淺析牛欄溝水電站機(jī)組出力不足原因分析及解決辦法

黃登海，楊 東

（華能瀾滄江新能源有限公司，云南省昆明市 650214）

淺析牛欄溝水電站機(jī)組出力不足原因分析及解決辦法

黃登海，楊 東

（華能瀾滄江新能源有限公司，云南省昆明市 650214）

本文針對牛欄溝水電站汛期出現(xiàn)攔污柵堵塞造成機(jī)組效率下降的情況，根據(jù)水輪機(jī)出力的特點，分析水頭損失的成因，對該機(jī)組出力不足進(jìn)行簡要分析，根據(jù)機(jī)組設(shè)計特點、現(xiàn)場實際運(yùn)行情況，提出避免和消除攔污柵堵塞增大水頭損失的措施。從理論上分析了該水輪機(jī)出力和效率的主要影響因素，為節(jié)能降耗和機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，其結(jié)論能為燈泡貫流式機(jī)組在云南的發(fā)展提供一定的參考，同時也為以后燈泡貫流式機(jī)組在云南的應(yīng)用積累一定經(jīng)驗。

燈泡貫流式水輪機(jī)；攔污柵清污；出力不足；水頭損失

0 引言

牛欄溝水電站位于云南省橫江流域岔河至鹽津縣城段，是流域八級中的第6級電站，為河床壩后式開發(fā)，廠房布置在大壩的左側(cè)，右側(cè)為三個敞開式的泄洪沖沙孔。電站水庫正常蓄水位488.00m，相應(yīng)庫容161.0萬m3，校核洪水位491.36m，對應(yīng)庫容238萬m3。電站引用流量230.4m3/s，額定水頭12.3m，電站主要任務(wù)是發(fā)電。裝設(shè)2臺12.4MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為24.8MW。機(jī)組年利用小時為4560h，多年平均發(fā)電量1.14億kW·h。電站為低水頭徑流式日調(diào)節(jié)水電站，上游水位基本在正常蓄水位和死水位之間波動，變幅不大，下游水位受下泄流量影響，有較大變幅。

1 機(jī)組特點

牛欄溝水電站兩臺機(jī)組自2014年10月份投產(chǎn)以來就一直存在效率偏低及水頭較低時無法帶至額定功率的狀況， 一直存在出力不足的狀況，經(jīng)濟(jì)損失較大，即使勉強(qiáng)達(dá)到額定負(fù)荷，機(jī)組振動會嚴(yán)重超標(biāo)。

發(fā)電機(jī)組取水口前安裝有浮式攔污排，但仍存在雜物堵塞機(jī)組進(jìn)水口攔污柵，導(dǎo)致發(fā)電水頭損失加大，機(jī)組出力受限，威脅機(jī)組安全運(yùn)行的情況。分析攔污柵堵塞對機(jī)組運(yùn)行的影響，弄清水頭損失的成因，對運(yùn)行人員準(zhǔn)確判斷攔污柵堵塞程度，及時安排清污；避免因水流中雜物塞柵造成柵體壓彎、振動及失穩(wěn)，保證機(jī)組高效運(yùn)行有重要的意義。

1.1 設(shè)計要求

根據(jù)設(shè)計文件要求，水輪機(jī)額定水頭12.3m時，水輪機(jī)最大功率不低于12.85MW，最大水頭15.2m時，最大功率不小于14.2MW，最小水頭7.14m時，最大功率不小于5.9MW，在額定水頭下，引用流量115.2 m3/s，水輪機(jī)的出力效率值不低于94.6%。

表1 各種工況下的水位

表2 下游尾水位與流量關(guān)系

由表2看出，兩臺機(jī)組達(dá)到滿發(fā)尾水位應(yīng)保持在474.25m以下，為理想狀態(tài)。按設(shè)計要求流量在452m3/s時，尾水水位應(yīng)在475.2m，但實際此時水位為476m以上。

1.2 數(shù)據(jù)對比

1、2號機(jī)組試運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1、表2。

表3 2號機(jī)組試運(yùn)行數(shù)據(jù)

表4 1號機(jī)組試運(yùn)行數(shù)據(jù)

機(jī)組后期在各水頭下機(jī)組的出力見表5。

通過攔污柵清理前后對比情況分析：

（1）清理前:

1）以2號機(jī)組為列，清理前機(jī)組出力5MW左右，雖然開度到達(dá)最大，但是流量仍然達(dá)不到額定值。

2）從表5可看出，在水頭基本保持不變的情況下，1、2號機(jī)組進(jìn)水口攔污柵清理前后對比，導(dǎo)葉開度及槳葉開度達(dá)到最大值時，機(jī)組出力、流量發(fā)生明顯變化。

（2）清理后：

1）壩前水位在死水位左右，雖然機(jī)組流量達(dá)到額定值，但是由于尾水水位較高，水頭未到達(dá)額定值，所以機(jī)組仍然無法到達(dá)額定出力。

2）根據(jù)歷史記錄， 2014年2月22日壩前水位在正常蓄水位以上，機(jī)組流量達(dá)到額定值、水頭達(dá)到額定水頭后，在尾水水位降低至474.63m時機(jī)組能達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行。

3）另外從2014年8月20日， 2號機(jī)組最大負(fù)荷10.3MW，毛水頭均為10.8m ； 1號機(jī)組清理攔污柵后最大負(fù)荷10.42MW，進(jìn)水口攔污柵未堵塞，但此時尾水水位較高，壩前水位較低。

4）根據(jù)8月25日試驗前后對比，機(jī)組出力隨著壩前水位升高及尾水水位降低不斷變化，雖然達(dá)到正常庫水位且水頭達(dá)到額定時機(jī)組未達(dá)到額定要求。

表5 機(jī)組后期各水頭下出力

2 原因分析

2.1 攔污柵水頭損失對機(jī)組出力的影響

水輪發(fā)電機(jī)組出力見式（1）：

式中：N——出力；

Q——流量；

Hm——發(fā)電水頭；

η——水輪機(jī)效率；

γ——水的重度（γ=9.81kN/m3）。

燈泡貫流式水電站低水頭大流量的特性決定了進(jìn)水口攔污柵水頭損失的微小變化對出力的影響大。水頭減小后發(fā)電耗水率必然增加。所以要求適時清污，盡可能減小水頭損失，保證機(jī)組高效運(yùn)行。

2.2 水頭損失的成因

（1）水頭損失的成因。

水電站發(fā)電水頭計算見式（2）：

式中：Z上——上游水位；

Z下——下游水位；

H損——水頭損失，H損＝hf+hj；

hf——沿程水頭損失；

hj——局部水頭損失。

水頭損失是水流在運(yùn)動過程中克服水流阻力而消耗的能量。其中邊界對水流的阻力是產(chǎn)生水頭損失的外因，液體的黏滯性是產(chǎn)生水頭損失的內(nèi)因。當(dāng)液體沿縱向邊界流動時，如果局部邊界的形狀或大小改變，或存在局部阻礙時，液體內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會急劇變化，液體質(zhì)點間的相對運(yùn)動加強(qiáng)，內(nèi)摩擦增大，產(chǎn)生較大的能量損失，這種發(fā)生在局部范圍內(nèi)的水頭損失稱作為局部水頭損失。

水流在通過攔污柵時，柵條對其有一個局部阻礙作用，產(chǎn)生不可避免的局部水頭損失。另外，所攔截的雜物，部分地堵塞柵孔，使攔污柵原有的邊界條件改變，加劇了對水流的阻礙作用，致使過柵的局部水頭損失增加，這部分損失，通過攔污柵清污基本可以清除。

牛欄溝電站所屬流域來水量泥沙及漂浮物較多，機(jī)組進(jìn)水口攔污柵堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致水輪機(jī)凈水頭損失，機(jī)組出力受限明顯，效率降低為主要原因。

（2）由于電站基本無蓄水能力，壩前水位基本保持在死水位486.5m左右運(yùn)行，尾水水位一直較高，基本維持在476m左右，而設(shè)計尾水水位在475m左右，此時機(jī)組毛水頭雖然到達(dá)9.5m，但是由于在汛期由于水質(zhì)原因攔污柵堵塞容易堵塞，實際機(jī)組凈水頭會有一定損失，機(jī)組效率降低，從而機(jī)組出力無法達(dá)到設(shè)計要求。

（3）上游入庫流量對機(jī)組出力會產(chǎn)生一定影響，入庫流量增大，尾水水位將增加，且壩前水位降低，水頭受損嚴(yán)重引起出力不足，效率降低，根據(jù)設(shè)計要求一般流量在300m3/s左右，尾水水位在474.25m時機(jī)組效率影響最小。機(jī)組出力達(dá)到理想效果，而當(dāng)流量大于600m3/s時，上游來水夾帶泥沙導(dǎo)致進(jìn)水口堵塞較為嚴(yán)重且機(jī)組水頭損失影響機(jī)組出力。

（4）機(jī)組攔污柵清理前后對比柵前水位與柵后水位相差至2～3m，此時對機(jī)組效率影響較為明顯，即使水頭達(dá)到一定范圍，但是凈水頭嚴(yán)重不足，影響機(jī)組效率。而調(diào)速器根據(jù)水頭變化來選擇不同的協(xié)聯(lián)曲線，對全部機(jī)組清渣完畢后，比較機(jī)組間同負(fù)荷情況下導(dǎo)葉開度值，相差均變化不大。

（5）通過查看機(jī)組72h試運(yùn)行記錄分析，雖然機(jī)組達(dá)到額定水位，且尾水水位在設(shè)計范圍內(nèi)，水頭已達(dá)到額定水頭并且已超過額定水頭，仍然出力不足主要原因為機(jī)組流量不足，導(dǎo)葉未開啟至最大引起出力不足。

綜合以上原因影響機(jī)組出力的原因：水工建筑物結(jié)構(gòu)和尺寸。進(jìn)水口門槽、攔污柵等的形式和尺寸與設(shè)計值有較大偏差，以及水輪機(jī)與尾水閘門流道形狀及尺寸的差異，都會造成水頭損失的增加從而影響機(jī)組出力。水庫水質(zhì)與漂浮物、水輪機(jī)導(dǎo)葉與槳葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系、振動和尾水位的變化等，都會對機(jī)組出力產(chǎn)生很大的影響。

3 改進(jìn)措施及幾點注意事項

（1）電站運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)機(jī)組出力受限時，加強(qiáng)與上游電站的聯(lián)系，上游電站采取沖沙時電站也應(yīng)及時采取措施進(jìn)行沖沙。

（2）在調(diào)度中利用洪水削退時段及時調(diào)整加大靠近機(jī)組段或壩前污多段溢洪道閘門開度集中泄流，既可排走部分漂浮污物，又不會造成水量浪費(fèi)。盡量停機(jī)對攔污柵進(jìn)行及時清理以便提高機(jī)組有效出力。

（3）電站運(yùn)行人員應(yīng)準(zhǔn)確把握攔污柵清污時機(jī)，根據(jù)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組對水頭的敏感性，同型機(jī)組通過對比同負(fù)荷下機(jī)組間調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系的差異，當(dāng)導(dǎo)葉開度值相差達(dá)5%時安排清污，也是一種有效的手段。

（4）確保清污機(jī)械設(shè)備狀態(tài)良好，攔污柵清污機(jī)械設(shè)備在枯水期基本上不使用，平時應(yīng)作好攔污柵清污機(jī)械檢修、保養(yǎng)工作，在豐水期到來前應(yīng)安排檢修和試啟動，并列入汛前檢查項目，確保清污裝置隨時能正常投入使用。還應(yīng)根據(jù)攔污柵使用情況，在枯水期進(jìn)行檢修。

（5）提高對攔污柵堵塞影響機(jī)組效率的認(rèn)識，運(yùn)行人員應(yīng)時刻關(guān)注機(jī)組水頭損失的變化，勤比較、多分析，準(zhǔn)確把握攔污柵清污時機(jī)，及時安排清污。

（6）通過綜合分析云南地區(qū)不適宜建設(shè)該類機(jī)型機(jī)組的水電站，機(jī)組出力效果較差，機(jī)組檢修工作安排一般安排在汛期，而枯水期發(fā)電運(yùn)行較為理想。

4 結(jié)束語

以上淺析和論述僅基于牛欄溝這種低水頭貫流式電站的具體情況，意在通過分析尋求有效的節(jié)能降耗途徑，及時對攔污柵清污降低水頭損失，不僅是非常必要的降耗措施，也是非常重要的安全措施，為進(jìn)一步做好水電廠節(jié)水增發(fā)電量、安全穩(wěn)定運(yùn)行起到一定作用。

[1]王正偉，周凌九，陳炎光，丁銘，陳國棟.燈泡貫流式水輪機(jī)水力損失分析［J］.大電機(jī)技術(shù)，2004，（5）.

[2]富旭平，鄭峰.燈泡貫流式水輪機(jī)效率問題［J］.水電能源科學(xué)，2008，（5）.

[3]秦正飛，王煜，高磊，汪健.基于EEMD和優(yōu)化SVM的水電機(jī)組振動故障診斷［J］.水電與抽水蓄能.2016，2（1）：67-70.

[4]許紅義.基于高斯閾值法的水電機(jī)組狀態(tài)評估方法研究［J］.水電與抽水蓄能.2016，2（3）：30-33.

黃登海（1983—），男，本科，工程師，主要研究方向：水電廠水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、電氣二次等管理。E-mail：632622215@qq.com

楊 東（1972—），男，本科，工程師，主要研究方向：發(fā)變電設(shè)備運(yùn)行及檢修、安全監(jiān)察管理。E-mail：497572457@qq.com

Niulangou Hydropower Station， the Insufficient Output Cause Analysis and Solution

HUANG Denghai， YANG Dong
（Huaneng lancang river new energy Co.， Ltd.Kunming 650214，China)

This paper for niulangou hydropower station in flood season trashrack plugged caused a decline in the efficiency of the unit，according to the characteristics of the turbine output， analysis of the causes of head loss and the unit insufficient output is analyzed briefly， according to the actual characteristics of unit design，field operation is proposed to avoid and eliminate the trashrack plugged increase head loss measures.From the theoretical analysis of the main influencing factors of the turbine output and efficiency， to provide protection for the energy saving and safe and stable operation， the conclusion can provide some reference in the development of Yunnan for the bulb turbine units， but also for the future of bulb tubular unit applied to accumulate some experience in Yunnan.

bulb tubular turbine ; removal of pollutants by trash rack ; the output is insufficient ; water head loss