彭水水电站汛期机组出力提升研究

周奋强 燕超 彭志远

摘要：

为更好发挥彭水水电站效益并保障机组安全稳定运行，在现有机组流道尺寸不变的前提下，利用理论分析、CFD数值模拟技术和水轮机模型试验等方法，分析了彭水水电站在汛期低水头下提高机组出力和部分负荷运行稳定性的可行性方案。结果表明：通过对水轮机转轮、活动导叶等关键过流部件进行优化改造，机组发额定出力对应的最小水头可以由原来的67 m优化到63 m，能够提高汛期机组发电调峰能力，并减少电站弃水；机组安全稳定运行的水头范围由原来的52.0～81.6 m优化为44.0～81.6 m，优化后的水头变幅Hmax/Hmin高达1.855，同时水轮机在全水头、45%～100%预想出力范围内均能稳定运行。

关键词：

机组出力； 运行稳定性； 活动导叶； CFD； 水力模型试验； 彭水水电站

中图法分类号：TV734.2

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.018

文章编号：1006-0081（2023）04-0109-06

0 引 言

彭水水电站为乌江流域的第十级电站，地下厂房装设5台单机容量350 MW混流式水轮发电机组。彭水水电站具有位于窄河谷、下泄流量大、下游水位变幅大等特点，机组在运行过程中出现汛期弃水大、机组出力受阻、机组部分负荷稳定运行区域窄且存在振动区等问题。为更好发挥彭水水电站效益并保障机组安全稳定运行，本文在分析彭水水电站运行现状的基础上，对水轮机出力受阻的原因以及缩小或消除水轮机不稳定运行区进行了探索；在现有机组流道尺寸不变的前提下，采用理论分析、CFD数值模拟技术和水力模型试验研究相结合的方式，研究提升水轮机低水头出力裕度、降低机组稳定运行的最小水头等方案，以期提升机组的发电能力、拓宽机组部分负荷稳定运行范围以及运行调度能力。

1 机组运行存在的主要问题

彭水水电站最大水头（毛）81.6 m，最小水头52 m，额定水头67 m。水电站自投运以来，机组整体运行情况良好，但由于电站具有位于窄河谷、下泄流量大、下游水位变幅大等特点，目前在运行过程中存在如下主要问题。

1.1 电站汛期弃水量和受阻容量大

根据水电站防洪调度要求及水库调度运行方式，汛期库水位须在汛限水位以下运行，当水电站来水流量大于机组发电流量，库水位接近汛限水位且有上涨趋势时，水库需要弃水泄洪。在主汛期，彭水水电站全厂最大出力基本低于1 500 MW，降低了电网调峰容量，影响了电站的水量利用率。据统计分析，2017～2021年，彭水水电站运行水头低于额定水头67 m的时间共8 638 h，机组出力受阻总时间共2 555 h，平均每年511 h，占全年时间6%左右。

1.2 机组低水头稳定性有待提高

由于彭水水电站下游河谷窄、泄放量大，电站下游尾水位变幅最大达32 m，与同等水头段水电站相比较为罕见。同时，电站在大流量泄洪工况时，电站尾水位与原设计相比还存在一定壅高。因此，电站在汛期存在高尾水位、超低水头（低于原设计最小水头）的运行工况，机组各部轴承摆度、振动幅值、压力脉动均呈现恶化趋势，压力脉动超出设计标准要求，对机组的出力和安全稳定运行有较大影响。因此，根据实际运行情况，彭水水电站亟需降低最小水头。

1.3 机组部分负荷稳定运行区域窄

彭水水电站水轮发电机组在 0～200 MW 负荷区间（57%机组额定出力以下时）运行时，机组处于振动区；此外，在水头高于75 m且水轮机负荷在 240～310 MW 左右时，机组还存在一个范围较窄的高部分负荷压力脉动区域，如图 1所示。

2 机组出力提升思路

以彭水水电站的主要问题为导向，提出如下研究思路。研究思路流程见图2。

（1） 全面收集电站自投运以来的动能参数（水头、尾水位、库水位等）、电网调度情况、机组流道尺寸以及机组运行、检修、泥沙磨损情况［1-2］。

（2） 根据实际的长序列径流动能参数，初步拟定在水头62，63，64，65 m条件下机组可发额定功率350 MW的四个方案，采用专利技术“水轮机效率加权因子量化方法（专利号：ZL201310179981.6）”和“水电站动能参数分析及水轮机加权因子量化计算软件（软件著作权号：2020SR0190858）”，计算彭水水电站水轮机新转轮水力开发效率加权因子，确定彭水水电站水轮机设计水头，使装设新转轮的水轮机性能参数与电站实际动能条件达到最优匹配。

（3） 根据多目标综合条件下转轮水力参数研究成果，提出彭水水电站模型转轮水力开发技术条件和预期目标。

（4） 根据拟定的水力开发技术条件和预期目标，研制、开发模型转轮并进行水轮机模型试验研究，分析提出满足要求的水轮机能量、空化及稳定性等指标。

（5） 根据水轮机模型试验结果，完成推荐方案条件下电站发电量效益计算分析。

3 水轮机性能参数分析及模型研发

3.1 水轮机特征水头及性能参数分析

3.1.1 特征工作水頭分析

彭水电站原设计参数Hmax=81.6 m，Hmin=52 m，水头变幅Hmax/Hmin =1.569。根据投运以来的逐日实测上、下游水位及电站水头成果分析，水轮机运行的最高水头为80.4 m，极端最小水头为44.41 m。电站机组水头分布见表1。

彭水水电站水头小于50 m的概率极小，电站水头变幅大，暂定新转轮开发水轮机最小水头按50 m设计，同时要求水轮机能在44～50 m水头区间短时间稳定运行，最终根据模型试验的成果确定水轮发电机组是否能在44～50 m水头区间连续安全稳定运行，以进一步分析论证新转轮的最小工作水头。

由于彭水水电站弃水主要发生在汛期，根据机组实际运行情况，为了尽可能增加水轮机低水头的发电能力，减少弃水，需降低机组可以发额定出力对应的最小水头，以显著提高电站在汛期的发电效益。综合分析水电站投运以来实测水文径流资料，水电站汛期（5～9月）机组水头分布情况见表2。

从表2的彭水水电站投运以来汛期（5～9月）机组水头分布可以看出，汛期机组在65 m水头以上运行的时间占整个汛期时长的87.09%，在64 m水头以上运行的时间占整个汛期时长的91.99%，在63 m水头以上运行的时间占整个汛期时长的95.42%。

初步拟定机组可以发额定出力对应的最小水头分别为62，63，64，65 m四个方案，同时要求在新转轮研发时应充分考虑现有流道布置条件，在保证稳定、高效、可靠的前提下，尽可能降低机组可发额定出力对应的最小水头，以提高机组在汛期低水头下运行时的发电能力。

3.1.2 稳定运行范围分析

参照GB/T 15468—2020《水轮机基本技术条件》，同时借鉴近年来改造的白山、丰满、李家峡、龙羊峡等电站的成功经验［3-4］，考虑到彭水水电站水头变幅大，为避免机组在高水头部分负荷区出现异常振动、出力不足等问题，新转轮研发要求机组在全水头范围下45%～100%水轮机预想出力范围内均能稳定运行。

3.1.3 效率加权因子分析

根据彭水水电站投运以来实测的水能参数，采用专利技术“水轮机效率加权因子量化方法（专利号：ZL201310179981.6）”和“水电站动能参数分析及水轮机加权因子量化计算软件（软件著作权号：2020SR0190858）”计算得到彭水水电站机组可发额定出力对应的最小水头分别为62，63，64，65 m时的水轮机效率加权因子，见图3～6。可以看出，不同最小满发水头方案，水轮机效率加权因子略有不同，但权重较大区域基本集中在63～75 m水头范围。

3.1.4 模型参数分析

（1） 水轮机比转速ns及比转速系数K是表征水轮机综合技术经济水平的重要特征参数之一，应根据电站特点和机组制造水平进行综合考虑来选取，使水轮机整体参数水平达到最优。参照国内外各大型水轮机比速系数水平，以及水轮机稳定运行要求，比转速系数K值基本在2 000～2 300区间范围内变化。由于不调整水轮机额定转速和额定出力，初步拟定彭水水电站机组可发额定出力对应的最小水头为62，63，64，65 m四个方案，对应水轮机的比转速ns分别为293.7，287.9，282.3，276.8 m·kW，比速系数分别为2 312，2 285，2 258，2 232。由此可以看出，除62 m水头方案以外，其余3个方案均在统计规律范围以内。

（2） 彭水水电站在原有流道基本不变的条件下进行水轮机水力性能及机组出力提升研究，水轮机模型的开发受到原有流道的限制，且电站水头变幅大，因此在选择水轮机性能参数时，不能片面追求高参数和高水平，应在保证机组安全稳定运行的前提下确定合适的性能参数［5-7］。

根据已有电站的改造经验和目前水轮机模型的开发水平，对比彭水水电站同水头段具有代表性的模型转轮参数，本研究参照哈尔滨大电机研究所早期研究的混流式水轮机单位转速与比转速的统计关系曲线、单位流量与最大水头的统计关系曲线（图7～8），得出彭水水电站新模型转轮最优单位转速约为75 r/min，限制工况单位流量约为1.2 m3/s，最优效率不低于94.5%，限制工况效率不低于90.5%，限制工况临界空化系数不大于0.214［5-6］。

3.2 机组全流道流场CFD数值分析

由于彭水水电站水轮发电机组已投运15 a，水轮机活动导叶和固定导叶相对高度、蜗壳和尾水管的控制尺寸无法变化，导叶分布圆也无法变化。因此本次通过调整导叶翼型、厚度及转轮叶片数、叶片叶型、进出口安放角、上冠型线、下环型线等［6］提升水轮机水力性能及机组出力，本文利用内部流场CFD数值模拟技术对彭水水电站机组进行了全流道的数值模拟，对水轮机的过流部件几何尺寸进行优化，以全面提高水轮机的各项性能，通过对比计算分析水轮机各通流部件及主要运行工况，得出以下结论。

（1） 从计算各通流部件的内部压力（图9）和速度流态分布来看，新转轮在整个流道内流场分布均匀、流态良好，说明新方案转轮与其他原有的固定通流部件匹配良好。

（2） 从水轮机主要工况水力效率计算值可以看出，原方案与新方案水轮机蜗壳、固定导叶、活动导叶与尾水管的水力损失计算值相差不大，但新方案转轮的水力损失较原方案有明显改善，特别是在大流量区域，其水力效率显著优于原转轮。

（3） 新方案在大流量高单位转速区域的整体效率水平比原方案高出1%～4%，可以有效提升低水头大流量区域水轮机的出力裕度。根据初步分析预测，改造后水轮机可以发额定出力354.4 MW 的最小水头接近63 m，流量约为654 m3/s；最低水头50 m时，能发出力252 MW，流量约为584 m3/s。在高水头部分负荷区域，流场分布更加均匀、流态良好，分析预测，机组在45%～100%预期负荷下，能稳定运行。

3.3 模型试验研究

根据彭水水电站动能参数特点进行了全面的模型试验研究，先后共设计加工了多个转轮方案，进行了全面的模型試验，包括能量、出力特性、空化、压力脉动、流态观测、飞逸转速特性等主要性能试验，主要研究结论如下。

（1） 新研发转轮在规定的水头范围和导叶开度较宽广的范围内都具有较高的效率，尤其在大流量区域，具有与原转轮相比更高的效率。

（2） 原转轮在低于额定水头（67 m）时，功率受限严重。新研发的水轮机在44.0～81.6 m水头范围内均能稳定运行，在满足稳定性和空化要求的前提下能获得更大的机组功率，最大实际功率远高于原转轮，在44～67 m低水头区域，这一特征最为明显。新转轮匹配新导叶机组满出力对应的最小水头可以低至63 m，且水头低于63 m时水轮机出力裕度约为3.4%～3.9%。

（3） 在主要特征运行工况下，新研发转轮匹配新导叶的空化裕量满足相关要求，水轮机将在无空化条件下运行。

（4） 新研发转轮匹配新导叶的水轮机安全稳定运行区域均为45%Pt至100%Pt（Pt为水轮机出力）。在电站运行水头与该负荷范围内，不会在转轮叶片进口边正面与背面发生初生空化现象，转轮叶片出水边均无可见卡门涡。模型水轮机的流态特性满足相关规范的要求。

（5） 模型水轮机最大飞逸转速小于167 r/min，满足规范要求。

4 电量效益计算

彭水水电站转轮改造后可以增发的电量包括电站转轮更换后减小弃水增发电量、减小水头过低机组全停而增加机会电量、减小机组非计划停机而增加电量、增加电网调峰容量与减小火电开机增加电量等。经计算，改造后每台机组每年可以增发电量约3 201.50万kW·h。

5 结 论

本次彭水水电站机组出力提升研究结果表明，采用最新的水轮机水力开发技术，可以使电站水轮发电机组达到如下效果。

（1）机组改造后，在不改变厂房总体布置和机组结构的情况下，机组发额定出力对应的最小水头可以由原来的67 m优化到63 m，因此可以有效降低机组发额定出力的最小水头，尽量减少电站汛期弃水，并消除机组长期运行带来的安全隐患和潜在风险。

（2）机组改造后，水轮机具有较好的能量指标，且当水头在低于机组发额定出力对应的最小水头63 m时具有较大的出力裕度，能够有效提高低水头时水轮机的过水能力，汛期可以尽量多发电量。

（3）机组改造后，机组安全稳定运行的水头范围由原来的52.0～81.6 m优化为44.0～81.6 m，优化后的水头变幅Hmax/Hmin可以高达1.855，同时水轮机在全水头范围内、在45%～100%预想出力范围内均能稳定运行。因此，相对于原转轮而言，新转轮有效拓宽了机组安全运行范围并提高了可靠性，机组整体运行稳定性有了明显改善，同时减小了机组汛期非计划停机概率，延长了水轮发电机组检修周期和运行寿命，提高了水电站经济效益。

参考文献：

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（编辑：江 文）

Study on unit output improvement of Pengshui Hydropower Station in flood season

ZHOU Fenqiang1 ，YAN Chao1 ，PENG Zhiyuan2

（1.Chongqing Branch，China Datang Corporation Ltd.，Chongqing 400000，China； 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）Abstract：

In order to better play the benefits of Pengshui Hydropower Station and ensure the safe and stable operation of the unit，under the premise that the flow channel size of the existing unit was unchanged，the paper analyzed the feasibility of improving the Pengshui Hydropower Station unit output and stability of partial load operation under low head in flood season by using the comprehensive research method combining theoretical analysis，CFD numerical simulation technology and hydraulic turbine model test.The results showed that the minimum head corresponding to the rated output of the unit could be optimized from 67 m to 63 m by optimizing the critical overflow components such as turbine runner and movable guide vane，which could improve the peak load regulation capacity of the unit in flood season and reduce the discharging water of the hydropower station.The head range for safe and stable operation of the unit was optimized from 52.0～81.6 m to 44.0～81.6 m，and the optimized head amplitude Hmax/Hmin was as high as 1.855.At the same time，the turbine can operate stably in the range of full head and 45%～100% expected output.

Key words：

unit output； operational stability； hydraulic turbine guide vane； CFD； hydraulic model test； Pengshui Hydropower Station

收稿日期：

2023-03-02

作者簡介：

周奋强，男，高级工程师，主要从事水电站运行维护、故障诊断分析方面的工作。E-mail：329207409@qq.com

通信作者：

彭志远，男，工程师，硕士，主要从事水力机械设计研究。E-mail：pengzhiyuan@cjwsjy.com.cn