基于原型工况测验的桐子林电站机组发电用水曲线率定

董 新 亮， 何 朝 晖

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611731；2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610021)

1 桐子林电站概况

桐子林水电站位于四川省攀枝花市盐边县境内，是雅砻江下游最末一个梯级电站，电站距二滩水电站坝址18 km，距攀枝花市28 km，坝址控制集水面积12 7624 km2。桐子林水电站为河床式电站，安装4台单机容量150 MW的轴流式机组，总装机容量为600 MW。水库正常蓄水位1015m，死水位1012m，校核洪水位以下总库容0.912亿m3，水库具有日调节能力，可对二滩水电站进行反调节。

桐子林水文站为国家基本站，由四川省水文水资源勘测局于1998年1月1日设立，测站位于盐边县金河乡田村桐子林电站下游约2 km河段，下距雅砻江河口12 km，控制面积128 363 km2。

2 桐子林电站机组发电用水曲线率定的必要性

水轮发电机组(简称“机组”)是水轮机和发电机两者的合称，是在水能到电能的转换过程中最主要的动力设备。水轮机是水电站的水力原动机，当具有势能和动能的水流通过水轮机时，把水流的能量传给了水轮机转轮，促使水轮机转动，从而形成旋转的机械能。旋转的机械能又通过水轮机主轴带动发电机旋转，励磁后的发电机转子随发电机轴一起旋转，形成了一个旋转的磁场，发电机定子线圈因切割磁力线而产生电能。在水轮机调节系统和发电机励磁系统的控制下，发电机产生的电能以稳定的频率和电压输送到电力系统或电能用户。

水轮发电机组的发电用水曲线是电站运行调度的基础特征曲线，在电站的日常运行调度中直接参与电站水量平衡的分析计算及流域水情测量预报，其精度直接影响梯级电站水库调度方案制定的合理性和科学性以及水情预报成果的可靠性和准确度。

雅砻江下游锦屏一级电站、锦屏二级电站、官地电站、二滩电站、桐子林电站目前均已投产发电，因其上、下游电站之间的水力联系，各电站具有梯级联动效应，为了挖掘梯级水电生产的潜力和效益，充分利用各水库的不同水文与库容特性，提高整个梯级的发电能力，充分发挥水资源的综合利用效益，并统一组织各梯级的生产和管理，实现企业效益最大化，目前雅砻江公司按“统一调度、以水定电、出入平衡”的原则进行运行调度。

目前，桐子林电站所使用的机组发电用水曲线成果是通过水轮机模型实验数据进一步计算所得，并根据桐子林电站实际运行情况进行统计分析，原机组发电用水曲线成果(以下简称“模型实验成果”)与实际运行存在较大的误差，导致二滩、桐子林电站的出入库水量在流域上下存在不平衡现象，严重影响梯级电站群联合调度方案的科学编制。

因桐子林电站库容较小，发电用水曲线的误差会导致桐子林电站在实际运行中坝前水位无法稳定，需调度运行人员频繁联系电网调度部门协调调整发电负荷或开启泄洪闸弃水以保证水位处于规定范围，使电厂工作人员操作频繁，增大了工作量。因此，通过原型工况测验对桐子林电站进行重新率定是十分必要的。

3 机组发电用水曲线模型实验成果

机组发电耗水曲线模型试验的基础理论是相似理论，应用相似理论，可按国际电工委相关规则先对尺寸较小的模型进行实验，然后将结果进行转换。具体过程如下：

(1)建立与原型工况相似的模型实验工况，要求尽量满足几何相似、运动相似、动力相似，通过模型实验获取模型水轮机的水头、直径、流量、效率、功率等参数。

(2)利用水轮机相似定律根据原型水轮机的水头、直径推求原型工况流量、效率、功率等参数。

(3)因几何相似的模型与原型水轮机的尺寸相差甚大，表面粗糙度不同，工作介质黏度存在差异，水轮机中的液流也不是理想液体，因此两者虽在相似工况下，但水力损失是不同的，效率亦不相等。故由模型数据推算原型水轮机参数时需根据相关规范进行修正，原型、模型水轮机在相似工况下的效率应进行换算。

(4)根据修正后的原型水轮机技术参数，绘制水轮机运转综合特性曲线，如图1。

图1 桐子林电站水轮机运转特性曲线

(5)根据水轮机运转综合特性曲线中的技术参数，以及设计单位提供的水头损失、发电机效率，换算出毛水头下的机组发电耗水曲线。

4 基于原型工况实验的机组发电用水曲线率定

4.1 原型率定实验实施方案

4.1.1 原型工况方案制定[1-2]

机组发电原型工况主要包括二个方面的控制因素：出力控制和水头控制。

4.1.1.1 出力控制

出力变化范围内尽量均匀分布，不同工况出力间隔10 MW左右，须避开机组震动区。本次实验从振动区以外的80 MW至150 MW每间隔10 MW设立一个工况点。工况时段要求桐子林电站运行机组均按工况要求带负荷，采用等出力方式运行。

4.1.1.2 水头控制

水头变化范围内尽量均匀分布，本次实验从桐子林电站死水位1 012 m至正常蓄水位1 015 m每间隔1 m设立一个工况点。

4.1.2 测验方案制定

工况时段内，需对桐子林电站坝前水位、尾水水位、各机组出力、发电流量等数据进行采集，采集方式及设备见表1。其中，发电流量现场测验是实验关键环节，桐子林水文站位于桐子林电站坝址下游2 km处，区间面积较小可忽略不计，通过在桐子林电站下游的桐子林水文站进行水位、流量测验获取发电流量数据。

表1 桐子林电站发电工况原型实验数据采集方案

4.2 发电用水曲线率定

4.2.1 实验数据分析

通过记录的水头、各机组出力等运行数据及各电站发电耗水曲线模型实验成果，进行计算出各发电工况发电流量(即“查线流量”)，将其与各发电工况实测发电流量进行对比分析，见图2。由图可见，桐子林电站模型实验成果与原型实验成果有较明显差异，误差根据实验出力控制不同有所不同，范围大致为5%～15%。

图2 桐子林水电站发电工况实测流量与查线流量对比分析

4.2.2 发电耗水曲线率定

机组发电耗水曲线的模型实验成果是被国际电工委员会(IEC)承认的，在一定程度上可以反映出各种运行工况下电站水头、出力、机组效率之间的关系，其误差主要为系统误差，故采用相关关系分析法进行分析率定，基于原型观测实验数据建立各发电耗水曲线原型实验成果与模型实验成果之间的依赖关系，分析数据内在规律，进行发电用水曲线率定。见图3。

图3 桐子林水电站发电工况实测流量与查线流量相关关系

由图3可知，桐子林电站机组出力为80 MW时，实测数据比发电耗水曲线查线数据偏大约5%；机组出力90 MW时，实测数据偏大约7%；机组出力为100 MW、110 MW、120 MW、130 MW、140 MW时，实测数据偏大约10%；机组出力为150 MW时，实测数据偏大约11%。基本呈现出力越大，发电流量偏差越大特点。

5 成果检验

桐子林电站下游有桐子林水文站，其区间面积仅739 km2，在枯水期，区间流量可基本忽略不计，桐子林电站出库流量应基本与桐子林水文站流量相等。根据桐子林电站机组发电耗水曲线模型实验成果和原型实验成果，分别计算桐子林电站近期出库流量，并与桐子林电站下游的桐子林水文站同期流量成果进行比较，见图4。由图4可知：采用根据模型实验推导的机组发电用水曲线计算出的桐子林电站出库流量与桐子林水文站同期流量相差较大，这明显不符合实际。而采用根据原型工况实验率定的机组发电用水曲线计算的桐子林电站出库流量与桐子林水文站同期流量基本一致，说明基于原型工况的桐子林电站机组发电用水曲线率定成果是合理的。

6 结 论

(1)根据国内目前运行的各电站实际运行经验，水电站的实际运行参数——水轮机运转综合特性曲线、发电机效率、水头损失等均可能设计值存在一定的误差, 但因涉机械、水力、电气等诸多因素，很少有较为系统的一下就全部解决的方案，本次根据原型实验率定毛水头下机组出力对应发电流量，可以反应出各参数的综合误差，回避逐个参数率定的困难，是现阶段较为实用的方法之一。

(2)实测的发电用水曲线光滑，各工况点没有明显的离散，分布趋势基本反映了水轮发电机组的实际能量特性，因此，得到的试验数据是真实可靠的。采用基于原型工况实验率定的桐子林电站发电耗水曲线计算出的桐子林电站枯水期出库流量(未产生溢弃流量时段)与桐子林水文站同时段流量基本一致，这证明桐子林电站发电用水曲线率定成果是准确的。

(3)发电用水曲线与库容曲线、泄流曲线并称电厂运行调度的三大基础特性曲线。通过原型工况实验对发电用水曲线进行率定, 可为电厂提供更为准确的基础特性曲线，以计算出比较可靠的发电流量, 便于制定电站发电日计划及进行厂内经济运行，为水电站的经济运行及能量指标复核提供可靠的依据。