實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組按最大容量調(diào)度運(yùn)行的必要性和效益分析程永權(quán)中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司提要：為解決水頭變幅較大的電站機(jī)組在高水頭小開(kāi)度下運(yùn)行的穩(wěn)定性問(wèn)題，以及適應(yīng)未來(lái)水位的變化、利用富余水量多發(fā)電量，一些水電站設(shè)置了機(jī)組最大容量。但是由于電力調(diào)度等方面的限制，這部分容量大多處于閑置狀態(tài)。經(jīng)分析，水電機(jī)組按最大容量調(diào)度運(yùn)行具有多重效益，是必要的，也是可行的。一、 概述：眾所周知，水電站設(shè)計(jì)中其裝機(jī)規(guī)模主要取決于水資源狀況和電力系統(tǒng)要求，包括水頭、水庫(kù)徑流量、工程開(kāi)發(fā)條件和電站在系統(tǒng)中的作用等。機(jī)組的單機(jī)容量根據(jù)裝機(jī)規(guī)模、水頭范圍、機(jī)組設(shè)計(jì)制造難度、重大件運(yùn)輸條件及電站運(yùn)行要求等因素確定。通常來(lái)講，單機(jī)容量指額定容量，機(jī)組在額定容量及以下能長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，超過(guò)額定容量能短時(shí)運(yùn)行，少數(shù)具備較強(qiáng)過(guò)載能力的機(jī)組也能在額定容量以上長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。近年來(lái)，為解決水頭變幅較大的電站機(jī)組在高水頭小開(kāi)度下運(yùn)行的穩(wěn)定性問(wèn)題，一些水電站設(shè)置了機(jī)組最大容量，即在高水頭段適當(dāng)放開(kāi)導(dǎo)葉開(kāi)度，增大水輪機(jī)出力，從而改善流態(tài)，提高穩(wěn)定性，此時(shí)機(jī)組的出力大于額定容量，稱為最大容量，按照最大容量設(shè)計(jì)制造的機(jī)組在出力不超過(guò)最大容量下能長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。通常最大容量比額定容量大約7%?10%。水電機(jī)組設(shè)置最大容量除了可以解決高水頭小開(kāi)度下運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題，還有一定的發(fā)電效益。一方面在水量充足、水頭足夠時(shí)這7%?10%的額外容量能夠利用，另一方面水輪機(jī)在高水頭段以最大容量運(yùn)行效率通常高于額定容量運(yùn)行效率，以三峽機(jī)組為例約1.1%。但是，由于有關(guān)部門對(duì)水電機(jī)組設(shè)置最大容量的認(rèn)識(shí)不能統(tǒng)一，加之現(xiàn)行電力調(diào)度規(guī)程不支持按最大容量調(diào)度，因此電站的這一部分補(bǔ)充容量只能閑置，不能發(fā)揮應(yīng)有的效益，甚至連單機(jī)也不允許按最大容量運(yùn)行。因此，科學(xué)對(duì)待水電機(jī)組最大容量，統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，為最大容量正名，優(yōu)化水電規(guī)劃和電力調(diào)度的相關(guān)規(guī)程，最大限度地發(fā)揮水電清潔能源的效益是當(dāng)務(wù)之急。二、 水電機(jī)組設(shè)置最大容量的條件和必要性水輪機(jī)具有出力能力隨著水頭的升高（降低）而升高（降低）的自然特性，這一自然特性為水電機(jī)組設(shè)置最大容量創(chuàng)造了條件。水電機(jī)組輸出功率可依據(jù)下式計(jì)算：NE=PgQHn『E=Pgk AhHnrj（1）式中：N:發(fā)電機(jī)輸出功率（KW）；EH:水輪機(jī)工作水頭（m）；Q:水輪機(jī)工作流量（m3/s）p:水的密度（kg/m3）；g:當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋╩/s2）；nT:水輪機(jī)效率；nE:發(fā)電機(jī)效率。額定水頭Hr確定后，對(duì)應(yīng)的機(jī)組額定容量就相應(yīng)確定。當(dāng)水頭大于額定水頭Hr時(shí)，水輪機(jī)還具備進(jìn)一步增大輸出功率的潛力，適當(dāng)增大發(fā)電機(jī)的容量，增加水輪機(jī)結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度，就能獲得機(jī)組最大容量Nmor。按照這一要求設(shè)計(jì)制造的水電機(jī)組，可以在最大容量下長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。三峽、溪洛渡、向家壩機(jī)組容量設(shè)置見(jiàn)下表：NeHrNmaxNmax對(duì)應(yīng)水頭說(shuō)明三峽700MW79.8m756MW85m以左岸ALSTON機(jī)組為例溪洛渡700MW186m770MW197m實(shí)際按最大容量設(shè)計(jì)制造向家壩750MW95m800MW100m水電機(jī)組設(shè)置最大容量具有以下必要性：1、 水電機(jī)組設(shè)置最大容量，對(duì)于水頭變幅較大的機(jī)組，是避免機(jī)組在高水頭小開(kāi)度區(qū)運(yùn)行的有效措施。為了兼顧防洪和發(fā)電以及分期蓄水的要求，水庫(kù)在蓄水初期、汛期水位較低，在枯水期則水位較高，由于混流式水輪機(jī)的固有特性，很難兼顧高低水位，水頭變幅越大水輪機(jī)設(shè)計(jì)難度越大。為了減少電站出力受阻，常常選定較低的額定水頭，當(dāng)水頭高于額定水頭時(shí)，只能減小開(kāi)度以維持出力在額定范圍內(nèi)。研究和大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，高水位小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)易出現(xiàn)較大的振動(dòng)。此時(shí)適當(dāng)加大開(kāi)度，可以有效減小振動(dòng)。加大開(kāi)度就增加了過(guò)機(jī)流量，機(jī)組出力增加，因而需要增大機(jī)組容量。設(shè)置最大容量，可以保證機(jī)組在此工況下長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。2、 水電機(jī)組設(shè)置最大容量是適應(yīng)部分水庫(kù)未來(lái)運(yùn)行水位升高和下游河床沖刷引起水頭增加的運(yùn)行需要。部分電站，由于防洪的需要，在投產(chǎn)后一段時(shí)期內(nèi)其水庫(kù)需要擔(dān)任防洪任務(wù)，汛期限制水位較低，以后隨著上游梯級(jí)水庫(kù)的形成，其水庫(kù)的防洪功能的重要性逐步削弱，甚至不再需要，汛限水位可以抬高，水輪機(jī)運(yùn)行平均水頭提高，此時(shí)，不必更換更高額定水頭的水輪機(jī)，具備最大容量的機(jī)組已經(jīng)為此預(yù)留了容量，能適應(yīng)這種變化。此外，多數(shù)水庫(kù)在蓄水以后由于流速減緩，部分泥沙沉積在水庫(kù)中，流水變清，下游泥沙含量減少，一定程度存在河床下切，下游平均水位降低，水輪機(jī)運(yùn)行水頭提高，具備最大容量的機(jī)組能適應(yīng)這種變化。3、 水電機(jī)組設(shè)置最大容量是適應(yīng)水庫(kù)汛期限制水位動(dòng)態(tài)調(diào)整、洪水資源化利用的需要。由于水情預(yù)報(bào)技術(shù)水平的提高，在上游發(fā)生中小洪峰且預(yù)知未來(lái)一段時(shí)間來(lái)水的情況下，可以將中小洪峰水量全部或部分留在水庫(kù)中，維持較高水位運(yùn)行；在發(fā)生大洪水時(shí)，水庫(kù)削峰錯(cuò)洪時(shí)也不得不在高水位運(yùn)行，機(jī)組具備按最大容量運(yùn)行的條件，將洪水轉(zhuǎn)變成電能。三、水電機(jī)組設(shè)置最大容量的效益分析1、 安全效益。如前所述，設(shè)置最大容量可避免高水頭小開(kāi)度運(yùn)行的振動(dòng)，從而提高機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定性，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命；2、 保證投資長(zhǎng)期有效性的效益。設(shè)置最大容量提高了機(jī)組對(duì)未來(lái)水位變化的適應(yīng)性，當(dāng)未來(lái)上游汛限水位提高、或/和下游水位下降時(shí)，因機(jī)組預(yù)留了容量，無(wú)須更換機(jī)組，保證了一次投資的長(zhǎng)期有效性。設(shè)置最大容量往往不需要改變機(jī)坑大小、間距、廠房尺寸等，因而不需要增加土建工程量，機(jī)組設(shè)備本身增加的投資也很少。以向家壩機(jī)組為例，單機(jī)容量從750MW調(diào)整至800MW，增加投資約1.15億元（約144元/kW），約為8臺(tái)機(jī)組設(shè)備總價(jià)的2.5%，全廠增加容量400MW，設(shè)置最大容量是保證投資長(zhǎng)期有效性的最經(jīng)濟(jì)的措施。3、 事故和檢修備用容量效益。設(shè)置最大容量增大了電站的事故和檢修備用容量，減少電量損失。在高水位運(yùn)行期，如水量足夠全部機(jī)組發(fā)電時(shí)，電站一旦發(fā)生機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)，直接減少電站出力，此時(shí)可以增大其它機(jī)組出力至最大容量，減少棄水電量。4、 調(diào)節(jié)容量效益。設(shè)置最大容量增大了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍，提高了機(jī)組調(diào)節(jié)能力。通常，混流式水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍為70%?100%預(yù)想出力，設(shè)置最大容量后，可將高水頭運(yùn)行區(qū)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍擴(kuò)大7%?10%的額定容量，有利于調(diào)頻、調(diào)峰。5、 提高高水頭運(yùn)行區(qū)的機(jī)組效率。模型試驗(yàn)和真機(jī)測(cè)試表明，混流式水輪機(jī)在高水頭區(qū)按最大容量運(yùn)行，其效率高于按額定容運(yùn)行的效率，以三峽機(jī)組為例，約1.1%。見(jiàn)下表。按30%電量來(lái)自高水位運(yùn)行期計(jì)算，每年可多發(fā)電量890*30%*1.1%=2.94億kW'h0左岸ALSTOM原型機(jī)額定容量與最大容量運(yùn)行平均效率對(duì)比（Pt=710MW）水頭（米）80.689.498105110額定容量100%Pt90.74%95.24%95.79%94.94%94.29%最大容量108%Pt--93.61%95.93%96.07%95.46%6、 利用汛后高水位多發(fā)電。汛后水庫(kù)蓄水到達(dá)正常蓄水位后，可能出現(xiàn)“秋汛”水量可能超過(guò)全廠額定出力所需的水量。計(jì)算分析表明，向家壩按照800MW運(yùn)行可增加電能效益1.33億kW-ho7、 汛期洪水資源化利用效益。汛期，水庫(kù)蓄洪后水位提高，可以利用最大容量發(fā)電消落水位，發(fā)電效應(yīng)明顯。以三峽為例，如按照來(lái)水超過(guò)40000m3/s開(kāi)始蓄洪，水位從145米到達(dá)160米后加大下泄，三峽機(jī)組按最大容量756MW運(yùn)行可增加電能效益年平均2.92億kW-h；如按照來(lái)水超過(guò)全部機(jī)組滿發(fā)來(lái)水量開(kāi)始蓄洪，水位從145米到達(dá)160米后加大下泄，三峽機(jī)組按756MW運(yùn)行可增加電能效益年平均6.41億kW-ho四、水電機(jī)組按最大容量規(guī)劃和調(diào)度的障礙與破解難題的途徑雖然水電機(jī)組設(shè)置最大容量具有諸多效益，但是，至今不能實(shí)際運(yùn)行，甚至連在全廠出力不突破總裝機(jī)容量的前提下單機(jī)按最大容量運(yùn)行都不允許。按照調(diào)度規(guī)程的規(guī)定，機(jī)組只能按額定容量調(diào)度，沒(méi)有按最大容量調(diào)度的條文，同時(shí)，電站外送通道容量按額定容量配置，不能承擔(dān)最大出力，電網(wǎng)公司認(rèn)為，三峽單機(jī)756運(yùn)行存在系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題...，導(dǎo)致三峽機(jī)組最大容量至今閑置。為了將這部分閑置容量利用起來(lái)，一些設(shè)有機(jī)組最大容量的電廠開(kāi)始尋求其他途徑，例如將最大容量變更為額定容量。例如，廣西龍灘變更成功，單機(jī)從600MW變更為700MW，大渡河瀑布溝電站將總裝機(jī)容量從3000MW調(diào)整至3600MW。多數(shù)工程變更尚未成功。規(guī)劃部門認(rèn)為，最大容量是以提高水頭為條件的，事實(shí)上是依靠提高水頭增容，增容后產(chǎn)生的電量有限，而對(duì)外送能力有提出了更大的需求，如果將最大容量認(rèn)定為額定容量，勢(shì)必引起外送通道利用小時(shí)下降，這將消弱經(jīng)濟(jì)性。產(chǎn)生這些障礙的根本原因還是我們對(duì)水電機(jī)組設(shè)置最大容量的認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，對(duì)充分利用水電這一清潔能源、節(jié)能減排的緊迫性不強(qiáng)。要破解這一難題，首先必須解放思想，實(shí)事求是，以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，共同求解。統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，就是要在認(rèn)識(shí)設(shè)有最大容量機(jī)組的本質(zhì)上達(dá)成一致。設(shè)有最大容量機(jī)組的本質(zhì)是，在原有容量的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了額定水頭以上水頭段的機(jī)組出力能力。以溪洛渡機(jī)組為例，額定容量為700MW，對(duì)應(yīng)水頭186米，最大容量為770MW，對(duì)應(yīng)水頭197米，即便將其額定容量定義為770MW，也沒(méi)有損失186米水頭的出力能力。因此，可以確定機(jī)組容量為700MW，也可以確定機(jī)組容量為770MW，同一機(jī)組，說(shuō)法不同而已。筆者認(rèn)為，可以從兩個(gè)途徑尋找解決問(wèn)題的方案：1、將電站額定裝機(jī)容量與外送容量脫鉤。通常，在規(guī)劃電站外送通道時(shí)，線路容量是與電站額定容量是配套的，保證電站全部容量送得出，并且對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電要求年利用小時(shí)不低于4500小時(shí)，以避免線路容量浪費(fèi)。如果將電站的最大容量變更為額定容量，意味著輸電線路容量也要增加，需要增加投資，這對(duì)于長(zhǎng)距離輸電往往是不經(jīng)濟(jì)的。解決辦法是，將電站容量與外送輸電線路容量脫鉤，即將電站的最大容量變更為額定容量，而外送輸電線路容量按照變更前電站額定容量配置。實(shí)際運(yùn)行中，多數(shù)情況下外送不受阻，只有在全廠最大出力時(shí)受阻，但是單機(jī)最大出力的效益，例如安全穩(wěn)定效益、調(diào)節(jié)容量效益、事故備用效益、高水頭區(qū)高效率的效益可以獲得。鑒于設(shè)置最大容量投資很少，這個(gè)方案也是值得研究的。本方案可以回避調(diào)度規(guī)程不調(diào)最大容量的問(wèn)題。2、有條件實(shí)現(xiàn)全廠最大容量可調(diào)度。修改現(xiàn)行的水電規(guī)劃和電力調(diào)度的相關(guān)規(guī)程，將最大容量納入調(diào)度范圍，實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)度。第一，單機(jī)最大容量可調(diào)度。在全廠出力不超過(guò)額定容量時(shí)，不涉及外送能力問(wèn)題，單機(jī)按最大容量調(diào)度毫無(wú)障礙，按此調(diào)度可以獲得安全穩(wěn)定效益、調(diào)節(jié)容量效益、事故備用效益、高水頭區(qū)高效率的效益等，對(duì)電廠有利，對(duì)電網(wǎng)有利。第二，全廠有條件按最大容量調(diào)度。在水頭和流量均大于額定出力所需量時(shí)，允許全廠所有機(jī)組均按最大容量調(diào)度運(yùn)行，其條件是外送輸電通道容量有富余。對(duì)于西電東送工程，一方面通道本身留有余量以滿足地區(qū)其他電力外送的需求，當(dāng)電站出力與當(dāng)?shù)仄渌姀S出力不同時(shí)時(shí)可以多占用富余的通道，另外本地電網(wǎng)也有一定的消納能力，因此這個(gè)條件常常是可以滿足的。本方案需要修改現(xiàn)行的電網(wǎng)調(diào)度的有關(guān)規(guī)程，將最大容量納入可調(diào)度容量范圍。五、結(jié)論水電是清潔可再生能源，隨著開(kāi)發(fā)的深入，可供開(kāi)發(fā)的資源越來(lái)越少，因此，最大限度地利用好這些資源，特別是已經(jīng)形成裝機(jī)的容量，是必要的，也是可能的。設(shè)置最大容量具有多重效益，包括是避免機(jī)組在高水頭小開(kāi)度區(qū)運(yùn)行的安全效益，節(jié)約投資效益，事故備用容量效益，調(diào)節(jié)容量效益，提高高水頭運(yùn)行區(qū)效率的電量效益，利用汛后高水位多發(fā)電效益，汛期洪水資源化