摘要：本文论述了万家寨电站运行负荷、库区水位和机组振动、电站节水运行的关系，从稳定运行和节水等综合因素考虑，给出了万家寨电站最佳的运行水位和机组运行负荷。
关键词：机组运行　水位　节水　振动
1　概述
万家寨水利枢纽位于黄河中游北干流上段，工程由水利部、内蒙古自治区和山西省三方投资建设，水利枢纽包括混凝土重力坝、引黄取水口和右岸电站。电站共安装有6台180MW水轮发电机组，其中1～3号机组为蒙西电网供电，4～6号机组为山西电网供电。电站设计多年平均发电量为27.5亿kW·h，大坝高105m，坝顶长443m，正常蓄水位977.00m，最高蓄水位980.00m。电站最大水头81.5m，最小水头51.3m，水轮机额定水头68.00m。
对电站的水轮机组来说发电量越多，水用的越少，机组的可靠性越高，则是最佳的运行方案（或说最佳的运行点）。但是，建设一个有大坝和电站等设施的现代化水利枢纽往往不仅仅是为了发电，还有很多的综合利益，万家寨水利枢纽的第一任务是为晋蒙二省区的能源基地供水，然后才是"结合发电调峰，兼有防洪防凌作用"。所以，万家寨水电站和很多水电站一样往往要电调服从水调。天津水利勘测设计院根据黄河中游百年的水文资料，编制了万家寨水库调度图，给万家寨水利枢纽（包括电站在内）的运行，提供了科学的依据。在保证供水、防洪防凌等社会利益的前提下，怎样用最少的水发最多的电，并保证机组的可靠性，应该是我们研究的重点。
我们可以根据库区的水位，分为高、中、低水头发电，在各水头下根据机组运行的振动情况又可分为振动区运行和非振动区运行。
2　机组的振动、摆度情况
机组在调峰尤其是进行网间潮流调整时，机组可能会长时间地在振动区运行，振动对机组的危害是很多的，例如：振动使机组的各部件的连接松动，引起零部件或焊缝的疲劳裂纹的形成并扩大，在一定的频率条件下还将引起共振等等，万家寨电站的水轮机叶片在2001年发现了裂纹，有关科研院校的分析和研究表明，水轮机运行时在一定的水头和负荷下引起的涡带、卡门涡造成的振动和它们引起的共振是裂纹形成的重要因素。以上简单的分析说明，振动严重的影响机组运行的稳定性，机组应该避开振动区运行。

图1：1-4号机水导摆度曲线图2：1-4号机顶盖垂直振动曲线
机组的振动区：机械设备运行的时候一般都是有振动的，只是振动的大小和频率的高低不同而已，这里所说的振动区的振动是指超过了国家标准规范的振动。图1和图2是1～4号机组在56.5m、68m、78.5m水头运行时的水导摆度曲线和顶盖振动曲线图，从图中可清楚的看到2～8万、2～10万、2～15万负荷分别是以上三个水头运行时的振动区间，并且是随着水头的增高而振动加大、振幅加宽，在78.5m水头、负荷在5～13万运行时振动最大，在所有的水头下15万以上负荷都脱离了振动区。表2和表3是3号机组和4号机组在975、976、977m水位运行时振动随负荷变化的现场记录，从表中可见机组在上述3个水位运行时，其振动有一个明显的变化，当水位在975m，负荷在110～120MW时，振动范围基本在0.11mm以下，符合国标，而水位在976m和977m运行时，振动要达到0.11mm以下时，负荷要在130～140MW和140～150MW。可见，如果水位控制在975m左右，将大大的减少机组运行的振动范围，扩展运行空间，并且节水。为了保证机组的运行可靠性，国家电力行业标准（DL/T710－1999）规定，"混流式机组应在相应水头下的机组最大保证功率45～100％范围内运行"。这一标准即规定了运行单位不能过多偏离设计工况运行，同时也给出了机组设计和制造单位的一个技术标准，很可惜，万家寨的机组和国内的部分机组一样，并没有达到这一标准。
表1：万家寨电站3#机运行振动记录


3　机组节水运行分析
机组运行的最节水点：由于人口增加、工农业生产的发展及气候的变化，使黄河中游的来水减少，设计院的实测多年平均流量是790m3/s，设计院的设计多年平均流量是621m3/s，而1999年～2004年上半年实际年平均来水是399m3/s，比原设计少1/3，所以说节水对万家寨的经济效益尤其重要。表2是厂家给出的水轮机的优化运行范围，当水头在80m，负荷最高（183.7MW）运行时，每度电的耗水率是5.01m3。即：在最高水位的最大的负荷运行时耗水率是最低的。同时从表中也可以看出以下2点：1、随着运行水位的升高，发电的耗水率降低。2、每个水头下运行时，最高负荷的耗水率是最低的（只限表2中给出的出力范围）。并且，在同一水位下，负荷越高越节水，如当净水头为70m时，出力为133.8MW时，每度电的用水量是5.8m3，当出力为204.1MW时，每度电的耗水是5.6m3。当然，由于随着水位的抬高，整个库区的水压力也将增加，除发电机组外，其他部位水的消耗率将增大，例如，不发电机组的漏水量，库区的泄漏量等等。
从表2进一步分析我们可以看到水轮机组发电的负荷大小和水位的高低直接决定了耗水率，因此对整个万家寨电站的节水意义重大，这里用几组数据加以说明：1、净水头在50m，发电出力为20MW,每度电的耗水是12.84m3，净水头在80m时，发电出力为183.7MW时，每度电的耗水是5.01m3，每度电的耗水相差7.83m3。2、当净水头都为80m时，发电出力为20MW时，每度电的耗水是7.43m3，和发电出力为183.7MW时每度电的耗水5.01m3相差2.42m3。3、净水头70m时，都在优化运行范围133.8MW和204.1MW其每度电的耗水率也相差0.2m3。万家寨近几年平均每年发电量为18亿度，以上3例都说明发电水位的高低和发电负荷的大小，对节水和增发电都是一个惊人的数字，按常见的第3例来计算，如果出力在204.1MW，每度电耗水在5.6m3的基础上比133.8MW多发电70.3MW，而且每度电还将节水0.2m3，全年将节水3.6亿m3，（每度电耗水按6m3计算，将多发电6千万度）。
4　结束语
从上面的分析可以看出如果万家寨水电站的水轮机组如果在80m水头、负荷在183MW运行时，无论是在经济效益方面（发电量最大、每度电的耗水率最低），还是在机组的运行稳定性方面，都是最佳点位，但是，万家寨电站的水轮机组每年只有短时间才能这样运行，而绝大部分时间是在不同的水头、不同的负荷下运行的，原因如下：1、由于黄河防洪、防凌和环保（黄河不断流）的要求，根据黄河防汛总指挥部水调的要求随时调整水库水位，按照天津水利设计院的万家寨水库调度图的要求，供水期最高蓄水位可达980m，其持续时间不超过10天。2、万家寨电站机组在电网上的任务是调峰（尤其调潮流），这样就决定了机组不可能在同一负荷下运行。这里还要说明一点的是，如果在80m水头运行时，负荷达不到150MW以上，则水轮机组的振动、摆度、噪音等技术指标都是最恶劣的。所以，从节水和运行稳定性等综合指标考虑，机组长期运行的水位在970m～975m较好，由于968m～975m水位机组运行的振动的上升坡度较缓，所以，运行水位在974m～975m，负荷在110MW～120MW以上为佳，180MW附近运行为最好。
[参考文献]
[1]涂建炎。水轮机[M]。北京：水利电力出版社，1991。
[2]黄河万家寨水利枢纽水轮机稳定性运行研究[Z]。北京：清华大学，2002。