高坝洲电厂轴流转桨式机组汛期运行方式分析

雷若逍，邓兆东，薛 勇

（湖北省宜昌市清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

轴流转桨式机组，是一种主要由水轮机、导水机构和发电机等主要部件组成的水力发电设备。它的工作原理是通过水轮机将水能转化为机械能，进而驱动发电机产生电能。轴流转桨式机组适用于较低水头或负荷波动较大的低水头电站，与轴流定桨式机组不同，其转轮叶片可以与导叶协联调节，在调节导叶开度的同时，可按预先设定的协联关系调节桨叶的角度，以保证水轮机始终在最优工况下运行。

汛期发电时，由于发电水头的变化，轴流转桨式机组往往存在出力受限的现象，如低水头大开度运行，容易产生偏工况运行[1]。本文以高坝洲电厂水电站1 号机组（轴流转桨式机组）为例，研究汛期低水头下发电运行方式。

1 历史数据及初步分析

高坝洲电厂1 号水轮发电机为轴流转桨式机组，发电机型号为SF90－48/9500 型，水轮机型号为ZZD231－LH－580 型，由东方电机股份有限公司生产。该水电站为长江支流清江流域开发的最末一级,共有3 台容量84 MW 的轴流转桨式水轮发电机组,额定水头32.15 m,最大水头40.10 m,极限最小水头16.10 m,设计定转子气隙21 mm[2]。以2020 年水位数据为例，在汛期，受长江水位上升影响，该水电站下游尾水水位最高约47 m，最低约40 m，而上游水位较为稳定，均在78～80 m 间。如表1 所示，汛期，该水电站水头显著降低，最低时不足32 m。

表1 2020 年1 号机组发电时水库流量及水头数据

由于汛期最低水头已低于额定水头32.15 m，在该时期1 号机组已无法在额定功率下运行，导致机组运行效率、耗水量、机组摆动情况均处于不利工况。在该工况运行时，机组由于低水头的原因，出力受到限制，机组运行效率低、耗水率高。机组在低水头工况下负荷增加过程中，由于轴流转桨式水轮机的调节特性，净水头快速下降，而水头波动对机组出力、水轮机振动及机组发电经济效益等影响较大，极易造成机组出力受限，甚至会导致出力被迫下降而引发负荷波动的风险[3]。

2 发电机组运行效率

发电机的效率是指发电机输出的电功率与输入的机械功率之间的比值，该比值是衡量发电机运行性能的一个重要指标。一个水电站如果具有很高的水能利用率，同时能将产出的电能高效地输送至用户，该电站就可以获得最大的经济效益[4]。当发电机组运行效率越高时，其运行工况越佳，是汛期推荐运行区间的重要参数。在额定水头下，以1 号发电机组为例进行发电机组运行效率试验，试验结果如图1 所示。

图1 发电机组运行效率

3 发电机组耗水率

发电机组标准耗水率是指发一度电（1 kW·h）所需要的1 m3水量和1 m水头的标准水能消耗量[5]。标准耗水率指标能反映出机组的不同出力、不同发电流量、不同运行水头工况点下的运行优劣。机组耗水率与整体运行工况有关，且机组发电效率越高其耗水率越低。对于整个水电站乃至流域来说，发电过程中耗水率越低，最终产生的经济效益越高。因此，在汛期的低水头发电模式下，也应考虑耗水率指标。在额定水头下，以1 号水轮发电机组为例进行耗水率试验，试验结果如图2 所示。

图2 发电机组耗水率情况

耗水率与机组运行效率相关，当机组运行效率较高时，耗水率也处于较低水平。因此在考虑机组运行模式时，主要关注参数应为机组运行效率。

4 发电机组摆度

机组摆度是发电机组工况的代表指标之一，主要是由于水轮机的力矩和轴向水推力的波动引起的。水轮发电机组的摆动会影响设备运行状态，摆动剧烈时可能会导致上导、推力、水导等轴承轴瓦烧毁，在发电机组并网运行状态下需要尽可能地保证发电机组运行在摆动较小的负荷区间内[6]。通常，机组运行在额定功率区间内，机组的摆动往往较小，此时工况也最佳。在汛期的低水头发电模式下，水轮发电机组的摆动往往大于额定功率运行模式。因此在汛期的低水头发电模式下，应选择合适的运行方式，使机组运行在摆动较小区间内。以1号水轮发电机组为例，在水头分别取32.5 m、31.0 m、30.0 m、29.0 m 的情况下，不同负荷下对上导摆动数据统计，结果如表2 所示。

表2 不同水头下1 号机组在各负荷运行时的上导摆动情况

对不同水头下机组运行参数情况进行绘制，并对曲线进行拟合，如图3～图6 所示。

图3 水头为32.5±0.1 m 时上导摆动随负荷变化情况

图4 水头为31±0.1 m 时上导摆动随负荷变化情况

图5 水头为30±0.1 m 时上导摆动随负荷变化情况

图6 水头为29±0.1 m 时上导摆动随负荷变化情况

由图3～图6 可得，在水头相同的情况下，一定范围内，机组摆动随负荷增大而减小，越过一临界值后，机组摆动变化不大。因此，在水轮发电机组运行效率最高（查询高坝洲电厂水轮机运转特性曲线最高效率为94%）的情况下，经数据统计归纳出各低水头下推荐出力如表3 所示。

表3 低水头下推荐出力

5 结论

根据1 号机组上导摆度、负荷、水头等原始数据的相关分析，结合1 号水轮发电机组运转特性曲线、低水头时上导摆动随负荷变化情况，在汛期低水头下，根据不同的水头按照表3 低水头运行时推荐出力表安排出力，1 号机组可以运行在相对较好的工况下。出于减小摆度振动的考虑，运行过程中可能需要电厂运行值班人员根据实际情况通知调度进行少量的负荷调整(±2 MW)，该建议需要在今后的运行过程中进一步验证和完善。