紫坪铺水电站超发电问题的探讨

黄 涛，唐跃武

(四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川 成都 610091)

1 前 言

紫坪铺水利枢纽位于四川省成都市西北约60km的岷江上游，是一座以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益的水利工程。电站总装机4×190MW，年发电量34.7亿kW·h，年利用小时数4 496h。

紫坪铺水利枢纽是集灌溉、供水、防洪、发电、环保等为一体的综合性水利工程，是举世闻名的都江堰灌区的水源工程。总库容11.12亿m3，调节库容7.74亿m3，具有不完全年调节能力。校核洪水位(P=0.02%)883.1m，正常蓄水位877.0m，防洪限制水位850.0m，死水位817.0m，尾水设计洪水位748.60m，尾水校核洪水位751.22m。

2 水轮发电机组主要参数

2.1 水轮机基本参数

水轮机净水头

最大水头

132.76m

最小水头

68.40m

额定水头

100.0m

加权平均水头

107.0m

额定转速

150r/min

最大飞逸转速

300 r/min

出力

水轮机在净水头100m时额定出力

193.9MW

水轮机在净水头110m时额定出力

214.0 MW

水轮机在最小水头68.4m时出力

102 MW

水轮机在水头128m时出力

244.4 MW

额定流量

210.01m3/s

吸出高度

-5.58 m

2.2 发电机基本参数

额定容量

217.14MVA

额定功率因素

0.875(滞后)

额定电压

13.8kV

持续最大容量

240MVA

3 水轮发电机组的超发能力

对于在大变幅水头运行的混流式水轮机，为了提高发电机在高水头满出力的导叶开度，减小进口冲角和出口流速的圆周分量，从而改善水力条件提高机组的运行稳定性和效率，一般要设计大于发电机额定出力并能长期稳定运行的发电机最大容量。

关于机组设置最大容量，早在20世纪70年代西方比较流行，当时只考虑发电机短期在最大容量运行，可以允许较高的温升极限。如美国ANSI-C50.33 1976年版本就有设置最大容量的相关规定。随着发电机制造技术的不断发展，美国ANSI-C50.12D 1982年版本已取消发电机最大容量的规定，并明确指出，如果考虑额定水头偏低，则应研究增加发电机容量的合理性，而不是提出发电机最大容量的要求。

紫坪铺水电站的最大水头/额定水头达1.32 ，最大水头与最小水头之比达1.94。如此大的变幅水头在国内少见。估算最大水头额定出力的导叶开度小于或等于60%，为了提高机组的运行稳定性和效率，故紫坪铺水电站机组设计有发电机最大容量。该最大容量为240MVA。从东电投标文件看，紫坪铺水电站机组完全能满足在最大输出容量时的长期稳定运行。该发电机最大容量和过去发电机最大容量不同，该发电机最大容量是通过不增加发电机温升、不降低发电机电气参数、不提高发电机功率因数得到的。

东电投标文件7-15：主轴具有足够的强度和刚度，能适应水轮机输出最大出力244.4MW时的扭矩传递要求，并且能在包括最大飞逸转速在内的任何转速下运行而没有有害的振动和摆动。”“导轴承设计成能承受任何运行工况(包括飞逸工况和水轮机输出最大出力244.4MW工况)时的径向负载。”

东电投标文件FJ9-1水轮发电机超发能力说明：紫坪铺发电机额定容量名义上为217.14MVA(功率因数为0.875)，并按此保证机组的性能参数。而实际上其容量为240MVA(功率因数为0.875)，且在机械强度的要求上应按240MW(功率因数为1.0)设计。

为了保证水轮发电机能满足在容量为217.14MVA(功率因数为0.875)时的各项性能参数，同时还能保证在240MVA(功率因数为0.875)时发电机的长期安全稳定运行，制造厂家采取了措施。

3.1 电磁材料的选取

为了满足发电机在最大持续输出容量240MVA时的安全运行，优化发电机的各项电磁参数降低发电机损耗，提高发电机效率，在电磁材料的选取上采用了以下措施:

(1)定子铁芯采用50W270优质冷轧硅钢片，具有低损耗、无老化、高导磁率的优点；

(2)定子线圈电磁材料选用涤纶玻璃丝烧结线，双面绝缘厚度减至0.2mm，达到国际先进水平；

(3)定子线圈采用F级高场强绝缘系统，降低定子的温升；

(4)磁极线圈采用异性铜排扁绕而成，有效降低转子线圈温升。

3.2 主要参数的选取

通过对水轮发电机在容量为217.14MVA(功率因数为0.875)和240MVA(功率因数为0.875)时分别计算和优化，使之能满足在容量为217.14MVA(功率因数为0.875)的各项性能参数，同时还保证在240MVA(功率因数为0.875)时发电机的长期安全稳定运行。发电机在两种容量下的主要电磁参数见表1。由表1可以看出，发电机在240MVA(功率因数为0.875)时各项性能参数还有一定的裕度。

表1 发电机在两种容量下的主要电磁参数

3.3 结构设计采取的措施

(1)定子机座、定子铁芯的刚度和强度设计均按容量为217.14MVA及240MVA分别计算，按短路力矩大者设计定子机座、定子铁芯以及其他相关受力部件；

(2)转子支架、转子磁轭和主轴按最大功率240MW设计验算，保证机组转动部分的安全；

(3)上机架、下机架、推力轴承、导轴承均按最大受力工况设计；

(4)发电机通风系统的风量，空气冷却器、油冷却器的容量均按机组最大损耗工况设计；

(5)提高水库水能效率的途径。

水电站在某一时段t1-t2的发电量为：

Nw=9.81ηwQH

式中Nw——水电站出力；

ηw——水电站效率(包括水轮机、发电机、变压器配电设备等效率的乘积)；

Q——发电机引用流量，包括占调节库容的流量QR和天然径流量QC；

H——发电水头。

提高水能利用率的途径有：(1)充分利用天然径流量QC；(2)在保证防洪安全的前提下，增加调节库容的流量QR；(3)充分利用落差减少水头损失；(4)减少机电设备的能量损失。兴利与防洪是水库运行的一对矛盾，妥善地解决这一矛盾即是科学合理地制定分期抬高水库汛限水位的水库运行方式。即利用(2)和(3)来增加水电站发电量效益。

分期抬高水库汛限水位的水库运行方式，即根据当地的水文气象特征将汛期划分为汛前期、主汛期、汛后期，根据不同阶段不同的水文气象特点，不同阶段设计不同的水库运行的汛限水位，逐步将主汛期的水库运行的较低水位抬高到兴利的蓄水位。我国东北、华北、华中等地的一些水库已先后实行了分期抬高水库汛限水位的水库运行方式，“分汛前、主汛、汛后3期，逐步将库水位由兴利水位降至主汛期的限制水位，再由主汛期限制水位分级提高到兴利蓄水位”。我国华南广西的岩滩水电站由于水情自动测报系统的投入使用，预报精度提高和预见期延长，现已实现汛期动态控制水位调度运行。

4 紫坪铺水电站超发电问题的研究

根据初设报告整理的紫坪铺水库年径流及水位、发电水头分布见表2。

表2 紫坪铺水库年径流及水位、发电水头分布

由前面讨论可知，紫坪铺水电站的超发电的研究，实际上就是要讨论机组水头超过额定水头时的工况。为了方便讨论并结合表2，现只对能带来明显经济效益的10、11、12、1、2、3、4月进行讨论。

4.1 紫坪铺水库的原设计运行和度汛方式

水库库容：11.12亿m3(校核洪水位以下库容)

调节库容：7.74亿m3

调洪库容：5.387亿m3(校核洪水位至汛限水位)

防洪库容：1.664亿m3(防洪高水位至汛限水位)

共用库容：4.247亿m3(正常蓄水位至汛限水位)

校核洪水位：883.1m

防洪高水位：861.6m

汛限水位：850m

正常蓄水位：877m

死水位：817m

尾水设计洪水位为748.60m，尾水校核洪水位为751.22m。

水库运行方式分为三个阶段：在汛期(6～9月)，水库在满足下游综合用水条件下保证出力发电，并尽快蓄水至850m高程汛限水位，汛期水库蓄满后基本维持在850m高程水位运行；蓄水期(10～11月)，水库由850m高程汛限水位逐渐蓄至877m高程正常蓄水位，在蓄水过程中同样满足下游综合用水和水电站出力不低于保证出力的要求；供水期(12～5月)，水库根据综合用水需要按调度图供水，水位逐渐降低。

水库度汛方式为：库水位低于防洪高水位861.6m高程时，下泄流量小于下游安全流量2 395m3/s；库水位高于防洪高水位861.6m高程时，下泄流量可大于2 395m3/s，但不超过洪峰流量；库水位超过870m高程时，开启溢洪道闸门泄洪。

4.2 紫坪铺水库暴雨及洪水特征

岷江上游威州—紫坪铺区间为暴雨多发区，暴雨中心出现在渔子溪-紫坪铺一带，是著名的川西鹿头山暴雨区的南端，暴雨集中于7～8月。近几十年来发生的大暴雨有1959年8月9～11日、1964年7月20～22日、1966年7月26～28日等场次。洪水过程历时5d左右，涨落迅速，多呈尖瘦的双峰或多峰。威州以上暴雨来水发生在6、9月，洪水过程多为矮胖的单峰或较大的复峰，涨落平缓，历时较长；威州到紫坪铺大坝河道距离78km，洪水传播时间5h。

4.3 紫坪铺水电站超发电经济效益分析

结合紫坪铺水库暴雨及洪水特征，将紫坪铺水库运行方式划分为汛前、主汛、汛后3期，汛后抬高水库汛限水位到防洪高水位861.6m运行，机组出力即可达到210MW。在水利部水规总院关于紫坪铺水利枢纽工程初设报告的批复中，也有关于抬高汛末水库运行水位的建议。

紫坪铺水电站的超发电分为汛末(9月份)的超发电量；10、11、12、1、2、3月份的超发电量；调峰超发电量。在计算中充分考虑表2各月的来水量，选取较低值的3年均量作为计算数据。

四川省电力公司已经实行峰谷电价，全天24h分为峰-平-低谷运行考核，调峰电价为1.335倍平段电价，低谷电价为0.5倍平段电价。每天7：00～11：00和19：00～23：00共8h为高峰时间。

4.3.1 汛期水库运行方式与超发电

据以上分析，紫坪铺水库汛期运行方式完全有条件实行分期抬高水库汛限水位的水库运行方式，即分汛前、主汛、汛后3期。由表2的9月份的来水量即可得到9月份的超发电量为：

6.7×16×30=3 216(万kW·h)(6.7kW为4台机组共8kW根据9月来水量折算的机组容量)

6.7×8×30×1.335=2 146(万kW·h)(将每天8h的调峰电量折算为平段电量)

4.3.2全年其他月份的超发电

由初设报告看，10、11、12、1、2月份的水头超过110m，即机组可出力到210MW(0.875)，3月份为107.5m，即机组可出力到205MW。由表2看，10月份的来水量可满足4台机在峰—平段发16h，11、12、1、2、3月份的来水量在4台机满发时小于8h，故11、12、1、2、3月份设在峰段发电。

将每天8h的调峰电量折算为平段电量为：

(8+8+5+4+3.6+1.8)( 8×1.335×30.5)=9 902(万kW·h)

10月份来水还可发8h的平段电量：

8×8×31=1 984(万kW·h)

总的超发电量为：3 216+2 146+9 902+1 984=17 248(万kW·h)。上网电价按0.3计，全年可增加纯收入5 174.4万元。

5 结束语

通过分析可以看到，紫坪铺水电站具有较大的超发电的潜力。实际上机组是可以长期稳定运行在240MVA上，电站一次设备的设计均按照240MVA设计，水库按分期抬高水库汛限水位运行完全可行。因此在制定紫坪铺水电站的运行规程时，充分考虑紫坪铺水电站机组的超发电能力，在制定紫坪铺水库的防洪度汛方案时将安全与效益作充分和科学的比较，能使电站创造更大的经济效益。