基于水輪機效率差異監測的電站優化運行探索

喬洪偉，席文軍，吳勇慶

（1.深能水電投資管理有限公司 四川 成都 610041；2.云南華邦電力開發有限公司，云南 德宏 678400； 3.龍泉瑞垟二級水電站有限公司，浙江 龍泉 323700）

1 水輪機效率對比的意義

水輪發電機組在各個水頭工況下的運行效率值、耗水率等是開展機組優化運行分析的重要依據。以往大多數情況下都粗放地依靠運行管理人員的經驗決定機組的運行方式、負荷增減，如果能夠準確地測量機組發電時的瞬時流量、水頭、功率等關鍵數據并對其進行分析計算，就能得出水輪發電機組任一時刻的最高效率、最小耗水率的運行方式，從而達到優化運行的目的。

本文以深能水電浙江分區瑞垟二級電站為試點，分析采用超聲波監測技術對機組瞬時流量數據進行監測記錄，計算各個特征水位（水頭）下單機運行、并列運行時的機組效率，繪制機組的運行特性曲線，最終編制電站的優化運行方案表，指導電站日常發電，實現優化運行。實踐成熟后在浙江分區各電站推而廣之，在現有的硬件條件下挖掘更大的經濟效益，從而實現分區整體優化運行水平的提升。

2 效率差異監測方法

（1）試點電站工程概況

瑞垟二級水電站水庫集雨面積163 km2，砼面板堆石壩，側堰自溢流，正常蓄水位535 m，死水位498 m。裝機容量2×16 MW，水輪機型號：HL-LJ-132，水輪機中心高程365.5 m，設計尾水位366.37 m，設計水頭140 m。

（2）監測原理及計算方法

機組運行效率和發電耗水率數據的得出，主要是通過監測設備測量采集機組在某一工況運行下的流量、功率、水頭，再根據水輪機的出力公式得出:

機組運行效率（%）η=1 000×P/9.81HQ

發電耗水率（m3/kW·h)k=3 600×Q/(1 000×P)

式中：P—輸出功率；Q—流量；H—水頭

公式中機組的輸出功率（P）和水頭（H）數據，從電站原有的計算機監控系統中通過網口通信采集獲得。

2.1 流量（Q）的測量

流量（Q）數據通過安裝流量計測量獲得。流量（Q）的測量精度對機組運行效率和發電耗水率的計算影響較大，所以要盡可能保證其測量精度。

超聲波測流是目前國際上先進的流量測量技術。它采用時差法測流，即依據聲波在水中通過受水流速度影響時差不等，根據時差計算出流速和流量。

為了提高流量（Q）的測量精確度，瑞垟二級電站引進安裝了一套四聲路超聲波流量計。流量計安裝位置位于機前閥前部直管段，同時在中控室再安裝一臺機組耗水率統計分析系統服務器，服務器從超聲波流量計獲得實時流量（Q）數據，實時顯示并形成數據曲線。

2.2 測量結果及特性曲線繪制

瑞垟二級電站正常運行水位在505～535 m之間，出力正?？刂圃陬~定功率的85%～110%，（水位較低時工況較差，不測量高出力的效率數據）每隔5 m水位選取一個監測點，在相同條件下，分別對1號機組和2號機組進行流量測量和效率、耗水率計算匯總見表1。繪制出在各特征水位下機組性能特性曲線（單機運行），見圖1～圖7所示。

表1 瑞垟二級電站特征水位下機組的流量、效率數據表（單機運行）

圖1 瑞垟二級電站機組功率效率特性曲線（上游水位535 m）

圖7 瑞垟二級電站機組功率效率特性曲線（上游水位505 m）

3 優化運行方案編制

根據所測數據可以對應出各測點水位下，兩臺機組的“最高效點”，所對應的負荷即為最高效率負荷，結果如表2所示。

表2 瑞垟二級電站測試水位下機組最高效率負荷（單機運行）

由于瑞垟二級水庫大壩屬于自溢流水庫，防汛抗洪任務輕，在滿足服從電力系統平衡和電力調度的前提下（包括在調度沒有無功負荷要求時，在保證機組靜態穩定前提下，盡可能提高功率因數運行），在保證峰谷比的基礎上，依據水電站發電量最大化、耗水率最小化的原則，基于單機運行、并列運行時測量所得數據和對其的分析，制定相應的優化運行方式如表3。（并列運行的效率數據依據上述同樣方法測量計算得出，限于篇幅未列入本文）

表3 瑞垟二級電站優化運行方案表

4 應用實例分析

當上游水位為525 m時，峰電時段調度令站里開一臺機組，則優先考慮開1號機組（因為該水位下1號機最高效率為91.77%相對應負荷16 MW、耗水率為2.53 m3/kW·h，2號機最高效率為90.9%，耗水率為2.55 m3/kW·h）帶最高效率點負荷16 MW，并在保證機組靜態穩定的前提下，盡量提高功率因數角運行;若調度令開兩臺機組時，則1號機組設置負荷16 MW，2號機組設置負荷16 MW，此時綜合效率為91.34%，綜合耗水率2.535 m3/kW·h，總過流量21.91 m3/s 。525 m水位時該運行方式耗水率最小，綜合效率最高，經濟效益最大。

5 經濟效益提升對比

根據瑞垟二級電站2020年月度水情報表可知：2020年度來水總量16 746.7萬m3，發電量6 133.98萬kW·h，發電耗水率2.73 m3/kW·h。

在同樣的水庫控運條件下，對機組都保持最高效率工況點運行和實際運行情況作發電量比較列于表4。

表4 經濟效益分析表

圖2 瑞垟二級電站機組功率效率特性曲線（上游水位530 m）

圖3 瑞垟二級電站機組功率效率特性曲線（上游水位525 m）

圖4 瑞垟二級電站機組功率效率特性曲線（上游水位520 m）

圖5 瑞垟二級電站機組功率效率特性曲線（上游水位515 m）

圖6 瑞垟二級電站機組功率效率特性曲線（上游水位510 m）

通過水情日報表查詢出瑞垟二級電站2020年逐月發電日的平均水位；根據表3查詢逐月發電日平均水位下的最高效率工況運行時的最小平均耗水率；根據實際發電的耗水量，得到“最高效率工況下能產生的發電量”。

2020年實際發電量為6 133.98萬kW·h，在相同的水庫控運條件下，實際發電所消耗的水量如果在最高效率工況下運行能產生6 276.07萬kW·h的電量，較實際電量多142.09萬kW·h。根據瑞垟二級電站2020年的峰谷比數據計算，可以增加經濟收入約70萬元。