《葛洲坝电站水轮发电机组出力计算表》的编制与运用

《葛洲坝电站水轮发电机组出力计算表》的编制与运用
宋伟鸣
【摘要】Calculation table for output of generator units plays an important role in the technical management of hydro -power stations .The preparation and application of output calculation table in Excellfor Gezhouba hydropower station is introduced .In the table , calculation model of output is established and different operation conditions are simulated .A comprehensive solution is then proposed for the calculation of output allocation , adjustment and real-time water usage rate.%从水电厂运行技术管理的角度，介绍了《葛洲坝电站水轮发电机组出力计算表》的编制与运用情况，用Excel表格形式进行数据化编程，全面模拟机组的各种运行状态，建立了机组出力计算模型，提出了葛洲坝电站机组出力分配、调整和实时耗水率计算的全面解决方案。

【期刊名称】《水电与新能源》
【年(卷),期】2014(000)008
【总页数】6页(P57-61,71)
【关键词】水轮发电机组;运行;出力计算;耗水率
【作者】宋伟鸣
【作者单位】中国长江电力股份有限公司葛洲坝水力发电厂，湖北宜昌 443002【正文语种】中文
【中图分类】TM312;TK730.7
水电站机组出力的分配和调整是运行工作的重要组成部分，对于葛洲坝电站来说，由于其水轮机的双调特性以及与三峡电站联合运行后的特殊性，高效、合理地做好葛洲坝机组出力的分配和调整工作就显得更加重要了［1］。

在汛期，由于水情变化快，发电计划时常修改，对于运行人员来说，如何在水头、拦污栅压差以及机组工况等多种制约因素条件下，快速准确推算全电站机组发电能力，为梯调发电计划的修正提供准确依据，在满足设备安全的前提下最大限度的增发电量;岁修期间，在运行方式多变的情况下，如何合理安排好机组的开、停，合
理分配全电站机组的负荷，以降低耗水率，节水增发电量至关重要。

当然，上述要求用手工计算是可以实现的，但是要在短时间内计算出精确的结果实际上并不太容易。

为此，自2010年2月以来，笔者开始开发编制《葛洲坝电站水轮发电机组出力计算表》，经多次改进，计算表性能指标已比较完善。

本文介绍计算表的编制及运用。

1 机组出力计算表的编制
1.1 计算表的特点及功能
1)此计算表(模型)的技术原理是参照相关规范、特性参数，以《葛洲坝水轮机运转综合特性曲线》(注:葛洲坝水力发电厂企业标准)和现行葛洲坝电站监控系统为依据，采集机组在各水头工况下的出力数据和水机效率数据，用Excel表格形式进行数据化编程，并全面模拟葛洲坝电站机组AGC的运行状态，建立了葛洲坝电站机组出力计算模型，提出了葛洲坝电站机组出力分配、调整和实时耗水率计算的全面解决方案。

2)根据葛洲坝电站机组运行的实际情况，设计计算表的主要功能:①“机组状态”、“单机水头”、“全厂自动水头”、“全厂负荷分配模式”以及“分厂负荷分配模
式”等状态功能的模拟选择设置;②机组“定负荷”、“定水头”方式的设
置;③“全厂模式”和“分厂模式”下的负荷模拟分配计算;④大江分厂、二江分厂和全厂机组理论最大出力和旋转备用容量的自动计算;⑤机组发电、备用、检修机组台数的自动计算;⑥简单的机组开、停机策略判断;⑦华中电网“两个细则”考核中的“日发电计划考核限幅、限值”的实时计算;⑧电站实时发电流量、实时耗水率的模拟计算。

1.2 计算表的编制
1.2.1 “机组状态”设置
根据需要，机组出力计算表可设置各台机组的状态，有“备用”、“检修”、“自动”、“运行水头值”4个选项。

1)机组的状态设置为“备用”，记机组为“备用”状态，机组“单机有功理论上限值”为0 MW，即不参与相关出力计算。

2)机组的状态设置为“检修”，记机组为“检修”状态，机组“单机有功理论上限值”为0 MW，即不参与相关出力计算。

3)机组的状态设置为“自动”，记机组为“发电”状态，且该机组出力计算用水头值接受“全厂自动水头”赋值，机组“单机有功理论上限值”关联此水头值。

4)机组的状态设置为“运行水头值(即为具体水头值)”，记机组为发电状态，但该机组出力计算用的水头值为当前的具体水头值，机组“单机有功理论上限值”关联此水头值。

5)上述各“单机有功理论上限值”来源于现行大、二江监控系统。

1.2.2 “全厂自动水头”设置
机组出力计算表中的“全厂自动水头”功能分大、二江两部分，分别关联大、二江机组，通过设置具体水头值，为大、二江“发电”状态的机组赋水头值，其中“自动”状态的机组接受赋值。

为简化计算，本表设计水头值变动的最小单位为0.10
m。

1.2.3 “负荷分配模式”设置
机组出力计算表中的“负荷分配模式”功能设置有“分厂模式”和“全厂模式”两种选择，所有负荷分配均采用等比分配原则。

1)“分厂模式”。

分别按大、二江发电计划，对大、二江机组负荷进行独立分配计算。

2)“全厂模式”。

按全厂发电计划，对大、二江机组负荷进行统一均衡分配计算。

分配值相关计算公式如下:
大江理论分配值=(全厂发电计划×大江理论最大出力)/全厂理论最大出力;
二江理论分配值=(全厂发电计划×二江理论最大出力)/全厂理论最大出力。

3)对于“发电”状态下的“单机理论分配值”，在机组“定负荷”模式下:单机理
论分配值=单机定负荷设置值;在“定水头”模式下，相关计算公式如下:
大江单机理论分配值=(大江理论分配值×大江单机理论上限制)/大江理论最大出力; 二江单机理论分配值=(二江理论分配值×二江单机理论上限制)/二江理论最大出力。

1.2.4 机组单机“发电模式”设置
机组单机“发电模式”分为“定水头”和“定负荷”两种模式。

1)“定水头”模式。

在此模式下，当机组按所赋的水头值参与计算、分配出力，此时单机有功理论上限值与所赋的水头值关联。

2)“定负荷”模式。

当机组需按固定值参与计算、分配出力时，可将机组单机发电模式设置为“定负荷”模式，并手工设置单机定负荷值，此时单机有功理论上限值等于单机定负荷设置值。

1.2.5 “日发电计划考核限幅、限值”的计算
针对国家电监会华中监管局2011－10－14日下发的《关于华中区域“两个细则”实施的补充通知》文件规定，本计算表增设“日发电计划考核限幅”及“日发电计
划考核限值”计算功能，可以根据实际情况进行选择。

1)若设置为“额定版本”，考核限幅=大、二江发电机组的额定出力和×2%。

2)若设置为“常规版本”，考核限幅=大、二江计划出力和×2%。

1.2.6 分厂、全厂机组理论最大出力和旋转备用容量的计算
有关理论最大出力和旋转备用容量的具体算法如下。

1)“单机有功理论上限值”来源于现行大、二江监控系统。

2)全厂机组理论最大出力=全厂“发电”机组单机有功理论上限值的总加。

3)分厂机组理论最大出力=分厂“发电”机组单机有功理论上限值的总加。

4)单机旋转备用容量=单机有功理论上限值－单机理论有功分配值。

5)全厂旋转备用容量=全厂理论最大出力－全厂理论有功分配。

6)分厂旋转备用容量=分厂理论最大出力－分厂理论有功分配。

1.2.7 机组开停机策略判断
本计算表设计有简单的机组开、停机策略判断提示作为参考，共有4种判断策略，判断条件如下。

1)“计划偏高、备用开机”。

在大江、二江有“备用”态机组时，若全厂或分厂发电计划大于相应理论最大出力值则判断为“计划偏高、备用开机”。

2)“计划超高、建议修改”。

在大江、二江无“备用”态机组时，若全厂或分厂发电计划大于相应理论最大出力值则判断为“计划超高、建议修改”。

3)“负荷偏低、节水停机”的判断条件:①任意1台“发电”态大机有功理论分配
值≤(单机有功理论上限值×110)/170;②任意1台“发电”态小机有功理论分配值
≤(单机有功理论上限值×100)/134;③任意1台“发电”态增容机组有功理论分配
值≤(单机有功理论上限值×100)/146。

4)“负荷超低、工况停机”的判断条件:①任意1台“发电”态大机有功理论分配
值≤(单机有功理论上限值×100)/170;②任意1台“发电”态小机有功理论分配值
≤(单机有功理论上限值×90)/134;③任意1台"发电"态增容机组有功理论分配值
≤(单机有功理论上限值×90)/146。

5)以上3)条和4)条可以理解为:①在高水头(18.6 m以上)工况下，大机低于100 MW、小机和增容机组低于90 MW即判断为“负荷偏低、节水停机”;②在高水
头(18.6 m以上)工况下，大机低于90 MW、小机和增容机组低于80 MW即判断为“负荷超低、工况停机”;③在18.6 m以下的其他水头段，则参照以上标准进行等比例缩减。

1.2.8 电站实时发电流量、实时耗水率的计算
1)有关计算公式。

水电站耗水率是衡量水电站经济运行情况的重要指标之一，即为单位发电量所消耗的发电水量。

其计算公式:
另根据公式:
推出:
由式(1)和式(4)可得:
式中:μ为耗水率，m3/(kW·h);T为计算时段长;PT为水轮机功率，MW;PC为发电机功率，MW;Q为发电流量，m3/s;H为发电净水头，m;ηT为水轮机效率(通过《水轮机运转综合特性曲线》查得);ηC为发电机效率，按相关规程规定均取0.97。

所以，单机发电流量Q可由式(4)计算得出，实时耗水率可由式(1)或式(5)计算得出。

2)单机计算模型的设计。

由于葛洲坝电站机组为轴流转浆式机组，通常情况，其发电机功率运行在额定范围内且水轮机运行在协联工况下(即正常工况)，故按照《葛
洲坝水轮机运转综合特性曲线》，本计算表所计算的发电流量和耗水率均为在正常协联工况下的数值，其他过渡工况下的计算本表不考虑。

另外，单机运行中其技术供水的耗水流量估算在3 m3/s左右，相对于单机发电流量来说可以忽略。

所以，在保证计算精度的前提下简化计算，计算模型如图1、图2。

图1 小机运转综合特性曲线图
图1 为小机《运转综合特性曲线图》，图1中，在水头轴方向以设计水头18.6 m 为起点，向上每隔0.40 m 水头划坐标线(至 26.80 m)，向下每隔0.10 m水头划
坐标线(至13.00 m);在出力轴方向，设计以发电机功率 20、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、134 MW的水轮机功率折算值为坐标线，在纵、横坐标线形成的交点处查取得水轮机效率ηT用于计算。

与小机类似，在各自的《运转综合特性曲线图》图中，在水头轴方向的坐标线与小机相同;在出力轴方向，大机设计以发电机功率 30、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170 MW 的水轮机功率折算值为坐标线，增容机设计以
发电机功率20、85、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、146 MW 的水轮机功率折算值为坐标线，形成交点，查取得水轮机效率ηT用于
计算。

图2 正常工况、水头下单机功率与发电流量关系示意图
图2 是在正常工况、水头一定的情况下，单机发电机功率PC与发电流量Q间的
关系示意图。

图中K1～K13为近似计算用的分段斜率，P0～P13为发电机功率分段坐标，Q0～Q13为发电流量分段坐标。

3)实际计算。

如图2所示，分段斜率K1…K13的计算如下:
其他分段斜率K2…K13的计算与此类似。

Q0～Q13的计算可由式(4)计算得出。

需要说明的是，对于图1中18.6 m以上水头每0.40 m间隔间的数据，则通过线性分析法计算得出。

比如，18.6 m 和 19.0 m 水头段的K1…K13以及Q0～Q13可用式(6)和式(4)计算得出，此时，18.7、18.8、18.9 m 水头段的K1…K13以及Q0～Q13则是通过线性分析法计算得出，这样可以简化计算。

现在从图2可知，机组在正常工况下，对于特定水头，任意单机发电机功率PC，其发电流量Q可作如下近似计算:
若PC点变化到PC'点，则PC'点对应的发电流量为Q'，近似计算如下:
通过以上算法，即可近似计算出在特定水头下指定单机发电机功率PC所需的发电流量Q。

在求得单机发电流量Qi后，电站实时发电流量Q总、实时耗水率μ的计算如下:
以上式(9)和式(10)中，若机组在停机备用、检修状态，单机发电流量Qi和发电机功率PCi默认为0。

编制新的计算表实测见图3。

图3 实物样品计算表外观图
2 实际运用
通过机组出力计算表的运用，葛洲坝电厂的运行人员可根据机组工况和运行方式，模拟葛洲坝机组全厂AGC负荷分配，快速准确推算机组发电能力和耗水率，为汛期发电计划的修正和大江电厂、二江电厂负荷合理分配提供准确依据，在满足设备安全的前提下最大限度的节水增发电量，同时也可有效避免电网考核电量的发生，为葛洲坝电厂节水增发、提高经济效益做出了贡献。

2.1 电站机组发电工况的模拟
利用计算表中的“机组状态”、“单机水头”、“全厂自动水头”、“全厂负荷分配模式”以及“分厂负荷分配模式”等状态功能的选择设置，可以完全模拟电站机组的实时发电工况。

通过直观模拟，为运行人员熟悉全电站机组的运行方式以及掌握全电站水头、出力情况提供了方便。

2.2 电站机组发电能力的推算
在模拟实时发电工况的基础上，可以参照水头、拦污栅压差以及机组工况，灵活改变计算表中的相关水头设置，即可快速推算全电站机组发电能力。

由于实际工作中不可能在运行的监控系统上进行模拟推算，所以，该项应用在汛期是比较实用的。

2.3 电站机组出力的模拟分配和开、停机策略判断
在选择相应水头或自动水头、设置相应机组状态后，本表可以自动计算机组发电、备用、检修机组台数、大江、二江和全厂机组理论最大出力和旋转备用容量，还可进行简单的机组开停机策略判断。

这些功能主要运用于岁修期间，运行人员可利用此表提前模拟全厂各时段发电计划的走向，为电站高效、合理分配出力以及做好机组的开、停机管理提供保证。

2.4 电站节水增发的数据支持
计算表中的电站实时发电流量、实时耗水率的模拟计算功能经实际运用测试，模拟计算数据准确可靠，因此，相关计算结果可为节水增发工作提供重要数据支持。

1)实时发电流量的计算数据实测。

例如，表1为2012年9月15日02时至16日00时梯调葛洲坝整点水情数据。

其中9月15日10时，大江、二江机组全部运行，大江、二江出力(1 880+1 020)MW，发电流量显示为18 500 m3/s，按工作水头大江取19.20 m，二江取19.00 m，用该表计算数据为18 474 m3/s;另9月16
日00时，大江、二江机组全部运行，大江、二江出力(1 880+1 020)MW，发电
流量显示为18 600 m3/s，按工作水头大江取19.10 m，二江取19.00 m，用该
表计算数据为18 565 m3/s。

由此可见，两者数据均非常接近，表明该表计算数
据可靠，符合实际工作的要求。

2)实时耗水率运用。

当在给定大江、二江水头、出力和运行方式的情况下，结合上述的2.3条功能，可在计算表中模拟一个耗水率最优的运行方式，用以指导实际节水增发工作。

当然，耗水率最优运行方式在实践过程中还要受到系统潮流、系统备用容量和设备运行方式等多种因数的制约，但参照耗水率计算数据，还是可以减少工作的盲目性的。

实际工作中有不少运用的事例，在此就不赘述。

表1 梯调葛洲坝整点水情数据表时间 5号站水位/m 7号站水位/m 大江水头/m 二江水头/m 发电流量/(m3·s－1)09 －16 T00 66.17 46.29 19.10 19.00 18 600 09 －15 T22 66.12 46.91 18.84 18.65 19 100 09 －15 T20 66.08 46.99 18.79 18.59 19 100 09 －15 T18 66.16 47.01 18.88 18.68 19 000 09 －15 T16 66.23 46.87 18.93 18.74 19 000 09 －15 T14 66.10 46.87 18.87 18.67 19 000 09 －15 T12 66.13 46.91 18.86 18.62 19 000 09 －15 T10 66.22 46.93 19.20 19.00 18 500 09 －15 T08 66.15 46.42 19.56 19.40 18 000 09 －15 T06 66.22 46.35 19.62 19.52 18 000 09 －15 T04 66.19 46.22 19.26 19.22 18 500 09 －15 T02 66.01 46.68 18.63 18.50 19 400
3 后续开发
1)机组出力计算表中12.10 m及以上水头段出力计算数据已完成，12.10 m以下水头段出力计算数据采集、导入工作正在进行中，故该水头段出力计算功能暂不可用。

2)计算表中“耗水率计算”功能模块因需采集的基础数据量较大，现暂完成了16.10 m及以上水头段“耗水率计算”数据导入，16.10～13.10 m水头段“耗水率计算”数据采集、导入工作正在进行中，故该水头段“耗水率计算”计算功能暂不可用。

另需说明的是，13.10 m以下水头段“耗水率计算”相关数据因水轮机
厂家原始数据缺乏，故该数据采集无法进行，但因葛洲坝机组在13.10 m以下水头段运行的时间不多，故此情况对计算表功能影响不大。

3)因葛洲坝0F机组运行的相对独立性，现本计算表暂未涉及0F，其相关功能将在后续进行开发。

参考文献:
【相关文献】
［1］刘大恺.水轮机［M］.3版.北京:中国水利水电出版社，1997。