黄万虎 沈顺云 刘开泰
(华能甘肃水电开发有限公司，甘肃 兰州 730070)
白龙江喜儿沟水电站位于甘肃省舟曲县境内的白龙江干流上游，电站为径流式水电站，额定水头57.8m，设计引用流量141m3/s，电站装有3台混流式机组，总装机容量72MW，年设计发电量2.85亿kW·h，年设计利用小时3955h。喜儿沟水电站正常蓄水位1538.0m，原始库容131万m3，剩余库容51万m3，水库没有调节性能，因此正常情况下，电站保持正常蓄水位运行[1]。
水电站经济运行涉及影响因素多，约束条件复杂，是一项较复杂的系统工程。不同水电站特征千差万别，加大了水电站经济运行实施的难度。影响水电站经发电量的主要水能指标有水头、水量、水耗等，水电站经济运行就是通过优化调度，充分利用来水量，实现水能对电能最高效率的转化。
水电站经济运行，是在来水量一定的情况下增加发电量的有效途径。
2.1 提高机组运行水头，降低度电耗水率
水头是决定水电站度电耗水率的一个重要因素。水头损失主要包括库区水位过低造成的水头损失和进水口拦污柵清理不及时造成的水头损失[2]。
根据水轮发电机组出力公式，度电耗水率为
度电耗水率=发电耗水总量/发电量
=(3600QT)/(NT)=C/(ηH)
式中Q——水轮发电机组引用流量，m3/s；
T——计算时长，h；
N——水轮发电机组出力，kW；
η——水轮发电机组效率；
H——水轮发电机组净水头，m；
C——常数，C=3600/9.81。
由上式可以看出，影响水轮发电机组度电耗水率的主要因素是水轮发电机组的水头和水轮发电机组的效率，当库区运行水位升高时，机组发电水头抬高，可提高水轮机效率，降低度电耗水率，达到增发电量目的。
喜儿沟水电站高水头运行方式：ⓐ加强值班值守，通过坝区水位计远传信号及工业电视监控库区水位，将库区运行水位精准控制在比正常蓄水位低10cm；
ⓑ加强对拦污栅的清理，避免垃圾堵塞造成水头损失，确保机组在高水头运行。库区运行水位抬高，机组运行水头相应增加后，还可改善机组运行工况，减少振动给机组带来的危害[3]，提升设备健康运行能力，为机组经济运行打好基础。
抬高水头运行，其实质是降低度电耗水率，实现水能对电能的最优转化。
2.2 优化机组技术供水方式，降低综合厂用电量
白龙江喜儿沟水电站原设计采用循环冷却器供水系统，循环水池由河边供水井补水，由循环水池、3台尾水冷却器、5台离心泵、连接管路、压力表及阀门组成，由控制柜操作离心泵将冷却水供至机组技术供水系统。后经技术改造，在蝶阀前压力钢管处设置一取水口，取水口安装减压阀、滤水器，将压力钢管自压水经减压阀减压、滤水器过滤后直接用于技术供水系统。通过技术供水系统改造，大大降低了综合厂用电量。
2.3 优化厂内设备运行方式，节约综合厂用电量
水电站机组运行受季节影响因素制约，不具备长周期所有机组同时运行的条件，这种情况在枯水期尤为明显，特别是在高寒高海拔地区，冬季河面结冰，导致全站停机，厂内1台或多台主变压器空载运行，无形之中增加了损耗，增加了综合厂用电量。
结合机组运行工况及送出方式，喜儿沟水电站优化机组启停顺序，在保证调度给定负荷情况下，优化机组运行方式，在总负荷不变的情况下，对空载的主变压器采用冷备用方式，提高主变压器运行效率，减少综合厂用电量。
喜儿沟水电站装有2台主变压器，1B主变压器型号为S10-31500/110，空载损耗25.374kW，负载损耗124.455kW；
2B主变压器型号为S10-63000/121，空载损耗36.78kW，负载损耗220.235kW。1号机组与1B主变连接，2号、3号机组与2B主变连接。电站根据上游来水情况及现场机组运行情况，有选择性地开、停机组。喜儿沟水电站单机引用流量47m3/s，当上游来水流量不大于47m3/s时，1号机组运行，使得1B主变压器负载运行，2B主变冷备用，避免2号机组或3号机组造成2B主变压器负载运行或2B主变空载运行，增加损耗。当上游来水流量在47～94m3/s之间时，2号、3号机组运行，2B主变压器负载运行，1B主变冷备用，避免运行1号、2号机组或者1号、3号机组运行造成1B、2B主变压器同时负载运行或1B主变空载运行，增加损耗。
厂内经济运行，是水电站经济运行的补充和完善[4]。
2.4 优化机组冷热备用状态，减少停机状态漏水量
一般情况下，水轮机导叶在全关的状态下，由于制造工艺、安装规范及材质等方面因素影响，水轮机组各导叶连接处均存在大小不一的间隙，水轮机在热备用状态下导叶间隙存在一定的过水现象，造成水量损失。虽然机组在热备用的状态下过水属正常现象，但却为经济运行精细化管理提供了优化空间。
喜儿沟水电站在充分考虑安全、效益的基础上，合理利用机组冷热备用状态，通过减少机组热备用状态下的漏水量，提升电站发电量。汛期，喜儿沟水电站除运行机组外，备用机组均处于热备用状态，保证机组能够瞬时开机运行，确保电站汛期运行安全。枯水期，电站大部分时间只有1台机组运行，另外2台机组基本处于备用状态，为减少因机组长时间热备用导叶间隙过水造成水量损失，喜儿沟水电站在兼顾安全与发电量的前提下，对机组备用形式进行优化，全厂3台机组采用1台机组运行、1台机组热备用、1台机组冷备用的运行方式，1台机组处于热备用状态，可应对突发情况，1台机组采用冷备用方式，可减少机组长时间热备用导叶间隙过水造成的水量损失，提高水资源利用率。
3.1 提高机组运行水头
水轮机出力计算公式为
N=9.81HQη
式中H——发电水头，m；
Q——发电流量，m3/s；
η——水轮机效率。
喜儿沟水电站引用流量141m3/s，年设计利用小时3955h，水轮机效率η取0.9，由上式可知，发电水头每提高10cm，喜儿沟水电站3台机组每年增加电量N=9.81×0.1×141×0.9×3955=49.23万kW·h，按上网电价为0.272元/(kW·h)计算，库区水位每抬高10cm，喜儿沟水电站每年增加收入为49.23万kW·h×0.272元/(kW·h)=13.4万元。
3.2 优化机组技术供水方式
根据喜儿沟水电站原设计技术供水方式，通过 5台立式离心泵将技术供水送至机组。正常情况下，1台机组运行需要1台离心泵供水，单台泵功率为75kW，5台离心泵互为备用。根据电站运行小时数据分析，全年每台机组平均运行小时约为5000h左右，如果采用设计供水方式，全厂技术供水泵全年耗费厂用电量为75kW×5000h×3台=112.5万kW·h。电站对设计技术供水方式进行改造后，采用压力钢管供水，全年可节约综合厂用电量112.5万kW·h，按上网电价0.272元/(kW·h)计算，全年增加收入112.5万kW·h×0.272元/kW·h=30.6万元。
3.3 优化厂内设备运行方式
喜儿沟水电站枯水期为11月—翌年4月，总计181天，一般情况下，来水量小于47m3/s，电站1号机组运行，采用经济运行方式后，1B主变压器负载运行，2B主变冷备用，节约综合厂用电量为220.235kW×24h×181=95.67kW·h。
喜儿沟水电站初汛期为5月、6月，末汛期为10月，总计92天，一般情况下，初汛期和末汛期上游来水流量在47～94m3/s之间，电站2号、3号机组运行，2B主变压器负载运行，1B主变冷备用，节约综合厂用电量为124.455kW×24h×92=27.5万kW·h。
优化厂内设备运行方式，全年可节约综合厂用电量为95.67万kW·h+27.5万kW ·h=123.17万kW ·h，按上网电价0.272元/(kW ·h)计算，全年增加收入123.17万kW ·h×0.272元/(kW ·h)=33.5万元。
3.4 优化机组冷热备用状态
喜儿沟水电站水轮机组有活动导叶24个，固定导叶24个，导叶总量为48个，单个导叶长74cm、宽39cm。经现场实测计算，单台水轮机组各导叶之间平均间隙值为0.03cm。
单个活动导叶两个侧面及顶面和底面均过水，单个导叶间隙过水面积可按下式计算：
S=2ac+2bc
式中S——导叶间隙过水面积，m2；
a——导叶长度，m；
b——导叶宽度，m；
c——导叶间隙，m。
由上式可计算出单个导叶间隙过水面积S=2×(0.74×0.003)+2×(0.39×0.003)=0.00678m2，24个活动导叶间隙过水总面积为0.00678×24=0.16m2，以此得出单台机组导叶过水间隙面积为0.16m2。
液体流量的计算公式为
Q=Av
式中A——过流截面面积，m2；
v——水流速度，m/s。
喜儿沟水电站设计引水隧洞洞内过水流速为3.19m/s，按设计引水隧洞洞内水流速度计算，单台机组从导叶间隙过水量为Q=0.16×3.19=0.5104m3/s。
喜儿沟水电站枯水期为11月—翌年4月，枯水期总计为6个月181天，由此可得出喜儿沟水电站单台机组在枯水期从导叶间隙过水量为Q总=0.5104×181×24×3600=7981839m3。
喜儿沟水电站机组度电耗水率为7.05m3/(kW ·h)，由此可得出喜儿沟水电站枯水期单台机组导叶间隙过水量损失发电量为7981839/7.05=113.22万kW ·h。按上网电价0.272元/(kW ·h)计算，采用3台机组1台机组运行1台机组热备用1台机组冷备用经济运行方式后，每年可增加收入为113.22×0.272=30.8万元。
通过分析，喜儿沟水电站采取以上经济运行方式后，每年可累计增加收入108.3万元，经济效益提升效果明显。
本文在对白龙江喜儿沟水电站调度方式、机组特性、主辅机结构特点等因素深入研究的基础上，从优化水库调度、提高水能利用率、优化主辅机运行方式、降低综合厂用电率等方面制定了多种经济运行策略，有效提升了水电站整体经济效益。提高机组运行水头、降低度电耗水率经济运行方式，可在水电站经济运行中普遍推广应用；
在压力钢管取水对发电机组进行技术供水的经济运行方式，可大大降低厂用电量，可在水质较好的水电站运行中普遍推广应用，水质较差、泥沙含量多、杂物较多的水电站可在对水质进行处理后应用；
对主辅机及主要电气设备冷热备用方式进行优化研究，制定出不同来水量情况下，主辅机运行及组合运行方式，可提高水资源利用率、降低厂用电量，没有调频与调峰任务、库容较大、有一定调节能力的水电站可进行进一步拓展研究。