中心的真空帶周期性地掃射尾水管壁的四周，產生周期性的壓力波動，引起機組強烈振動，發出撞擊聲。

水輪機振動的誘發因素中，尾水管渦帶壓力脈動是不可忽略的因素。立式混流式水輪機尾水管壓力脈動，在部分負荷時尤為強烈。當發生尾水管壓力脈動時，機組各部位振動擺度明顯增大，在發電機層能聽到渦帶撞擊尾水管壁時發出的轟隆聲，在尾水管附近可聽到水流的沖擊聲；蝸殼壓力表和頂蓋壓力表指針擺動程度隨機組振動增大而明顯增大。

圖2 二灘水電站1 F 運轉特性曲線

為了避免尾水管渦帶壓力脈動，二灘水電站機組尾水管補氣方式采用大軸中心補氣管自然補氣。這種補氣的方式，破壞了尾水管內形成的真空渦帶，避免了機組在受尾水管渦帶壓力脈動影響而造成的振動損傷。

當尾水水位上升較大時，水輪機組尾水管內壓力較一般情況要高，使用目前的自然補氣方式補氣時，可能滿足不了破壞尾水管內真空渦帶的補氣量需求[1]。所以當尾水水位上升時，尾水管渦帶壓力脈動引起的機組振動需要特別的留意。但是由于二灘水電站尾水位變化幅度相對較小，所以尾水位導致的機組振動變化情況相對不大。另外根據2016年QC 報告《二灘水電站機組振動情況分析》結論，在非振動區運行時，尾水位升高和降低不會直接導致機組振動加劇或較小，尾水位變化導致機組水頭變化，水頭變化會影響機組振動。總之，桐子林水電站水位抬升對二灘水電站機組在非振動區運行時振動影響不大。

但是由于機組實際運行振動區間會隨著機組實際運行水頭降低而變化，尤其是振動區邊界定值可能發生變化，機組在振動區邊界運行時，可能會出現振動偏大的情況，這就需要運行人員重點關注機組運行狀態，并做到及時進行調整。所以，桐子林水電站水位抬升對二灘水電站機組在振動區邊界運行時振動仍有待繼續觀察。

3.4 桐子林水電站水庫水位抬升對二灘水電站機組空蝕的影響

水輪發電機過流部件的空蝕現象是對機組正常運行的重大危害。控制過流部件，尤其是轉輪葉片的空蝕程度，有利于機組的長周期安全運行。水輪機組的空蝕類型主要有翼型空蝕、間隙空蝕、空腔空蝕和局部空蝕，對于混流式水輪發電機組而言主要為翼型空蝕。為了避免翼型空蝕的發生，根據流體力學原理，有效的方法就是降低機組的吸出高度[2-3]。機組的吸出高度一般是指，水輪機安裝在下游尾水水位以上（或以下）的高度。機組吸出高度計算公式為：HS=ΔA-Δw；

其中，ΔA為水輪機安裝高程，ΔW為尾水位高程。在二灘水電站，由于尾水位比機組安裝高程要高，所以機組正常運行時的吸出高度為負值。機組設計的吸出高度為-8.4 m。

在機組安裝高程固定的情況下，尾水水位直接影響著機組的吸出高度。吸出高度越小，亦即安裝高程越低或尾水水位越高，水輪機越不易發生空蝕。所以，從空蝕防護的角度看，運行尾水水位抬高對機組是有利的。

3.5 桐子林水電站水位抬升對二灘水電站機組集電環室內補氣管道結露的影響

二灘水電站機組尾水管補氣方式采用大軸中心補氣管自然補氣。補氣管道為金屬部件，且與自然河流水接觸，能較快地傳遞熱量。

若機組處于停機狀態，根據U 型管原理，尾水將倒灌充滿機組大軸補氣管以及大軸補氣頭。當尾水溫度較低時，也必將會導致管道外壁溫度降低。當與大軸補氣管及集水盆表面接觸的空氣溫度下降到露點溫度后，將在管道表面產生冷凝水。其中露點溫度與環境溫度和相對濕度關系密切，環境溫度一定時，相對濕度越大，露點溫度則越高；相對濕度一定時，環境溫度越高，露點溫度則越高。

當二灘水電站機組尾水位隨桐子林水電站水位抬升靠近大軸補氣管水平段高程后，將會有更多的管道與尾水接觸，導致補氣管道的冷卻程度增加，在同等相對濕度下管道表面溫度有更大的可能下降到露點溫度以下，增加了補氣管道結露的概率。

補氣管道表面的冷凝水將會對發電機的電氣部件造成絕緣威脅。對于集電環室而言，若冷凝水水量較多，沿機械結構滲漏后將落到發電機勵磁回路上，使其絕緣下降，嚴重時會引起轉子接地保護動作。所以，從絕緣防護的角度看，運行尾水水位抬高對機組是不利的。

3.6 尾水位抬升，對二灘電站地下廠房設備設施跑水漏水安全風險帶來的影響

目前，二灘水電站4 號機尾水管進人門處漏水、4 號機頂蓋自流排水孔堵塞和6 號機大軸補氣頭水平段閥門6256 輕微滲水等問題仍未徹底處理。二灘水電站尾水位抬升后，尾水調壓室水位和水墊塘水位隨之抬升，發電機補氣頭、滑環室、風洞、母線洞和安裝間保護室墻體、地下廠房各排水溝、蝸殼和尾水管人孔門等部位跑水漏水風險增加，通過圖3 分析滲漏集水井水位與壩后水位的關系可得印證。

圖3 滲漏采水井水位與壩后水位關系

與圖3 中2 月13 日后面數據對比可以看出，2 月13 日前的壩后水位（灰線）較高，滲漏集水井水位（黑線）變化密度大，即是滲漏排水泵啟停較為頻繁，說明滲漏跑水來水較多。所以當尾水位抬升后，地下廠房設備設施跑水漏水安全風險將不可避免的有所增加。

特別是汛期大發電期間，二灘水電站若采取壩身泄洪，尾水位將輕易達到1 019 m，此時更應加強對以上易漏水部位的巡檢力度和頻次，密切關注尾水位的變化、氣象信息等情況。

3.7 水墊塘檢修時，桐子林水電站水位抬升對二灘水電站機組出力的影響

據檢修計劃安排，水墊塘每3 年檢修一次，抽水工期約為4 個月。期間為確保水墊塘工作人員、設備安全，須保證二灘水電站壩后水位不超過二道壩高程（1 015.00 m）。

2015 年期間為確保水墊塘檢修工作正常開展，曾做過如下分析。為確定不同桐子林水電站水庫水位下，二灘水電站壩后水位1 015 m 以下時的發電負荷，提取了監控系統上二灘水電站壩后水位、二灘水電站有功功率、桐子林水電站壩前水位進行分析。典型數據見表1。

表1 負荷、水位典型數據

從表1 數據可知，以下幾種情況可以讓二灘壩后水位控制在1 015 m 以下：

（1）當桐子林電站壩前水位運行在1 010～1 011 m區間時，二灘負荷控制在2 400 MW 以下；

（2）當桐子林電站壩前水位運行在1 011～1 013 m區間時，二灘負荷控制在2 200 MW 以下；

（3）當桐子林電站壩前水位運行在1 014 m 以上，估算二灘負荷控制在2 000 MW 以下。

通過上述分析可知，桐子林水庫水位不到1 015 m 時，水墊塘檢修已很大程度限制了二灘水電站的發電出力。近期，由于要求桐子林水電站壩前水位盡可能在1 014 m 以上運行，導致二灘尾水位長期在1 015 m 以上（見表2），最高達1 016.71 m。若此種情況下水墊塘抽水檢修，桐子林水電站水位抬升將嚴重限制二灘水電站的總出力，給二灘水電站的生產帶來較大的經濟損失。

表2 近期負荷、水位數據

4 應對措施

綜合上述分析，桐子林水電站水庫水位抬升對二灘水電站機組運行的影響是多方面的，有利有弊。從運行工作出發，應該科學制定運行策略，趨利避害，為二灘水電站機組安全運行做好充足的準備。

4.1 經濟性方面應對措施

為提高二灘水電站經濟穩定運行，主要從降低機組耗水率這一核心問題出發，提出以下策略：

（1）合理調度水庫，實現二灘電站與桐子林電站的聯合調度，降低桐子林上游水位使二灘機組盡可能保持高水頭運行，降低耗水率。在條件允許時，水頭高時宜多發電，水頭低時宜少發。

（2）合理安排機組運行組合方式，對稱開起機組，使1 號、2 號尾調室水位盡量保持平衡，降低機組耗水率。

（3）現階段由電站側進行全廠的負荷調整與分配，在廠站側AGC 啟用自動優化負荷分配的基礎上，當出現全廠負荷較小或負荷不可分配時，積極采取申請停機、調整機組負荷等方式讓并網機組帶大負荷運行，避免在低負荷區運行，保證機組長時間在最優工況下運行。

4.2 生產管理方面應對措施

（1）加強設備巡查，尤其是轉子以上設備設施，若存在“跑、冒、漏、滴”現象，應及時匯報。

（2）加強尾水位以下設備設施檢修維護和風險分析，重點排查并整治可能存在的跑水、漏水、滲漏水量增加帶來的安全隱患。

（3）對易產生冷凝水的集水盆、補氣管等部位加裝保溫材料，對于未加裝保溫材料的機組，需定期進入集電環室檢查冷凝水情況。

（4）盡快啟動二道壩加高項目，減少桐子林水電站水位抬升對二灘水電站總負荷的限制。

（5）合理安排二灘水電站機組開停機，使機組盡可能滿發或帶大負荷，盡量在振動區以上運行，極力避免在低負荷區運行，保證機組長時間在較優工況下運行。重點關注機組運行方式，尤其是振動區間定值變化，必要時進行優化調整，避開振動區附近運行。

（6）機組停機備用時間不宜過長，若長時間停機，定期將機組開機至空轉（或打開加熱器），減緩集電環室冷凝水形成。

5 結語

本文通過分析桐子林上游水位和二灘尾水位之間的關聯關系，從而掌握桐子林電站機組發電后對二灘水電站機組運行的影響，通過兩站聯合運行和合理安排機組運行等方式提高了兩站安全運行水平。