水電機組適應寬負荷運行的效率分析方法

馬 伊 洋,王 現 勛,董 得 福,姚 華 明,4,5

(1.長江大學 油氣地球化學與環境湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430100; 2.長江大學 資源與環境學院,湖北 武漢 430100; 3.黃河上游水電開發有限責任公司,青海 西寧 810001; 4.中國長江電力股份有限公司,湖北 宜昌 443000; 5.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室,湖北 宜昌 443000)

0 引 言

為實現“碳達峰、碳中和”愿景目標,提升風、光等新能源的利用率,水風光多能互補相較于傳統水電已成為我國水電站的發電新模式之一[1-2]。然而風、光出力有明顯的隨機性、間歇性和波動性,致使消納風光電時水電出力頻繁變動[3],難以維持在高效運行區,從而導致水電機組效率顯著降低。近些年,部分研究提出了寬負荷穩定運行的要求,通過技術改造[4],可一定程度上擴大機組高效運行區以達到適應寬負荷運行的目的,進而提升水電補償調節新能源時的運行效率。

現有研究對于水電如何在水風光多能互補中發揮補償調節作用[5]、穩定電力系統[6]、優化互補調度[7]等方面已經做了較為深入的研究。在水電機組調峰能力分析上,王若谷等[8]分析了水電調峰成本組成,進而給出了水電調峰補償的測算方法;魏明奎等[9]在考慮風光不確定性的背景下,提出了梯級電站與風光電站協調調峰的優化運行策略。在水電機組效率研究方面,簡新平等[10]通過一系列分析求證,發現機組攔污柵阻塞以及蝸殼內雜物等使得水電機組的效率下降,影響了水電企業的經濟效益,甚至造成安全隱患;齊帥等[11]探討了水風光打捆模式下汛期和枯期分別對水電機組效率的影響以及規律,指出汛期水電機組效率會隨裝機規模的增加而呈先升后降的趨勢。王浩等[12]對水輪機效率進行了實驗研究,得到了水輪機相對效率和絕對效率曲線。王向龍等[13]針對中高水頭對機組振動的影響,定義了水輪機的健康運行區域,測算了耗水率,找出了不同時段最經濟的運行方式。在機組改造分析上,雷恒等[14]基于CFD三維仿真對比分析了不同工況下的流場,通過不同指標模擬對比了改造前后的水輪機性能,改造后水輪機效率平均提升6%～8%;張軍智等[15]針對李家峽水電站水輪機改造工程,分析了水輪機裂紋的成因以及全負荷運行的設計關鍵點等問題,運用水輪機改造技術將高效運行區擴大并下移,提高了綜合運行效率;馮凱等[16]將CFD數值模擬和理論分析相結合,對水輪機相關部件進行優化,實現了具有更加寬廣的穩定運行范圍;王振營等[17]針對寬負荷運行理念,提出了一種新的轉輪分瓣方法,保證了轉輪的水力性能,同時也節約了制造成本。在機組運行分析上,張東勝等[18]通過對李家峽水電站雙排布置機組進行模型試驗、現場穩定性實驗以及實際運行檢測數據的收集,針對雙排布置機組的特性,進行了不同負荷情況下的尾水管壓力脈動分析,結果表明,不同的負荷對機組間的性能影響是很大的,這種布置形式改善了上游排機組尾水管的水力特性,但對下游排機組尾水管的壓力脈動影響較大;李勇[19]針對水輪機參數及結構,對李家峽水電站4臺機組頻繁出現轉輪裂紋的現象以及發電機振源進行了分析,經現場驗證,提出了一些有力措施,減少了機組振動,提高了穩定性;李忠桃[20]從葉片的設計、工藝、材質、工作環境等方面,對裂紋原因進行了分析,提出了解決裂紋問題的幾點措施;胡定輝等[21]針對葛洲壩兩臺水電機組進行試驗檢測,并結合維修記錄、機組運行日志、技改資料等,對機組運行狀況及安全穩定性進行了評估,總結了出現的問題,提出了機組應盡快更新改造的相關建議。

上述文獻分別在水電調節風光和水電機組效率、水輪機改造等方向有較多研究,而對于水、風、光互補背景下機組適應寬負荷運行改造后所帶來的水電機組效率提升僅有總量上的描述,較少對機組效率的提升進行更加細致的研究。分析水輪機改造對水電機組效率的影響因素、量化改造前后的效率變化,有助于明確水電與風電和光電聯合運行對水電的影響。本文首先介紹水輪機加權效率計算方法并給出詳細步驟,而后以李家峽水電站為例,對改造前后水輪機的效率變化及其變化原因進行了分析,以期為水電與風電和光電聯合運行模式下場內經濟運行和水電機組改造提供參考。

1 加權平均效率計算方法

根據國家標準GB/T 15468-2020《水輪機基本技術條件》[22]和國際電工委員會的IEC 60193《水輪機模型驗收試驗國際規程》以及《水輪機現場驗收試驗國際規程》,水輪機加權平均效率的計算公式為

(1)

式中:ηi為不同水頭和出力工況下水輪機效率,wi為對應水頭和出力情況下的負荷歷時或者電能加權因子。

1.1 加權因子

本文采用基于數理統計模型的負荷歷時加權因子[23],定量分析水輪機的實際運行效率。根據水電站實際運行數據,把水頭和出力劃分成等間距區間,然后統計每個水頭與出力區間組合的樣本數,將其與總樣本數的比值作為機組在不同出力水頭區間的加權因子。具體計算過程如下:

根據水電站實際運行水頭情況,將水頭劃分為m個等間距的區間,分別為[Hmin,H1],(H1,H2],…,(Hi-1,Hi],…,(Hm-1,Hmax]。同樣地,將出力劃分為n個等間距的區間,分別為[Nmin,N1],(N1,N2]…(Nj-1,Nj],…,(Nn-1,Nmax]。將水頭和流量區間進行組合,最終得到m×n個分區,統計某運行時間段內,位于每個分區的樣本個數,得到樣本集S:

(2)

將每個分區的樣本個數Sij與樣本總數相除,得到每個分區的百分比即為該分區的加權因子wij:

(3)

式中:Sij、wij分別為第i行第j列分區的樣本個數和加權因子值。

1.2 加權平均效率

為了更加細致分析水輪機效率,基于每個分區的加權因子,本文定義將每個分區的加權因子和對應的分區平均效率ηij相乘記為各個分區帶有權重的加權分區效率Eij(加權分區效率反映了該分區的權重以及效率,水輪機加權分區效率的變化可觀察出水輪機效率的變化本質),最后將加權分區效率求和可得到該水輪機的加權平均效率ηw,其計算流程如圖1所示。水輪機的分區平均效率、加權分區效率、加權平均效率的計算公式分別為

圖1 加權平均效率計算流程Fig.1 Calculation process of weighted average efficiency

(4)

Eij=wijηij

(5)

(6)

式中:ηij為第i行第j列即水頭出力為(Hi-1,Hi],(Nj-1,Nj]分區對應的中心點的效率代替為該分區的效率;Eij為第i行第j列分區的加權分區效率。

2 實例研究

2.1 水電站概況

本文以中國西北地區黃河上游的李家峽水電站為例展開實例分析。該水電站水庫正常蓄水位2 180 m,正常死水位2 178 m,極限死水位2 160 m,調節庫容0.60億m3。水電站設計安裝5臺混流式水輪發電機組(現裝機4臺),單機容量400 MW,總裝機容量2 000 MW,現裝機1 600 MW,多年平均發電量約60.63億kW·h,為日、周調節水庫,在系統中擔任調峰、調頻、補償調節新能源等任務。

2.2 機組改造情況

為更好適應補償調節風、光出力的現狀,解決水輪機轉輪裂痕問題,滿足水電機組寬負荷運行的要求,該水電站3號水輪機于2019年10月30日至2020年6月9日進行了改造。改造后的水輪機由哈爾濱電機廠研發制造,額定水頭125 m,額定出力408.2 MW,額定轉速125 r/min。本次研究采用2017～2021年水電站歷史運行資料,如表1所列。為便于分析計算,本文將數據時間粒度統一為1 h。

表1 李家峽水電站歷史運行數據特征Tab.1 Characteristics of historical operation data of Lijiaxia Hydropower Station

水輪機綜合運轉特性曲線是以發電水頭、出力為橫、縱坐標軸繪制的若干組等值曲線,主要包括等效率曲線、出力限制線等一系列特征曲線。本文基于改造前后的水輪機綜合運轉曲線提取了對應的水輪機出力-水頭-效率關系。水輪機在設計之初(即改造前)綜合考慮振動區、出力大小以及效率等因素,將150 MW作為繪制的起始出力。為了同區間對比改造前后差異,本文針對改造后水輪機出力-水頭-效率關系同樣也只截取150 MW以上的區間進行分析。改造前后水輪機出力-水頭-效率關系如圖2所示。

圖2 3號水輪機改造前后出力-水頭-效率三維圖Fig.2 3D diagram of output-water head-efficiency before and after the upgrade of No.3 hydraulic turbine

3 結果與討論

3.1 水輪機特性曲線分析

為了便于對比,下文將改造前后的水輪機特性曲線做了二維化處理,將水輪機效率投影至以水頭和出力為直角坐標系的平面,即得到3號水輪機改造前后水輪機出力-水頭-效率平面圖,如圖3所示。同時為量化分析改造前后水輪機效率的變化,將對應水頭及流量下改造前與改造后的效率差作為對象,繪制了3號水輪機改造前后的效率差值分布圖,如圖4所示。

圖3 3號水輪機改造前后出力-水頭-效率平面圖Fig.3 Diagram of output-waterhead-efficiency before and after the upgrade No.3 hydraulic turbine

圖4 3號水輪機改造前后效率差值分布Fig.4 Diagram of the efficiency difference before and after the upgrade of No.3 hydraulic turbine

由圖3和圖4可知,改造前后水輪機綜合運轉特性有較明顯差異。改造前水輪機效率隨著出力的增加而增加,效率最低為81.00%(圖3(a)左上角),最高為92.90%(圖3(a)右下角),高效運行區處在出力接近額定出力(400 MW)區域。而改造后水輪機效率隨出力有明顯的先增后減趨勢,效率最低為84%(如圖3(b)左上角),最高為96.20%(如圖3(b)中部),高效運行區下移至170～350 MW區域。二者對比而言,改造后大部分區域效率明顯高于改造前,出力為250～260 MW、水頭為133～134 m時效率提升最大,約9.95%,僅在出力為310～400 MW、水頭為110～130 m的區域有所降低,出力為390～400 MW、水頭為117～118 m時效率降低最大,僅約6.01%。

經改造,水輪機在150 MW以上區域大部分的效率有明顯增加,改造使得高效運行區面積增大,且向低出力方向移動。由于近些年來水電消納風光等新能源的負擔日益加重,使得運行工況頻繁變動,從此前的長期穩定運行在高出力區間(出力變幅較窄)的運行狀態轉變為如今的適應風光強隨機、大幅度波動平抑需求(出力變幅較寬)的運行狀態。單從水輪機特性方面考慮,本次改造更加適應風、光等新能源高占比現狀下的水電寬負荷運行形勢。

3.2 加權平均效率分析

3.2.1改造前后加權平均效率

根據式(4)求得150 MW以上出力區間改造前加權平均效率為89.37%,改造效率提升到92.98%。

改造前后加權平均效率提升了3.61%,改造對水輪機效率提升較為可觀。水輪機效率的提升可直接減少水電機組發電過程的能量轉換損失,提升水能利用效率,且隨著時間的推移其累計效益將愈發顯著。

下文將詳細從加權因子以及加權分區效率兩方面分析和討論改造后效率增加的具體原因。

3.2.2改造前后加權因子

水輪機特性曲線可從水輪機性能方面說明改造的效果,基于實際運行數據的統計分析更能說明水輪機改造帶來的實際效益。在實際運行過程中,加權因子能精確反映水電機組的運行工況。改造前后的加權因子如圖5所示。

圖5 3號機組改造前后加權因子Fig.5 Weighted factor before and after the upgrade of No.3 hydraulic turbine

從水頭來看,改造前運行區水頭主要集中在120～132 m之間,同一出力區間最小水頭變幅為9 m,最大水頭變幅為15 m,平均水頭變幅為13.28 m;改造后運行區主要集中在122～127 m之間,同一出力區間最小水頭變幅為8 m,最大水頭變幅為14 m,平均水頭變幅為11.54 m,改造后相較于改造前運行水頭更加集中,水頭變幅更小。

從出力來看,改造前機組主要集中運行在3個出力區間,220～260 MW、290～310 MW、390～400 MW,改造后則主要運行在230～260 MW、300～310 MW、400～410 MW 3個區間。改造后3個主要出力區間均有不同程度上移,其原因可能是改造前后機組的額定出力發生了改變(由改造前的400 MW提升至408.2 MW),致使整體運行區間上移。然而,結合改造后水輪機水頭-出力-效率平面圖來看,向高出力區間移動使效率反而有一定下降,前述變動未充分發揮機組改造后寬負荷、高效率的優勢,建議在保證全場出力不變的情況下,3號機組盡量保持在170～350 MW的高效率區間運行,承擔調峰調頻主要任務,而其他機組盡量保持高出力運行,有助于水電站整體高效運行。

3.2.3改造前后加權分區效率

改造前后的加權分區效率如圖6所示。從水頭來看(圖6(a)),改造前加權分區效率大致呈拋物線狀,3個極值點及其水頭區間從大到小依次為:0.11(124～125 m)、0.10(128～129 m)、0.04(119～120 m),最大值為0.11(124～125 m)。改造后加權分區效率雖亦呈拋物線狀,但最大值及其水頭區間為:0.15(126～127 m),最大值從0.11提升至0.15,區間從124～125 m上移至126～127 m,改造后124 m以下以及130 m以上區間加權分區效率低于改造前,在124～130 m區間則大于改造前。上述現象表明改造后效率構成向高水頭方向推移,其原因可能是由于新能源占比進一步增加,水電出力減少發電水頭抬升所致。

圖6 3號機組改造前后不同角度加權分區效率Fig.6 Weighted zoning efficiency before and after the upgrade of No.3 hydraulic turbine from different views

從出力來看(圖6(b)),改造前后加權分區效率主要集中在3個區間,改造前后其加權分區效率主要區間如表2所列。改造前從大到小依次為:30.55%(390～400 MW)、7.28%(290～300 MW)、6.64%(220～230 MW)。改造后依次為:32.68%(400～410 MW)、10.18%(300～310 MW)、4.91%(220～240 MW)。改造后對應加權分區效率提升分別為2.13%、2.9%、-1.73%。改造前后加權平均效率構成主要來源于3個出力區間,且改造后3個區間向較高出力方向移動。

表2 出力角度的主要區間加權分區效率Tab.2 Efficiency of weighted partition for main intervals from output angles

4 結 論

本文基于加權因子的水輪機效率計算方法,提出了水電機組適應寬負荷運行的效率分析方法,以李家峽水電站3號機組適應寬負荷運行改造前后進行了算例分析,主要得出以下結論:

(1) 該效率方法可以準確細致地量化改造前后的效率變化,同時對于機組運行工況等影響因素,也可以更加細致地反映機組效率的變化原因,為機組高效運行提供改進的方向。

(2) 在水電寬負荷運行的大背景下,機組改造是必要的,但如何發揮改造后機組的寬負荷運行特性還需要根據運行情況進行具體分析,以達到提升運行效率的目的。

本文僅考慮了運行工況對機組效率的影響,未考慮機組穩定性和機組效率的相互關系,此部分內容亟待開展更為深入全面的研究。