基于水轮机效率差异监测的电站优化运行探索

乔洪伟，席文军，吴勇庆

（1.深能水电投资管理有限公司 四川 成都 610041；2.云南华邦电力开发有限公司，云南 德宏 678400； 3.龙泉瑞垟二级水电站有限公司，浙江 龙泉 323700）

1 水轮机效率对比的意义

水轮发电机组在各个水头工况下的运行效率值、耗水率等是开展机组优化运行分析的重要依据。以往大多数情况下都粗放地依靠运行管理人员的经验决定机组的运行方式、负荷增减，如果能够准确地测量机组发电时的瞬时流量、水头、功率等关键数据并对其进行分析计算，就能得出水轮发电机组任一时刻的最高效率、最小耗水率的运行方式，从而达到优化运行的目的。

本文以深能水电浙江分区瑞垟二级电站为试点，分析采用超声波监测技术对机组瞬时流量数据进行监测记录，计算各个特征水位（水头）下单机运行、并列运行时的机组效率，绘制机组的运行特性曲线，最终编制电站的优化运行方案表，指导电站日常发电，实现优化运行。实践成熟后在浙江分区各电站推而广之，在现有的硬件条件下挖掘更大的经济效益，从而实现分区整体优化运行水平的提升。

2 效率差异监测方法

（1）试点电站工程概况

瑞垟二级水电站水库集雨面积163 km2，砼面板堆石坝，侧堰自溢流，正常蓄水位535 m，死水位498 m。装机容量2×16 MW，水轮机型号：HL-LJ-132，水轮机中心高程365.5 m，设计尾水位366.37 m，设计水头140 m。

（2）监测原理及计算方法

机组运行效率和发电耗水率数据的得出，主要是通过监测设备测量采集机组在某一工况运行下的流量、功率、水头，再根据水轮机的出力公式得出:

机组运行效率（%）η=1 000×P/9.81HQ

发电耗水率（m³/kW·h)k=3 600×Q/(1 000×P)

式中：P—输出功率；Q—流量；H—水头

公式中机组的输出功率（P）和水头（H）数据，从电站原有的计算机监控系统中通过网口通信采集获得。

2.1 流量（Q）的测量

流量（Q）数据通过安装流量计测量获得。流量（Q）的测量精度对机组运行效率和发电耗水率的计算影响较大，所以要尽可能保证其测量精度。

超声波测流是目前国际上先进的流量测量技术。它采用时差法测流，即依据声波在水中通过受水流速度影响时差不等，根据时差计算出流速和流量。

为了提高流量（Q）的测量精确度，瑞垟二级电站引进安装了一套四声路超声波流量计。流量计安装位置位于机前阀前部直管段，同时在中控室再安装一台机组耗水率统计分析系统服务器，服务器从超声波流量计获得实时流量（Q）数据，实时显示并形成数据曲线。

2.2 测量结果及特性曲线绘制

瑞垟二级电站正常运行水位在505～535 m之间，出力正常控制在额定功率的85%～110%，（水位较低时工况较差，不测量高出力的效率数据）每隔5 m水位选取一个监测点，在相同条件下，分别对1号机组和2号机组进行流量测量和效率、耗水率计算汇总见表1。绘制出在各特征水位下机组性能特性曲线（单机运行），见图1～图7所示。

表1 瑞垟二级电站特征水位下机组的流量、效率数据表（单机运行）

图1 瑞垟二级电站机组功率效率特性曲线（上游水位535 m）

图7 瑞垟二级电站机组功率效率特性曲线（上游水位505 m）

3 优化运行方案编制

根据所测数据可以对应出各测点水位下，两台机组的“最高效点”，所对应的负荷即为最高效率负荷，结果如表2所示。

表2 瑞垟二级电站测试水位下机组最高效率负荷（单机运行）

由于瑞垟二级水库大坝属于自溢流水库，防汛抗洪任务轻，在满足服从电力系统平衡和电力调度的前提下（包括在调度没有无功负荷要求时，在保证机组静态稳定前提下，尽可能提高功率因数运行），在保证峰谷比的基础上，依据水电站发电量最大化、耗水率最小化的原则，基于单机运行、并列运行时测量所得数据和对其的分析，制定相应的优化运行方式如表3。（并列运行的效率数据依据上述同样方法测量计算得出，限于篇幅未列入本文）

表3 瑞垟二级电站优化运行方案表

4 应用实例分析

当上游水位为525 m时，峰电时段调度令站里开一台机组，则优先考虑开1号机组（因为该水位下1号机最高效率为91.77%相对应负荷16 MW、耗水率为2.53 m3/kW·h，2号机最高效率为90.9%，耗水率为2.55 m3/kW·h）带最高效率点负荷16 MW，并在保证机组静态稳定的前提下，尽量提高功率因数角运行;若调度令开两台机组时，则1号机组设置负荷16 MW，2号机组设置负荷16 MW，此时综合效率为91.34%，综合耗水率2.535 m3/kW·h，总过流量21.91 m3/s 。525 m水位时该运行方式耗水率最小，综合效率最高，经济效益最大。

5 经济效益提升对比

根据瑞垟二级电站2020年月度水情报表可知：2020年度来水总量16 746.7万m3，发电量6 133.98万kW·h，发电耗水率2.73 m3/kW·h。

在同样的水库控运条件下，对机组都保持最高效率工况点运行和实际运行情况作发电量比较列于表4。

表4 经济效益分析表

图2 瑞垟二级电站机组功率效率特性曲线（上游水位530 m）

图3 瑞垟二级电站机组功率效率特性曲线（上游水位525 m）

图4 瑞垟二级电站机组功率效率特性曲线（上游水位520 m）

图5 瑞垟二级电站机组功率效率特性曲线（上游水位515 m）

图6 瑞垟二级电站机组功率效率特性曲线（上游水位510 m）

通过水情日报表查询出瑞垟二级电站2020年逐月发电日的平均水位；根据表3查询逐月发电日平均水位下的最高效率工况运行时的最小平均耗水率；根据实际发电的耗水量，得到“最高效率工况下能产生的发电量”。

2020年实际发电量为6 133.98万kW·h，在相同的水库控运条件下，实际发电所消耗的水量如果在最高效率工况下运行能产生6 276.07万kW·h的电量，较实际电量多142.09万kW·h。根据瑞垟二级电站2020年的峰谷比数据计算，可以增加经济收入约70万元。