降低機組耗水率控制策略分析與實踐

胡 豐，王珍山，王威威

（掛治水電廠，貴州 錦屏 556700）

1 引言

掛治電廠水輪機型號為：ZZ―LH―580，水輪機類型：軸流轉槳式，額定出力51.5 MW，額定水頭為20.7 m(機組流量Q=270.4 m3/s），最大水頭為25.29 m(機組流量Q=219.8 m3/s），最小水頭為12.9 m(最大出力31.8 MW，機組流量Q=280 m3/s）。

掛治電廠水輪機采用導槳葉同時參與調節的雙重調節模式，水輪機運行水頭下導葉與槳葉的協聯關系曲線，實現機組有功安全、平穩調節。

2 影響耗水率主要因素

（1）機組運行水頭：掛治電廠距離上游三板溪電站18 km，距離下游白市電站78 km，掛治電廠屬于上游三板溪電廠反調節電站，上游水位受三板溪電廠出庫影響，下游水位受白市電廠頂托影響，因此，如何通過水庫調優化降低機組耗水率，是電廠研究的主要方向。

（2）機組協聯關系：掛治電廠機組為軸流轉槳式機組，水輪機采用導槳葉同時參與調節的協聯調節方式。在水輪機設計之初，設備制造商會根據水輪機相關試驗，繪制不同水頭下導葉與槳葉之間的協聯關系曲線圖，作為水輪機調速器系統調節的重要依據。由于多種因素影響，可能導致設計的協聯關系曲線與實際運行存在偏差。根據我廠多年運行資料統計和數據分析，協聯關系曲線對機組耗水率產生較大影響，通過優化協聯關系曲線，可以保證機組運行效率維持在90%以上，可以有效地降低耗水率。

（3）機組運行方式：掛治電廠隸屬湖南電網調度，機組運行方式由湖南電網調控中心進行調度，不同的運行方式對機組耗水率有明顯的變化。

（4）AGC調節方式：掛治電廠機組具備AGC（自動發電控制）功能，機組運行時AGC（自動發電控制）功能投入，機組負荷分配是根據系統下達的AGC指令執行，從機組長期運行實踐分析，優化AGC調節方式是降低機組耗水率重要手段。

（5）攔污柵壓差：攔污柵安裝在機組進水口前，主要作用是阻攔機組進水口前的浮渣，隨著機組長期運行后，浮渣日趨增多，導致攔污柵壓差逐漸增大（電廠規定一般不得超過0.02 MPa），導致機組發電效率降低，耗水率隨之增加。

3 降低耗水率控制措施

3.1 水庫調度優化

掛治水電站位于沅水干流清水江中下游，每年的汛期（4～8月份）降水偏多，為清水江的豐水期，其來水量占全年水量的68.76%，其中5～7月份占50.04%，枯水期（9～12月份）徑流量僅占全年的31.24%，全年來水極不均衡。通過水庫優化調度，可以抬高水位運行，降低耗水率。根據掛治電廠庫容特點及歷年來運行方式，在主汛期，降雨量偏多，且受系統負荷受限影響，容易造成開閘棄水，因此，主汛期不考慮經濟運行，通過水庫優化調度，提前騰庫庫容，盡量避免棄水。在非汛期，降雨量偏少，考慮經濟運行，盡量將水位控制在321.3 m及以上運行（不超過322 m），可以有效降低耗水率。根據掛治電廠水輪機流量特性曲線（即NHQ曲線），得出不同水頭下發電機流量值。

機組運行水頭越大時，機組過機流量越小，通過表1數據計算得出：該廠機組運行水頭每抬高1 m，機組耗水率可以有效降低5%，對比各出力的曲線斜率，水頭越高，出力越大，機組過機流量越小，耗水率下降越明顯。所以，優化水庫調度是降低機組耗水率的重要方式。

表1 掛治電廠單機40 MW不同水頭下發電流量

3.2 協聯曲線優化

掛治電廠機組屬于軸流轉槳式機組，機組的發電效率較高。η=f（H，α，β）

式中：η為水輪機的效率；H為水輪機的水頭；α為水輪機的導葉開度；β為水輪機的槳葉開度。

根據機組平均耗水率計算公式：耗水率=發電水量/發電量。當水頭維持不變，發電量增加時，耗水率隨之減少，而機組運行效率是影響發電量重要因素，通過優化機組協聯曲線可以有效提高發電效率。現以該電廠3號機組為例，3號機組進行了機組協聯曲線試驗（試驗水頭為22.6 m），經過對水輪機導槳葉之間的協聯曲線優化后，可以有效改善機組的運行工況，通過調速器試驗得到充分驗證：

在機組導槳葉的協聯試驗中，分別選定不同的導葉開度下進行試驗，通過試驗數據比較得出結論，協聯關系優化后效率明顯提高，對比結果如表1，在各個試驗點效率增幅為2.41%～14.49%。當機組運行水頭為22.6 m時，通過優化協聯曲線可以提高機組運行效率，最大幅度可達14.49%，可以有效地降低了機組耗水率。

3.3 優化機組運行方式

該廠機組振動區間為0～20 MW，表2為電廠機組負荷與機組運行方式對應圖，以全廠總有功40 MW為例，可以選擇單臺機運行，也可選擇兩臺機運行，根據該廠機組NHQ曲線，水頭相同情況下（以水頭22 m為例），根據機組流量曲線（根據表1），單機負荷40 MW時的發電流量為202 m3/s，兩臺機負荷各帶20 MW時的總發電流量為212 m3/s，此時，對比機組兩種運行方式，前者較后者耗水率降低約5%。即在全廠總有功相同情況下，機組運行臺數越多，總出庫流量隨之增加，尾水位抬升效果明顯，機組耗水率也就越高，所以滿足系統負荷要求的情況下，通過優化機組的運行方式，在滿足負荷要求前提下，盡量單機運行，可以有效降低機組耗水率指標。

表2 協聯優化前后相對效率對比(22.6 m水頭)

表3 掛治電廠機組運行負荷圖

3.4 AGC調節控制策略優化

機組負荷調節根據AGC下達的指令執行，以兩臺機組運行為例（運行水頭為22 m），當前1號機組、2號機組各負荷帶20 MW，當AGC下達30 MW指令時，AGC程序開始進行負荷分配，此時，負荷分配方式有以下3種：①1號機組、2號機組負荷平均分配，每臺機組各增加15 MW，根據機組NHQ曲線，機組總發電流量為350 m3/s；②1號機組（2號機組）增加30 MW、2號機組（1號機組）負荷維持不變，根據機組NHQ曲線，機組總發電流量為340 m3/s。對比兩種運行方式，第二種方式耗水率要低于第一種，還可以有效減小機組調節次數。所以，通過對AGC調節控制策略優化，可以有效降低機組耗水率。

3.5 減小進水口攔污柵壓差

電廠機組進水口攔污柵壓力差一般不得超過0.02 MPa，當壓力差達到0.02 MPa時，電廠將開展進水口清渣工作，根據攔污柵壓差對比機發電效率，詳見表4：

表4 掛治電廠清渣前后機組導葉開度對比圖

4 結論

影響機組耗水率的因素有多方面的，如何降低耗水率是水電廠開展經濟運行的重要方向，本文介紹了該廠降低耗水率重要措施：一是不斷利用科學技術手段優化機組協聯曲線，充分發揮軸流轉槳式機組高效率的優勢；二是對根據系統負荷需求合理安排機組的運行方式；三是聯合集控中心、上下游電站優化水庫調度，維持高水頭運行；四是根據攔污柵壓差，定期機組進水口清渣工作，有效提高水能利用率。但不同的水電站流域特性及機組運行特性存在差異，采取降低耗水率的措施各異，本文僅為同類型機組、同流域特性的水電站提供參考。