摘要：针对万家寨电站水轮机的经济运行问题,从水轮机的工作水头、运行效率方面进行了分析。
关键词：水轮机　经济运行　耗水率　效率
万家寨水电站装有6台180MW水轮发电机组，电站的主要任务是发电调峰和供水，设计年发电量27.5亿kW·h。万家寨水库的设计年均径流量为192亿m3，然而近年来由于黄河天然径流的减少，加之上游引水的加大，水库的实际来水远少于设计值，据统计2000～2003年万家寨水库的年径流仅分别为129.41亿m3、111.88亿m3、118.84亿m3、112.28亿m3，来水形势非常严峻，如果不能更充分地利用现有来水，做好电站的经济运行，势必严重影响枢纽的还贷和实现效益。
发电耗水率指标是衡量水电站经济运行情况的主要指标,而影响该指标的主要因素之一就是水轮机的经济运行工况的好坏，因此要降低发电耗水率，必须优化水轮机的运行参数，改善其运行工况。本文从水轮机运行的两个关键参数-工作水头和效率出发，进行优化分析，以求通过水轮机的经济运行来提高电站的经济运行水平。
1　水轮机主要参数
万家寨水电站水轮机分别由天津阿尔斯通公司和上海希科公司生产，见表一。

表一　万家寨水轮机参数一览表
2　水轮机在不同水头下的经济运行分析
2.1　不同水头下的水轮机耗水率分析
万家寨水库库容较小，总库容仅8.96亿m3，调节能力非常有限，因此电站的运行水位经常有较大变化，电站最低运行水位为952.00m高程，最高运行水位为980.00m高程，最大变幅达28m，这对水轮机来说意味着工作水头的巨大变化，从水轮机的出力公式N=9.81.Q.h.η不难分析运行水头与出力的关系:运行水头越高，水轮机能量特性越好，单位千瓦时的耗水就越小，以万家寨5#水轮机为例，图一绘出了该水轮机在75.58m、67.40m、59.28m工作水头下的水轮机耗水率曲线，显然水轮机工作水头对其耗水率有着显著的影响：在上述高中低三个水头下水轮机发出150Mw出力，其耗水率分别为5.28m3/kW.h、5.81m3/kW.h、6.80m3/kW.h，设发电用水1000万m3，则发电量分别为189.40万kW.h、172.12万kW.h、147.06万kW.h，以5#机上网电价0.374元/kW.h计算，经济效益分别为70.84万元、64.37万元、55.00万元，可见相同的发电用水，因水头的不同而产生的效益大小差别巨大，所以要降低发电耗水率必须提高水轮机的工作水头。


2.2　提高水轮机的工作水头的措施
(1)应保持万家寨水库的高水位运行。保持万家寨水库的高水位运行，这是提高水轮机工作水头的主要措施。目前万家寨水库的运行水位主要受水调和电调两方面因素制约：第一、水库的运行要满足防洪、防凌、流域调水等要求。万家寨水库设计汛期为7～10月，其中主汛期（7月15日～10月15日）水库运行水位不得超过汛限水位966.00m高程,在该高程以下范围内水轮机的运行由于偏离额定工况（Hr=68m）较大，因而能量特性较差，表现出较高的发电耗水率。笔者认为汛限水位不应局限于某一固定值,应该视黄河实际水情而定，这样水库既能发挥防洪作用，同时水电企业又能获得可观的经济效益；第二、电网的运行需要。对万家寨水电站来说，以来水量定发电量，且水库保持较高水位运行，是较为经济合理的运行方式，但作为晋蒙两电网少有的调峰电源，万家寨电站由于两网调峰、调频、事故备用的需要,往往实际发电运行方式要偏离计划的经济运行方式，因此水库难以保持在较高的经济水位运行，从而导致发电成本的增加,特别是如今面临晋蒙两网日趋紧张的供电局面,万家寨电厂的调峰任务会更加艰巨，水调和电调的矛盾将更加突出，寻求二者的优化运行、实现经济调度将是万家寨电站非常紧迫的课题。
(2)应减少水轮机输水系统的水头损失。试验表明，万家寨电站水头损失较大，在水轮机导叶开度最大情况下，水头损失在2～3m之间，并且水头损失随过机流量的增大而增加。降低电站水头损失的有效途径就是定期清扫进口拦污栅和尾水管出口淤积，同时在机组大修时检查处理流道的冲刷受损部分。电站宜尽早开展这些工作，以减少水头损失，提高机组发电潜力。
3　水轮机效率分析
3.1　万家寨水轮机运行负荷率的现状
近年来万家寨水电站各台机组的负荷情况总体较差，主要是因为：一、万家寨水电站是内蒙古西部电网的调峰电厂和山西电网的主潮流调整厂，要保证调峰和潮流质量就必然要求机组要有着很好的负荷跟踪能力，要随着网上负荷的波动及时调整出力，因此机组的运行工况波动频繁且变幅较大；二、万家寨水轮发电机组的负荷调节有着良好的动态响应性,增减负荷迅速,因此电网一般会安排较多的旋转备用于水轮发电机组,造成机组深度调峰,常运行在低负荷、低效率区，据统计载至2002年8月25日，机组80MW以下运行小时占总运行小时的比率：1#～6#机分别为43.6、39.0、28.3、20.2、21.6、23.3，显然机组低负荷运行率偏高。

3.2　水轮机运行效率分析
万家寨水电站安装的是混流式水轮机，该机型相对其他机型而言，其特点是最高效率较高，但效率变化较大，高效区狭窄，见万家寨5#水轮机的效率特性曲线（图二）,可明显看出:一、效率曲线较陡。在67.40m的工作水头下，水轮机出力46.71MW、166.68MW时的效率分别为70.26、95.17,效率差值达24.91。二、高效区较窄。在67.40m的工作水头下，水轮机在85MW以上的出力范围内运行效率基本在85以上，其中在105MW～180MW的出力区，水轮机效率在90以上，而在85MW出力以下水轮机效率则急骤下降。之所以呈现上述特性，是由于混流式水轮机转轮叶片是按进口水流无撞击或略带正冲角、出口水流是法向或略带正环量设计的，叶片固定在上下环上，除最优工况外其他工况均不能同时满足进出口水流的最佳要求。当水轮机偏离设计工况时，叶片进口有冲角、出口有旋转速度，使得水力损失增大，效率下降，且偏离设计工况越远，水力损失越大，效率越低，同时由于水轮机内部流态的破坏，产生压力脉动，导致机组的振动、摆度加剧，影响机组的稳定运行，严重的会造成构件的疲劳破坏，大大缩短水轮机寿命[1]。因此水轮机应尽量在设计工况下运行，不要偏离该工况太远，对万家寨水轮机来说，水头在60m以下时，机组单机负荷应不低于80MW；水头在60～68m时，机组单机负荷不低于100MW；水头在68m以上时，机组单机负荷不低于120MW，在上述较高的负荷区运行，水轮机能保持较高的效率，水能利用充分，能量特性较好。
4　结束语
保持电站较高的水库运行水位和机组运行负荷率是水轮机经济运行的主要措施,也是水电站经济运行工作的重点，因此电站要加强与水库调度部门、电力调度部门的沟通与协调，做好二者的经济调度工作，以使万家寨水库的水力资源最终能够得到合理利用、高效利用。
[参考文献]
[1]中国水力发电工程：运行管理卷[M]．北京：中国电力出版社，2000．