彭水水電站汛期機組出力提升研究

周奮強 燕超 彭志遠

摘要：

為更好發揮彭水水電站效益并保障機組安全穩定運行，在現有機組流道尺寸不變的前提下，利用理論分析、CFD數值模擬技術和水輪機模型試驗等方法，分析了彭水水電站在汛期低水頭下提高機組出力和部分負荷運行穩定性的可行性方案。結果表明：通過對水輪機轉輪、活動導葉等關鍵過流部件進行優化改造，機組發額定出力對應的最小水頭可以由原來的67 m優化到63 m，能夠提高汛期機組發電調峰能力，并減少電站棄水；機組安全穩定運行的水頭范圍由原來的52.0～81.6 m優化為44.0～81.6 m，優化后的水頭變幅Hmax/Hmin高達1.855，同時水輪機在全水頭、45%～100%預想出力范圍內均能穩定運行。

關鍵詞：

機組出力； 運行穩定性； 活動導葉； CFD； 水力模型試驗； 彭水水電站

中圖法分類號：TV734.2

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.018

文章編號：1006-0081（2023）04-0109-06

0 引 言

彭水水電站為烏江流域的第十級電站，地下廠房裝設5臺單機容量350 MW混流式水輪發電機組。彭水水電站具有位于窄河谷、下泄流量大、下游水位變幅大等特點，機組在運行過程中出現汛期棄水大、機組出力受阻、機組部分負荷穩定運行區域窄且存在振動區等問題。為更好發揮彭水水電站效益并保障機組安全穩定運行，本文在分析彭水水電站運行現狀的基礎上，對水輪機出力受阻的原因以及縮小或消除水輪機不穩定運行區進行了探索；在現有機組流道尺寸不變的前提下，采用理論分析、CFD數值模擬技術和水力模型試驗研究相結合的方式，研究提升水輪機低水頭出力裕度、降低機組穩定運行的最小水頭等方案，以期提升機組的發電能力、拓寬機組部分負荷穩定運行范圍以及運行調度能力。

1 機組運行存在的主要問題

彭水水電站最大水頭（毛）81.6 m，最小水頭52 m，額定水頭67 m。水電站自投運以來，機組整體運行情況良好，但由于電站具有位于窄河谷、下泄流量大、下游水位變幅大等特點，目前在運行過程中存在如下主要問題。

1.1 電站汛期棄水量和受阻容量大

根據水電站防洪調度要求及水庫調度運行方式，汛期庫水位須在汛限水位以下運行，當水電站來水流量大于機組發電流量，庫水位接近汛限水位且有上漲趨勢時，水庫需要棄水泄洪。在主汛期，彭水水電站全廠最大出力基本低于1 500 MW，降低了電網調峰容量，影響了電站的水量利用率。據統計分析，2017～2021年，彭水水電站運行水頭低于額定水頭67 m的時間共8 638 h，機組出力受阻總時間共2 555 h，平均每年511 h，占全年時間6%左右。

1.2 機組低水頭穩定性有待提高

由于彭水水電站下游河谷窄、泄放量大，電站下游尾水位變幅最大達32 m，與同等水頭段水電站相比較為罕見。同時，電站在大流量泄洪工況時，電站尾水位與原設計相比還存在一定壅高。因此，電站在汛期存在高尾水位、超低水頭（低于原設計最小水頭）的運行工況，機組各部軸承擺度、振動幅值、壓力脈動均呈現惡化趨勢，壓力脈動超出設計標準要求，對機組的出力和安全穩定運行有較大影響。因此，根據實際運行情況，彭水水電站亟需降低最小水頭。

1.3 機組部分負荷穩定運行區域窄

彭水水電站水輪發電機組在 0～200 MW 負荷區間（57%機組額定出力以下時）運行時，機組處于振動區；此外，在水頭高于75 m且水輪機負荷在 240～310 MW 左右時，機組還存在一個范圍較窄的高部分負荷壓力脈動區域，如圖 1所示。

2 機組出力提升思路

以彭水水電站的主要問題為導向，提出如下研究思路。研究思路流程見圖2。

（1） 全面收集電站自投運以來的動能參數（水頭、尾水位、庫水位等）、電網調度情況、機組流道尺寸以及機組運行、檢修、泥沙磨損情況［1-2］。

（2） 根據實際的長序列徑流動能參數，初步擬定在水頭62，63，64，65 m條件下機組可發額定功率350 MW的四個方案，采用專利技術“水輪機效率加權因子量化方法（專利號：ZL201310179981.6）”和“水電站動能參數分析及水輪機加權因子量化計算軟件（軟件著作權號：2020SR0190858）”，計算彭水水電站水輪機新轉輪水力開發效率加權因子，確定彭水水電站水輪機設計水頭，使裝設新轉輪的水輪機性能參數與電站實際動能條件達到最優匹配。

（3） 根據多目標綜合條件下轉輪水力參數研究成果，提出彭水水電站模型轉輪水力開發技術條件和預期目標。

（4） 根據擬定的水力開發技術條件和預期目標，研制、開發模型轉輪并進行水輪機模型試驗研究，分析提出滿足要求的水輪機能量、空化及穩定性等指標。

（5） 根據水輪機模型試驗結果，完成推薦方案條件下電站發電量效益計算分析。

3 水輪機性能參數分析及模型研發

3.1 水輪機特征水頭及性能參數分析

3.1.1 特征工作水頭分析

彭水電站原設計參數Hmax=81.6 m，Hmin=52 m，水頭變幅Hmax/Hmin =1.569。根據投運以來的逐日實測上、下游水位及電站水頭成果分析，水輪機運行的最高水頭為80.4 m，極端最小水頭為44.41 m。電站機組水頭分布見表1。

彭水水電站水頭小于50 m的概率極小，電站水頭變幅大，暫定新轉輪開發水輪機最小水頭按50 m設計，同時要求水輪機能在44～50 m水頭區間短時間穩定運行，最終根據模型試驗的成果確定水輪發電機組是否能在44～50 m水頭區間連續安全穩定運行，以進一步分析論證新轉輪的最小工作水頭。

由于彭水水電站棄水主要發生在汛期，根據機組實際運行情況，為了盡可能增加水輪機低水頭的發電能力，減少棄水，需降低機組可以發額定出力對應的最小水頭，以顯著提高電站在汛期的發電效益。綜合分析水電站投運以來實測水文徑流資料，水電站汛期（5～9月）機組水頭分布情況見表2。

從表2的彭水水電站投運以來汛期（5～9月）機組水頭分布可以看出，汛期機組在65 m水頭以上運行的時間占整個汛期時長的87.09%，在64 m水頭以上運行的時間占整個汛期時長的91.99%，在63 m水頭以上運行的時間占整個汛期時長的95.42%。

初步擬定機組可以發額定出力對應的最小水頭分別為62，63，64，65 m四個方案，同時要求在新轉輪研發時應充分考慮現有流道布置條件，在保證穩定、高效、可靠的前提下，盡可能降低機組可發額定出力對應的最小水頭，以提高機組在汛期低水頭下運行時的發電能力。

3.1.2 穩定運行范圍分析

參照GB/T 15468—2020《水輪機基本技術條件》，同時借鑒近年來改造的白山、豐滿、李家峽、龍羊峽等電站的成功經驗［3-4］，考慮到彭水水電站水頭變幅大，為避免機組在高水頭部分負荷區出現異常振動、出力不足等問題，新轉輪研發要求機組在全水頭范圍下45%～100%水輪機預想出力范圍內均能穩定運行。

3.1.3 效率加權因子分析

根據彭水水電站投運以來實測的水能參數，采用專利技術“水輪機效率加權因子量化方法（專利號：ZL201310179981.6）”和“水電站動能參數分析及水輪機加權因子量化計算軟件（軟件著作權號：2020SR0190858）”計算得到彭水水電站機組可發額定出力對應的最小水頭分別為62，63，64，65 m時的水輪機效率加權因子，見圖3～6。可以看出，不同最小滿發水頭方案，水輪機效率加權因子略有不同，但權重較大區域基本集中在63～75 m水頭范圍。

3.1.4 模型參數分析

（1） 水輪機比轉速ns及比轉速系數K是表征水輪機綜合技術經濟水平的重要特征參數之一，應根據電站特點和機組制造水平進行綜合考慮來選取，使水輪機整體參數水平達到最優。參照國內外各大型水輪機比速系數水平，以及水輪機穩定運行要求，比轉速系數K值基本在2 000～2 300區間范圍內變化。由于不調整水輪機額定轉速和額定出力，初步擬定彭水水電站機組可發額定出力對應的最小水頭為62，63，64，65 m四個方案，對應水輪機的比轉速ns分別為293.7，287.9，282.3，276.8 m·kW，比速系數分別為2 312，2 285，2 258，2 232。由此可以看出，除62 m水頭方案以外，其余3個方案均在統計規律范圍以內。

（2） 彭水水電站在原有流道基本不變的條件下進行水輪機水力性能及機組出力提升研究，水輪機模型的開發受到原有流道的限制，且電站水頭變幅大，因此在選擇水輪機性能參數時，不能片面追求高參數和高水平，應在保證機組安全穩定運行的前提下確定合適的性能參數［5-7］。

根據已有電站的改造經驗和目前水輪機模型的開發水平，對比彭水水電站同水頭段具有代表性的模型轉輪參數，本研究參照哈爾濱大電機研究所早期研究的混流式水輪機單位轉速與比轉速的統計關系曲線、單位流量與最大水頭的統計關系曲線（圖7～8），得出彭水水電站新模型轉輪最優單位轉速約為75 r/min，限制工況單位流量約為1.2 m3/s，最優效率不低于94.5%，限制工況效率不低于90.5%，限制工況臨界空化系數不大于0.214［5-6］。

3.2 機組全流道流場CFD數值分析

由于彭水水電站水輪發電機組已投運15 a，水輪機活動導葉和固定導葉相對高度、蝸殼和尾水管的控制尺寸無法變化，導葉分布圓也無法變化。因此本次通過調整導葉翼型、厚度及轉輪葉片數、葉片葉型、進出口安放角、上冠型線、下環型線等［6］提升水輪機水力性能及機組出力，本文利用內部流場CFD數值模擬技術對彭水水電站機組進行了全流道的數值模擬，對水輪機的過流部件幾何尺寸進行優化，以全面提高水輪機的各項性能，通過對比計算分析水輪機各通流部件及主要運行工況，得出以下結論。

（1） 從計算各通流部件的內部壓力（圖9）和速度流態分布來看，新轉輪在整個流道內流場分布均勻、流態良好，說明新方案轉輪與其他原有的固定通流部件匹配良好。

（2） 從水輪機主要工況水力效率計算值可以看出，原方案與新方案水輪機蝸殼、固定導葉、活動導葉與尾水管的水力損失計算值相差不大，但新方案轉輪的水力損失較原方案有明顯改善，特別是在大流量區域，其水力效率顯著優于原轉輪。

（3） 新方案在大流量高單位轉速區域的整體效率水平比原方案高出1%～4%，可以有效提升低水頭大流量區域水輪機的出力裕度。根據初步分析預測，改造后水輪機可以發額定出力354.4 MW 的最小水頭接近63 m，流量約為654 m3/s；最低水頭50 m時，能發出力252 MW，流量約為584 m3/s。在高水頭部分負荷區域，流場分布更加均勻、流態良好，分析預測，機組在45%～100%預期負荷下，能穩定運行。

3.3 模型試驗研究

根據彭水水電站動能參數特點進行了全面的模型試驗研究，先后共設計加工了多個轉輪方案，進行了全面的模型試驗，包括能量、出力特性、空化、壓力脈動、流態觀測、飛逸轉速特性等主要性能試驗，主要研究結論如下。

（1） 新研發轉輪在規定的水頭范圍和導葉開度較寬廣的范圍內都具有較高的效率，尤其在大流量區域，具有與原轉輪相比更高的效率。

（2） 原轉輪在低于額定水頭（67 m）時，功率受限嚴重。新研發的水輪機在44.0～81.6 m水頭范圍內均能穩定運行，在滿足穩定性和空化要求的前提下能獲得更大的機組功率，最大實際功率遠高于原轉輪，在44～67 m低水頭區域，這一特征最為明顯。新轉輪匹配新導葉機組滿出力對應的最小水頭可以低至63 m，且水頭低于63 m時水輪機出力裕度約為3.4%～3.9%。

（3） 在主要特征運行工況下，新研發轉輪匹配新導葉的空化裕量滿足相關要求，水輪機將在無空化條件下運行。

（4） 新研發轉輪匹配新導葉的水輪機安全穩定運行區域均為45%Pt至100%Pt（Pt為水輪機出力）。在電站運行水頭與該負荷范圍內，不會在轉輪葉片進口邊正面與背面發生初生空化現象，轉輪葉片出水邊均無可見卡門渦。模型水輪機的流態特性滿足相關規范的要求。

（5） 模型水輪機最大飛逸轉速小于167 r/min，滿足規范要求。

4 電量效益計算

彭水水電站轉輪改造后可以增發的電量包括電站轉輪更換后減小棄水增發電量、減小水頭過低機組全停而增加機會電量、減小機組非計劃停機而增加電量、增加電網調峰容量與減小火電開機增加電量等。經計算，改造后每臺機組每年可以增發電量約3 201.50萬kW·h。

5 結 論

本次彭水水電站機組出力提升研究結果表明，采用最新的水輪機水力開發技術，可以使電站水輪發電機組達到如下效果。

（1）機組改造后，在不改變廠房總體布置和機組結構的情況下，機組發額定出力對應的最小水頭可以由原來的67 m優化到63 m，因此可以有效降低機組發額定出力的最小水頭，盡量減少電站汛期棄水，并消除機組長期運行帶來的安全隱患和潛在風險。

（2）機組改造后，水輪機具有較好的能量指標，且當水頭在低于機組發額定出力對應的最小水頭63 m時具有較大的出力裕度，能夠有效提高低水頭時水輪機的過水能力，汛期可以盡量多發電量。

（3）機組改造后，機組安全穩定運行的水頭范圍由原來的52.0～81.6 m優化為44.0～81.6 m，優化后的水頭變幅Hmax/Hmin可以高達1.855，同時水輪機在全水頭范圍內、在45%～100%預想出力范圍內均能穩定運行。因此，相對于原轉輪而言，新轉輪有效拓寬了機組安全運行范圍并提高了可靠性，機組整體運行穩定性有了明顯改善，同時減小了機組汛期非計劃停機概率，延長了水輪發電機組檢修周期和運行壽命，提高了水電站經濟效益。

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（編輯：江 文）

Study on unit output improvement of Pengshui Hydropower Station in flood season

ZHOU Fenqiang1 ，YAN Chao1 ，PENG Zhiyuan2

（1.Chongqing Branch，China Datang Corporation Ltd.，Chongqing 400000，China； 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）Abstract：

In order to better play the benefits of Pengshui Hydropower Station and ensure the safe and stable operation of the unit，under the premise that the flow channel size of the existing unit was unchanged，the paper analyzed the feasibility of improving the Pengshui Hydropower Station unit output and stability of partial load operation under low head in flood season by using the comprehensive research method combining theoretical analysis，CFD numerical simulation technology and hydraulic turbine model test.The results showed that the minimum head corresponding to the rated output of the unit could be optimized from 67 m to 63 m by optimizing the critical overflow components such as turbine runner and movable guide vane，which could improve the peak load regulation capacity of the unit in flood season and reduce the discharging water of the hydropower station.The head range for safe and stable operation of the unit was optimized from 52.0～81.6 m to 44.0～81.6 m，and the optimized head amplitude Hmax/Hmin was as high as 1.855.At the same time，the turbine can operate stably in the range of full head and 45%～100% expected output.

Key words：

unit output； operational stability； hydraulic turbine guide vane； CFD； hydraulic model test； Pengshui Hydropower Station

收稿日期：

2023-03-02

作者簡介：

周奮強，男，高級工程師，主要從事水電站運行維護、故障診斷分析方面的工作。E-mail：329207409@qq.com

通信作者：

彭志遠，男，工程師，碩士，主要從事水力機械設計研究。E-mail：pengzhiyuan@cjwsjy.com.cn