基于两级调度模式下的大型水电站优化运行分析

李民希

（二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000）

1 概述

桐子林电站和二滩水电站同属于二滩水力发电厂管理。桐子林水库2015 年年中进行了蓄水，10 月、11 月，桐子林电站1 号、2 号、3 号机组分别投产发电，2016 年3 月桐子林电站4 号机组投产，截止目前桐子林电站已投产运行3 年。由于桐子林水电站为日调节水库且机组为轴流转桨式，单机发电流量很大，因此上游水位变化很大，从而导致了上游的二滩水电站尾水位发生了变化，对二滩水电站枯平期经济运行造成了影响。此外，二滩水电站在今年起调度关系由四川省调转变为国调西南分调直接调度，形成了“一厂两站、两级调度”的调控模式，为二滩和桐子林电站在枯平期的联合运行带来了巨大挑战。

2 经济运行指标

经济运行是指通过加强安全生产管理、提高设备可靠性、优化电站机组负荷分配，实现枯平期（1～5月及11～12 月）降低耗水率，以充分利用水能资源达到最大限度增发电量目的。经济运行指标主要考虑机组稳定运行（即机组可利用系数）和发电效益两部分共同决定。发电厂发电效益就等于总发电量与电价的乘积。

3 下游电站运行对上游电站的影响

3.1 桐子林水电站水库水位抬升对二滩水电站机组耗水率的影响

2018 年1 月2 日～12 日期间二滩电站负荷相对固定，负荷因素对尾水位的影响较小，提取了该期间每个整点的相关数据绘制二滩水电站尾水位与桐子林水电站坝前水位关系图。

图1 二滩水电站尾水位与桐子林水电站坝前水位关系

由图1 可看出，当二滩水电站机组总负荷不变时，桐子林水电站坝前水位的变化，会引起二滩水电站尾水位的同向变化，当前负荷下桐子林水库水位上涨1 m 会导致二滩水电站尾水位同步上涨接近1 m。因此，在上游水位不变情况下，桐子林水电站水库水位抬升必然导致二滩水电站机组实际运行水头降低。

根据水轮发电机组流量公式：

其中：Q 为水轮机流量；P 水轮发电机出力；H水头；η1水轮机效率；η2发电机效率。

可得，在发电出力一定的情况下，机组流量与机组的水头成反比关系。所以随着桐子林水电站坝前水位的升高，二滩水电站尾水位将随之升高，机组水头降低，机组耗水率同步增加。在枯水期川内来水普遍减少的自然规律下，耗水率指标的上升，不利于二滩水电站水能资源的高效利用，同时降低了二滩水电站电力生产的竞争力。

3.2 尾水位抬升对二滩水电站机组运行特性的影响

水轮机运转特性曲线是表示水轮机水头、流量、出力和效率之间相互关系的曲线，是选择水轮机及分析最优工作位置的依据，它对水电站如何合理放水、提高机组效率和减少单位电能耗水率起着指导作用，对水库合理调度、提高水电站经济效益有其重要意义。

二滩水电站尾水位抬升后，二滩水电站机组实际运行水头低于设计运行水头，设计水头线下移，将对机组运行特性带来一定的变化，其影响主要是，相同坝前水位时，机组实际运行水头降低，随着水库水位的消落，机组将提前进入限制出力运行区域（由图2 可知，水头在160 m 及以上时，机组可以满发），导致全站发电能力降低。

3.3 桐子林水电站水位抬升对二滩水电站机组振动的影响

水轮机偏离最优工况运行时，转轮出口水流的绝对速度将产生一个圆周分量，尾水管内的旋转流速由管壁到中心逐渐增大，在尾水管内形成了真空涡带。涡带以一定的频率在尾水管内旋转，其中心的真空带周期性地扫射尾水管壁的四周，产生周期性的压力波动，引起机组强烈振动，发出撞击声。

水轮机振动的诱发因素中，尾水管涡带压力脉动是不可忽略的因素。立式混流式水轮机尾水管压力脉动，在部分负荷时尤为强烈。当发生尾水管压力脉动时，机组各部位振动摆度明显增大，在发电机层能听到涡带撞击尾水管壁时发出的轰隆声，在尾水管附近可听到水流的冲击声；蜗壳压力表和顶盖压力表指针摆动程度随机组振动增大而明显增大。

图2 二滩水电站1 F 运转特性曲线

为了避免尾水管涡带压力脉动，二滩水电站机组尾水管补气方式采用大轴中心补气管自然补气。这种补气的方式，破坏了尾水管内形成的真空涡带，避免了机组在受尾水管涡带压力脉动影响而造成的振动损伤。

当尾水水位上升较大时，水轮机组尾水管内压力较一般情况要高，使用目前的自然补气方式补气时，可能满足不了破坏尾水管内真空涡带的补气量需求[1]。所以当尾水水位上升时，尾水管涡带压力脉动引起的机组振动需要特别的留意。但是由于二滩水电站尾水位变化幅度相对较小，所以尾水位导致的机组振动变化情况相对不大。另外根据2016年QC 报告《二滩水电站机组振动情况分析》结论，在非振动区运行时，尾水位升高和降低不会直接导致机组振动加剧或较小，尾水位变化导致机组水头变化，水头变化会影响机组振动。总之，桐子林水电站水位抬升对二滩水电站机组在非振动区运行时振动影响不大。

但是由于机组实际运行振动区间会随着机组实际运行水头降低而变化，尤其是振动区边界定值可能发生变化，机组在振动区边界运行时，可能会出现振动偏大的情况，这就需要运行人员重点关注机组运行状态，并做到及时进行调整。所以，桐子林水电站水位抬升对二滩水电站机组在振动区边界运行时振动仍有待继续观察。

3.4 桐子林水电站水库水位抬升对二滩水电站机组空蚀的影响

水轮发电机过流部件的空蚀现象是对机组正常运行的重大危害。控制过流部件，尤其是转轮叶片的空蚀程度，有利于机组的长周期安全运行。水轮机组的空蚀类型主要有翼型空蚀、间隙空蚀、空腔空蚀和局部空蚀，对于混流式水轮发电机组而言主要为翼型空蚀。为了避免翼型空蚀的发生，根据流体力学原理，有效的方法就是降低机组的吸出高度[2-3]。机组的吸出高度一般是指，水轮机安装在下游尾水水位以上（或以下）的高度。机组吸出高度计算公式为：HS=ΔA-Δw；

其中，ΔA为水轮机安装高程，ΔW为尾水位高程。在二滩水电站，由于尾水位比机组安装高程要高，所以机组正常运行时的吸出高度为负值。机组设计的吸出高度为-8.4 m。

在机组安装高程固定的情况下，尾水水位直接影响着机组的吸出高度。吸出高度越小，亦即安装高程越低或尾水水位越高，水轮机越不易发生空蚀。所以，从空蚀防护的角度看，运行尾水水位抬高对机组是有利的。

3.5 桐子林水电站水位抬升对二滩水电站机组集电环室内补气管道结露的影响

二滩水电站机组尾水管补气方式采用大轴中心补气管自然补气。补气管道为金属部件，且与自然河流水接触，能较快地传递热量。

若机组处于停机状态，根据U 型管原理，尾水将倒灌充满机组大轴补气管以及大轴补气头。当尾水温度较低时，也必将会导致管道外壁温度降低。当与大轴补气管及集水盆表面接触的空气温度下降到露点温度后，将在管道表面产生冷凝水。其中露点温度与环境温度和相对湿度关系密切，环境温度一定时，相对湿度越大，露点温度则越高；相对湿度一定时，环境温度越高，露点温度则越高。

当二滩水电站机组尾水位随桐子林水电站水位抬升靠近大轴补气管水平段高程后，将会有更多的管道与尾水接触，导致补气管道的冷却程度增加，在同等相对湿度下管道表面温度有更大的可能下降到露点温度以下，增加了补气管道结露的概率。

补气管道表面的冷凝水将会对发电机的电气部件造成绝缘威胁。对于集电环室而言，若冷凝水水量较多，沿机械结构渗漏后将落到发电机励磁回路上，使其绝缘下降，严重时会引起转子接地保护动作。所以，从绝缘防护的角度看，运行尾水水位抬高对机组是不利的。

3.6 尾水位抬升，对二滩电站地下厂房设备设施跑水漏水安全风险带来的影响

目前，二滩水电站4 号机尾水管进人门处漏水、4 号机顶盖自流排水孔堵塞和6 号机大轴补气头水平段阀门6256 轻微渗水等问题仍未彻底处理。二滩水电站尾水位抬升后，尾水调压室水位和水垫塘水位随之抬升，发电机补气头、滑环室、风洞、母线洞和安装间保护室墙体、地下厂房各排水沟、蜗壳和尾水管人孔门等部位跑水漏水风险增加，通过图3 分析渗漏集水井水位与坝后水位的关系可得印证。

图3 渗漏采水井水位与坝后水位关系

与图3 中2 月13 日后面数据对比可以看出，2 月13 日前的坝后水位（灰线）较高，渗漏集水井水位（黑线）变化密度大，即是渗漏排水泵启停较为频繁，说明渗漏跑水来水较多。所以当尾水位抬升后，地下厂房设备设施跑水漏水安全风险将不可避免的有所增加。

特别是汛期大发电期间，二滩水电站若采取坝身泄洪，尾水位将轻易达到1 019 m，此时更应加强对以上易漏水部位的巡检力度和频次，密切关注尾水位的变化、气象信息等情况。

3.7 水垫塘检修时，桐子林水电站水位抬升对二滩水电站机组出力的影响

据检修计划安排，水垫塘每3 年检修一次，抽水工期约为4 个月。期间为确保水垫塘工作人员、设备安全，须保证二滩水电站坝后水位不超过二道坝高程（1 015.00 m）。

2015 年期间为确保水垫塘检修工作正常开展，曾做过如下分析。为确定不同桐子林水电站水库水位下，二滩水电站坝后水位1 015 m 以下时的发电负荷，提取了监控系统上二滩水电站坝后水位、二滩水电站有功功率、桐子林水电站坝前水位进行分析。典型数据见表1。

表1 负荷、水位典型数据

从表1 数据可知，以下几种情况可以让二滩坝后水位控制在1 015 m 以下：

（1）当桐子林电站坝前水位运行在1 010～1 011 m区间时，二滩负荷控制在2 400 MW 以下；

（2）当桐子林电站坝前水位运行在1 011～1 013 m区间时，二滩负荷控制在2 200 MW 以下；

（3）当桐子林电站坝前水位运行在1 014 m 以上，估算二滩负荷控制在2 000 MW 以下。

通过上述分析可知，桐子林水库水位不到1 015 m 时，水垫塘检修已很大程度限制了二滩水电站的发电出力。近期，由于要求桐子林水电站坝前水位尽可能在1 014 m 以上运行，导致二滩尾水位长期在1 015 m 以上（见表2），最高达1 016.71 m。若此种情况下水垫塘抽水检修，桐子林水电站水位抬升将严重限制二滩水电站的总出力，给二滩水电站的生产带来较大的经济损失。

表2 近期负荷、水位数据

4 应对措施

综合上述分析，桐子林水电站水库水位抬升对二滩水电站机组运行的影响是多方面的，有利有弊。从运行工作出发，应该科学制定运行策略，趋利避害，为二滩水电站机组安全运行做好充足的准备。

4.1 经济性方面应对措施

为提高二滩水电站经济稳定运行，主要从降低机组耗水率这一核心问题出发，提出以下策略：

（1）合理调度水库，实现二滩电站与桐子林电站的联合调度，降低桐子林上游水位使二滩机组尽可能保持高水头运行，降低耗水率。在条件允许时，水头高时宜多发电，水头低时宜少发。

（2）合理安排机组运行组合方式，对称开起机组，使1 号、2 号尾调室水位尽量保持平衡，降低机组耗水率。

（3）现阶段由电站侧进行全厂的负荷调整与分配，在厂站侧AGC 启用自动优化负荷分配的基础上，当出现全厂负荷较小或负荷不可分配时，积极采取申请停机、调整机组负荷等方式让并网机组带大负荷运行，避免在低负荷区运行，保证机组长时间在最优工况下运行。

4.2 生产管理方面应对措施

（1）加强设备巡查，尤其是转子以上设备设施，若存在“跑、冒、漏、滴”现象，应及时汇报。

（2）加强尾水位以下设备设施检修维护和风险分析，重点排查并整治可能存在的跑水、漏水、渗漏水量增加带来的安全隐患。

（3）对易产生冷凝水的集水盆、补气管等部位加装保温材料，对于未加装保温材料的机组，需定期进入集电环室检查冷凝水情况。

（4）尽快启动二道坝加高项目，减少桐子林水电站水位抬升对二滩水电站总负荷的限制。

（5）合理安排二滩水电站机组开停机，使机组尽可能满发或带大负荷，尽量在振动区以上运行，极力避免在低负荷区运行，保证机组长时间在较优工况下运行。重点关注机组运行方式，尤其是振动区间定值变化，必要时进行优化调整，避开振动区附近运行。

（6）机组停机备用时间不宜过长，若长时间停机，定期将机组开机至空转（或打开加热器），减缓集电环室冷凝水形成。

5 结语

本文通过分析桐子林上游水位和二滩尾水位之间的关联关系，从而掌握桐子林电站机组发电后对二滩水电站机组运行的影响，通过两站联合运行和合理安排机组运行等方式提高了两站安全运行水平。