汾河二庫水電站機組應(yīng)對蓄水位抬高后的改造方案

(山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024)

汾河二庫水電站機組應(yīng)對蓄水位抬高后的改造方案

張敏杰

(山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024)

本文介紹了汾河二庫水電站蓄水位抬高的原因，以及對水電站的影響。針對水電站設(shè)計水頭增加，對水輪機改造進行分析，同時對配套發(fā)電機的更新改造情況進行闡述，以期為同類工程提供借鑒。

汾河二庫；蓄水位；機組改造

1 概 述

汾河二庫位于太原市尖草坪區(qū)與陽曲縣交界處。水庫總庫容1.33億m3，是汾河上游干流上一座以防洪為主，兼有供水、發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖等綜合效益的大(2)型水利樞紐工程。汾河二庫水電站裝機容量9600kW，設(shè)計年發(fā)電量2350萬kW·h。電站建成投產(chǎn)運行十余年來，給當(dāng)?shù)氐膰窠?jīng)濟發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了可靠的電力能源，產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟效益和較好的社會效益。

2 電站設(shè)計水頭增加的原因

依據(jù)《山西省汾河二庫技施設(shè)計說明書》，水庫正常蓄水位905.70m，設(shè)計發(fā)電水位890.00m，最低發(fā)電水位880.00m，設(shè)計尾水位852.82m。以上水位對應(yīng)的電站最大水頭51m，電站設(shè)計水頭34.5m，電站最小水頭24.4m，電站設(shè)計流量36.5m3/s。

從以上特征水位可以看出，原水輪機設(shè)計水頭為34.5m，對應(yīng)的設(shè)計發(fā)電水位為890.00m。但當(dāng)電站的最大水頭是51m時，對應(yīng)的水位是水庫正常蓄水位905.70m。

根據(jù)山西省政府啟動晉祠泉復(fù)流工程的工作部署和山西省水利廳抬高汾河二庫蓄水位的要求，汾河二庫從2014年2月起，有計劃地逐漸抬高蓄水位，截至2015年年底，汾河二庫大壩經(jīng)過帷幕灌漿后，水庫蓄水位一直維持高水位。近兩年逐日具體蓄水位見表1和表2。

表1 汾河二庫2014年(5—12月)蓄水位

表2 汾河二庫2015年(1-12月)蓄水位

從表1和表2可以看出，近兩年水庫蓄水位維持在897.00～900.00m。水電站的發(fā)電水位維持在897.00～900.00m，大多時間在899.00m左右，高于原設(shè)計發(fā)電水位890.00m，發(fā)電水頭增加約9m，而且水庫蓄水位還會逐步抬高，最終達(dá)到設(shè)計蓄水位905.70m，發(fā)電水頭增加約15m。近兩年蓄水位比初步設(shè)計批復(fù)時的設(shè)計發(fā)電水位平均高9m。為有效利用高水位發(fā)電，可增加其設(shè)計水頭，以完成水電站設(shè)計水頭值的調(diào)整。根據(jù)《小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定“水輪機額定水頭應(yīng)按額定水頭與加權(quán)平均水頭的比值在0.85～0.95之間選擇，且額定水頭不宜高于汛期加權(quán)平均水頭”，有必要對水電站的設(shè)計水位進行修訂，修訂后的水輪機設(shè)計水位為903.00m，對應(yīng)的設(shè)計水頭為48.0m。

3 電站水能計算

汾河二庫為壩后引水式電站，該次設(shè)計水頭增加后計算其電站水能。根據(jù)《小型水電站水文計算規(guī)范》，以豐、平、枯代表年的逐日平均流量進行計算。

按照《小水電水能設(shè)計規(guī)程》，電站出力采用以下公式計算：

N=kqh

式中N——水流出力，kW；k——出力系數(shù)，取值8.6；q——時段平均流量，m3/s；h——凈水頭。

按《小水電水能設(shè)計規(guī)程》中附錄B進行電站水能計算，計算結(jié)果見表3，出力保證率曲線如圖1所示。

表3 汾河二庫水電站水能計算成果

圖1 汾河二庫電站出力-保證率曲線

電站處徑流量主要為汾河二庫下泄水量。汾河二庫的供水對象包括農(nóng)業(yè)用水、城市生活及工業(yè)用水三部分，供水期均可發(fā)電。

由圖1、表1可知，隨著裝機容量的增加，年平均發(fā)電量增幅減小、年利用小時數(shù)降低；從圖1看出，在保證率約為10%時，曲線曲率改變較為明顯，表明隨著裝機容量的增加，發(fā)電保證率將很難提高。

根據(jù)近年來電站引水流量的變化，結(jié)合水能計算結(jié)果，確定改造電站裝機容量增加到15000kW。單臺機容量為5000kW時，其年發(fā)電量為6073萬kW·h，且年利用小時數(shù)達(dá)4049h。相比較前三年平均年發(fā)電量2950萬kW·h，以發(fā)電量計算的增效擴容潛力為105.9%。所以該次改造是非常合理和必要的，從理論上是可行的。

4 電站現(xiàn)狀及存在問題

根據(jù)汾河二庫調(diào)度運行報告，汾河二庫水電站利用灌溉放水進行季節(jié)性發(fā)電，非灌期一般3個月，年放水時間約為200d。原設(shè)計水頭34.5m，設(shè)計最大引用流量36.5m3/s。水電站現(xiàn)安裝3臺機組，單機容量3200kW，總裝機容量9600kW。

目前電站存在以下幾個問題：

a. 運行多年以來，機電設(shè)備老化嚴(yán)重，多數(shù)設(shè)備經(jīng)過幾次維修，存在事故隱患，維修周期縮短。電站設(shè)備完好率降低，設(shè)備運行可靠性降低，機組和電氣設(shè)備長期得不到維修和更新，主機組、電氣設(shè)備有老化現(xiàn)象。

b. 機組參數(shù)已不適合當(dāng)前的特征水位，機型選擇不合理，機組選型配套不當(dāng)，裝置效率降低，綜合能效下降。

c. 不能充分發(fā)揮電站應(yīng)有的效益，浪費大量的清潔可再生能源。

d. 運行維護成本高。由于機組老化，帶病運行，大大增加人員的檢修勞動強度和運行工作量。

由于以上因素，導(dǎo)致電站效率下降，電能質(zhì)量下降，不能產(chǎn)生最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 電站設(shè)計參數(shù)改變

水輪機原設(shè)計水頭34.5m，對應(yīng)水庫水位890.00m，因水庫蓄水要求變化，水庫水位現(xiàn)階段保持在899.00m左右，對應(yīng)水輪機水頭約為45m。今后水庫水位將保持在902.00～905.00m，對應(yīng)水輪機水頭約為48～51m，所以規(guī)定48m為該次改造水輪機的設(shè)計水頭，且水輪機在最高水頭51m時也可在高效區(qū)運行，在最低水頭24.4m時也能運行。

原機組由于受發(fā)電機出力限制，長期出力在額定功率3200kW左右。

當(dāng)水輪機水頭34.5m、機組發(fā)電量3200kW時，設(shè)計工況點單位轉(zhuǎn)速為79.8r/m，單位流量1329L/s，模型空化系數(shù)0.14，設(shè)計工況點如圖2中B點，工況點位于模型最優(yōu)工況點偏右，水輪機安裝高程能滿足空化性能要求。實際運行工況點額定流量10.5m3/s，單位轉(zhuǎn)速79.8r/m，單位流量1144L/s，模型臨界空化系數(shù)0.12，導(dǎo)葉開度約為86%。運行工況點如圖2中A點。

現(xiàn)階段水庫水位保持在899.00m左右，對應(yīng)水輪機水頭45m，機組發(fā)電量3200kW時，單位轉(zhuǎn)速為69.9r/m，單位流量約為820L/s，流量約為8.6m3/s，模型臨界空化系數(shù)約為0.07；水輪機安裝高程能滿足空化性能要求，工況點在模型參數(shù)以外，嚴(yán)重偏離最優(yōu)工況點，導(dǎo)葉開度為61%。運行工況點如圖2中C點。

根據(jù)《晉祠泉復(fù)流工程實施方案》，汾河二庫水位要逐漸蓄水至設(shè)計水位905.70m，當(dāng)水庫水位保持在902.00～905.70m，對應(yīng)水輪機最大水頭為51m，機組功率為3200kW時，單位轉(zhuǎn)速為65.6r/m，單位流量約為720L/s，流量約為6.5m3/s，模型臨界空化系數(shù)約為0.05。水輪機安裝高程能滿足空化性能要求，工況點在模型參數(shù)以外，嚴(yán)重偏離最優(yōu)工況點。導(dǎo)葉理論開度約為46%。運行工況點如圖2中D點。

由以上分析可以看出水輪機水頭為34.5m時，選定水輪機型號HLA551-LJ-125，機組能長期安全穩(wěn)定運行。

現(xiàn)階段水庫水位保持在899.00m左右，對應(yīng)水輪機水頭約為45m，機組功率3200kW時，工況點在模型參數(shù)邊沿，偏離最優(yōu)工況點，導(dǎo)葉開度約為61%，運行數(shù)據(jù)包括溫度、振動、擺動等均在水輪機基本技術(shù)條件規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)，能夠運行，但其主要問題是工況點偏離，效率下降嚴(yán)重，導(dǎo)葉開度較小，導(dǎo)致固定導(dǎo)葉出流角與活動導(dǎo)葉進流角、活動導(dǎo)葉出流角與轉(zhuǎn)輪葉片進口角不相互匹配，產(chǎn)生脫流、空腔汽蝕，出現(xiàn)噪音，嚴(yán)重時出現(xiàn)振動，葉片汽蝕破壞。因此，蝶閥層噪音較大。因?qū)~開度較小，調(diào)速器調(diào)節(jié)品質(zhì)較差。運行中主軸密封漏水較大，其原因是主軸密封磨損嚴(yán)重，水頭增加時，密封壓力增大。因此漏水嚴(yán)重，建議改造。

圖2 各種工況下的設(shè)計工況點

當(dāng)水庫水位保持在902.00～905.00m左右，對應(yīng)水輪機最大水頭約為51m，機組功率為3200kW時，工況點在模型參數(shù)外，嚴(yán)重偏離最優(yōu)工況點，導(dǎo)葉開度約為46%，其效率嚴(yán)重下降。導(dǎo)葉開度很小，固定導(dǎo)葉出流角與活動導(dǎo)葉進流角、活動導(dǎo)葉出流角與轉(zhuǎn)輪葉片的進口角會嚴(yán)重不相互匹配，產(chǎn)生脫流、空腔汽蝕，出現(xiàn)噪音及振動，葉片會汽蝕破壞。因此，蝶閥因?qū)~開度很小，調(diào)速器調(diào)節(jié)品質(zhì)很差。同時由于水頭增加，密封壓力進一步增大，漏水會更加嚴(yán)重。

6 水輪發(fā)電機組選型

因發(fā)電機功率由3200kW增加到5000kW，受發(fā)電機風(fēng)罩尺寸的限制，發(fā)電機定子外徑不能改變，發(fā)電機基礎(chǔ)安裝的螺栓位置也與原機組相同，要滿足功率增加要求，發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子的高度必須增加，配套的下導(dǎo)軸承和上導(dǎo)軸承、推力軸承也要更換，其他發(fā)電機配套設(shè)備也需一同更換，發(fā)電機重量有所增加。經(jīng)過復(fù)核計算，原電站發(fā)電機廠房結(jié)構(gòu)滿足發(fā)電機重量增加的承載要求。所以該次增效擴容改造不改變廠房結(jié)構(gòu)尺寸。發(fā)電機型號為SF5000-14/2600。

7 電站改造的必要性

a. 汾河二庫水電站改造工程完成后，裝機容量大大增加，水電站機組效率提高，電網(wǎng)電損降低。改造工程能夠促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。

b. 通過應(yīng)用先進適用的技術(shù)，提高農(nóng)村水電站的自動化和信息化水平，提升開發(fā)水力資源力度，實現(xiàn)農(nóng)村電氣化建設(shè)的要求。

c. 充分利用水能資源，滿足河流綜合規(guī)劃和水能資源開發(fā)規(guī)劃要求，努力維護河流健康生命，統(tǒng)籌兼顧當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活用水、環(huán)境保護和生態(tài)建設(shè)的需求。

d. 節(jié)能減排，提高水能資源的利用效率，通過效率的提高，生產(chǎn)更多的清潔電力能源，有效減少石化能源消耗，為中國減排溫室氣體做出貢獻(xiàn)。

8 結(jié) 語

綜上所述，對汾河二庫水電站進行增效擴容改造，充分利用天然水能發(fā)電，提高電站機組效率，對當(dāng)?shù)毓I(yè)、農(nóng)業(yè)及農(nóng)村電氣化建設(shè)極為有利。

ReconstructionplanofFenheNo.2Reservoirhydropowerstationunittocopewithwaterlevelelevation

ZHANG Minjie

(ShanxiWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Taiyuan030024,China)

In the paper, the reasons of storage water level elevation in Fenhe No. 2 Reservoir hydropower station and its influence on hydropower station are introduced. The reconstruction of hydraulic turbine is analyzed in view of designed water head increase in the hydropower station. Meanwhile, the updating and modification of the auxiliary power generator are expounded in order to provide reference for similar projects.

Fenhe No. 2 Reservoir; storage water level; unit transformation

TV72

：B

：1005-4774(2017)09-0074-04

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.09.020