潮州供水樞紐西溪電站不能同時(shí)滿發(fā)的原因分析及工程處理方案

崔恒富

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635）

1 工程概況

1.1 樞紐概況

潮州供水樞紐工程距潮州市中心約4 km，位于潮州市南邊江東洲北端的東溪和西溪進(jìn)口處。該樞紐是實(shí)施韓江下游三角洲地區(qū)水資源統(tǒng)一調(diào)配、解決粵東地區(qū)人民生活用水和工農(nóng)業(yè)用水的重點(diǎn)工程項(xiàng)目。工程開發(fā)任務(wù)以供水為主，兼顧發(fā)電、航運(yùn)及改善水環(huán)境等綜合利用。

樞紐屬大(Ⅰ)型工程，樞紐橫跨韓江被江東洲分流的東溪和西溪。其中東溪樞紐由16 孔攔河閘、東溪電站及土壩連接段等建筑物組成；西溪樞紐由船閘、16 孔攔河閘、土壩連接段及西溪電站組成。

東溪電站裝機(jī)2×9 MW，西溪電站裝機(jī)2×14 MW。

工程動(dòng)工于2002年9月。2005年四季度通過了下閘蓄水安全鑒定。2006年開始試運(yùn)行。2010年蓄水至設(shè)計(jì)蓄水位▽10.5 m（正常蓄水位）后，西溪電站兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行一直未能達(dá)到額定出力。

1.2 西溪電站布置

西溪電站廠房左側(cè)與江東洲堤圍相連，右側(cè)緊靠攔河閘，電站進(jìn)水渠和尾水渠均以導(dǎo)水墻與攔河閘分隔。電站建筑物布置從上游到下游依次為：攔沙坎、進(jìn)水渠(含攔漂排、攔污柵)、主廠房、副廠房及尾水渠（含尾水導(dǎo)墻）等。

電站為低水頭徑流電站，機(jī)組均為天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的燈泡貫流式機(jī)組，裝機(jī)容量為2×14 MW。水輪機(jī)型號(hào): GZ3BN31-WP-600，電站有關(guān)特性如下：

（1）正常蓄水位：10.50 m（珠基高程，下同）

（2）正常尾水位：2.38 m(一臺(tái)機(jī)額定水頭下滿發(fā)），3.94 m（兩臺(tái)機(jī)額定水頭下滿發(fā)）

（3）水輪機(jī)參數(shù)

型號(hào)：GZ3BN31-WP-600

最大水頭：7.98 m

設(shè)計(jì)水頭：5.74 m

額定出力：14.51 MW

額定流量：282.77 m3/s

1.3 試運(yùn)行情況

上游庫水位蓄水至▽10.0～10.5 m后，單機(jī)運(yùn)行時(shí)，水頭在機(jī)組額定水頭以上時(shí)，機(jī)組可以滿負(fù)荷運(yùn)行；但兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，無法滿出力穩(wěn)定運(yùn)行。

運(yùn)行記載表明：單機(jī)運(yùn)行時(shí)由于流量較小，下游尾水位因而較低，水頭總能達(dá)到額定水頭以上；而雙機(jī)運(yùn)行，隨著機(jī)組出力增加，發(fā)電流量增加，廠房下游尾水位也隨之抬高，水頭逐漸減小，往往兩臺(tái)機(jī)組負(fù)荷在25 MW以上時(shí)，水頭就小于額定水頭，機(jī)組無法達(dá)到額定出力。

2 原因分析

2.1 原因分析的思路

根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組的出力公式：

Nf＝9.81·Hr·Q·ηt·ηf

Nf——發(fā)電機(jī)額定功率；

Hr——設(shè)計(jì)水頭；

Q——設(shè)計(jì)工況下單機(jī)流量；

ηt——水輪機(jī)效率；

ηf——發(fā)電機(jī)效率。

可見，機(jī)組出力Nf決定于水頭Hr、流量Q和效率系數(shù)ηt·ηf。為了找出影響電站的主要原因，分別對(duì)機(jī)組效率、流量及水頭等方面進(jìn)行排查，最終確定影響關(guān)鍵因素并提出解決方案。

2.2 原因排查

⑴效率系數(shù)ηt、ηf

由于機(jī)組效率是設(shè)備制造因素決定的，廠家在出廠前已進(jìn)行過檢測(cè)，且試運(yùn)行期間單機(jī)可以滿發(fā)，所以暫時(shí)不考慮機(jī)組本身的因素。

⑵流量Q

由于過機(jī)流量與流道斷面尺寸及流速有關(guān)，而流速又與機(jī)組上下游水位差有關(guān)，根據(jù)對(duì)流道斷面復(fù)核，只要上下游水位差滿足設(shè)計(jì)要求，過流能力是可以滿足設(shè)計(jì)要求的，因此，最終影響機(jī)組出力的關(guān)鍵因素在水頭。

⑶水頭Hr

根據(jù)機(jī)組出力計(jì)算，設(shè)計(jì)水頭為5.74 m，也就是說，作用在機(jī)組的凈水頭達(dá)到5.74 m，則機(jī)組應(yīng)能達(dá)到額定出力。理論上在上游正常蓄水位為10.5 m、兩臺(tái)機(jī)額定水頭下滿發(fā)正常尾水位為3.94 m情況下，其毛水頭為6.56 m，只要水頭損失小于0.82 m即可滿足額定出力要求。但實(shí)際運(yùn)行情況是否與理論計(jì)算一致，則需要進(jìn)一步進(jìn)行確認(rèn)。

2.3 檢測(cè)與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同水位及運(yùn)行工況下的特征水位及對(duì)應(yīng)的水頭損失，找出影響水位變化的各種原因，我院委托廣東省水利水電科學(xué)研究院（以下簡稱水科院）對(duì)西溪電站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，結(jié)果見《潮州供水樞紐西溪水電廠機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)報(bào)告》（以下簡稱檢測(cè)報(bào)告），兩臺(tái)機(jī)運(yùn)行有關(guān)檢測(cè)的方法及數(shù)據(jù)如下：

2.3.1 檢測(cè)方法

（1）電站進(jìn)水渠段水位測(cè)點(diǎn)

電站進(jìn)水渠段共布置19個(gè)水位檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)機(jī)組不同出力時(shí)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)水位，水位采用鋼尺或水位尺檢測(cè)。檢測(cè)前對(duì)水位測(cè)點(diǎn)高程進(jìn)行校驗(yàn)。

（2）尾水渠段水位測(cè)點(diǎn)

尾水渠段共布置7個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)機(jī)組不同出力時(shí)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)水位，水位采用鋼尺或水位尺檢測(cè)，檢測(cè)前對(duì)水位測(cè)點(diǎn)高程進(jìn)行校驗(yàn)。

（3）超聲波水位計(jì)測(cè)點(diǎn)

電站安裝了7臺(tái)超聲波水位計(jì)，每臺(tái)機(jī)組攔污柵前、后處各安裝1臺(tái)，尾水處各安裝1臺(tái)，距攔漂排上游約800 m處安裝1臺(tái)作為庫水位測(cè)點(diǎn)。本次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，根據(jù)試驗(yàn)需要讀取機(jī)組攔污柵后和庫水位超聲波水位計(jì)的值。檢測(cè)前對(duì)水位計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)。

（4）壓力測(cè)點(diǎn)

在每臺(tái)水輪機(jī)進(jìn)、出口斷面各布置1個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，采用壓力表測(cè)量，壓力表前加裝穩(wěn)壓裝置，檢測(cè)不同出力時(shí)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)壓力。壓力表精度為0.2級(jí)，兩臺(tái)機(jī)組共布置4個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。

（5）功率測(cè)點(diǎn)

采用電站安裝的功率表進(jìn)行檢測(cè)。

（6）檢測(cè)的主要工況

1）單機(jī)運(yùn)行工況。單機(jī)（1號(hào)和2號(hào)機(jī)分別進(jìn)行）輸出功率從8 500 kW逐工況調(diào)節(jié)至14 000 kW，工況點(diǎn)間隔500 kW，在每個(gè)測(cè)試工況下，同時(shí)檢測(cè)進(jìn)水渠段水位、尾水渠段水位、柵后水位、庫水位、水輪機(jī)進(jìn)、出口斷面壓力、發(fā)電機(jī)輸出功率。

2）兩臺(tái)機(jī)同時(shí)運(yùn)行工況。一臺(tái)機(jī)組保持額定功率（14 000 kW）,另一臺(tái)機(jī)組輸出功率從8 500 kW逐工況調(diào)節(jié)至14 000 kW，工況點(diǎn)間隔500 kW，直至兩臺(tái)機(jī)組總功率達(dá)到最大，在每個(gè)測(cè)試工況下，同時(shí)檢測(cè)進(jìn)水渠段水位、尾水渠段水位、柵后水位、庫水位、水輪機(jī)進(jìn)、出口斷面壓力、發(fā)電機(jī)輸出功率。

2.3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)

（1）上下游水位變化及水頭損失情況

根據(jù)潮州供水樞紐初步設(shè)計(jì)對(duì)西溪電站水頭損失計(jì)算，進(jìn)水渠進(jìn)口、攔污柵、進(jìn)/出口閘門門槽、閘門進(jìn)/出口、尾水渠出口等局部水頭損失及沿程水頭損失總量為0.267 m。

水科院《檢測(cè)報(bào)告》對(duì)機(jī)組運(yùn)行時(shí)進(jìn)水渠和尾水渠順?biāo)鞣较蚝痛怪彼鞣较虻乃贿M(jìn)行了量測(cè)。單機(jī)在接近設(shè)計(jì)水頭滿發(fā)時(shí)，水庫至攔污柵后檢測(cè)點(diǎn)之間的水位下降（順?biāo)鞣较蛩^損失），見表1。

表1 機(jī)組上游的水頭損失

通過實(shí)測(cè)水頭損失與初步設(shè)計(jì)階段計(jì)算水頭損失比較，各部位的損失都比理論計(jì)算值偏大。

垂直于水流方向：檢測(cè)報(bào)告表明，雙機(jī)運(yùn)行時(shí)，上游進(jìn)水渠的水面總是1號(hào)機(jī)高于2號(hào)機(jī)12 cm左右；說明進(jìn)水渠存在側(cè)向水流。

下游尾水位：由于受尾水導(dǎo)墻的約束，當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，尾水渠水位比導(dǎo)墻外側(cè)水位高出1.1 m。

（2）機(jī)組出力情況

西溪電站任何一臺(tái)單機(jī)在設(shè)計(jì)水頭下均能達(dá)到額定出力14 MW。

當(dāng)1號(hào)機(jī)滿發(fā)，2號(hào)機(jī)從8.5 MW升至11 MW時(shí)，機(jī)組出力不再上升。當(dāng)2號(hào)機(jī)滿發(fā)，1號(hào)機(jī)從8.5 MW升至10.5 MW時(shí)，機(jī)組出力不再上升。總的出力基本維持在24.4～24.8 MW之間，距離額定出力相差3.2～3.6 MW。

2.3.3 檢測(cè)結(jié)論

根據(jù)水科院的檢測(cè)及我院的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）上游進(jìn)水渠段的水位坡降正常。

（2）進(jìn)口攔污柵水頭損失最大0.37 m。

（3）庫水位點(diǎn)至進(jìn)水渠首水頭損失（包括攔漂排）最大0.45 m。

（4）在額定工作水頭下運(yùn)行，單機(jī)基本可發(fā)出額定功率。

（5）單機(jī)、雙機(jī)運(yùn)行時(shí)的尾水水位均符合設(shè)計(jì)要求。

（6）雙機(jī)運(yùn)行時(shí)，尾水出口水位比閘后水位差超1.0 m，最大達(dá)到1.1 m。

3 水工模型試驗(yàn)成果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)論，找出解決電站兩臺(tái)機(jī)組不能同時(shí)滿發(fā)的原因及后續(xù)工程處理措施，我院委托水科院進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)，成果見《潮州供水樞紐西溪電站水工模型試驗(yàn)報(bào)告》（2016年7月）。模型試驗(yàn)主要成果及結(jié)論如下：

3.1 進(jìn)水渠沿程水頭損失

根據(jù)水科院水工模型試驗(yàn)成果(見模型試驗(yàn)報(bào)告第5章電站現(xiàn)狀方案運(yùn)行試驗(yàn))，在現(xiàn)狀布置情況下：當(dāng)雙機(jī)滿發(fā)時(shí)，1號(hào)機(jī)沿程水頭損失0.21 m；2號(hào)機(jī)沿程水頭損失0.36 m。當(dāng)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，1號(hào)機(jī)滿發(fā)沿程水頭損失0.17 m，2號(hào)機(jī)滿發(fā)沿程水頭損失0.18 m。

3.2 尾水渠沿程水頭損失

在現(xiàn)狀布置情況下：當(dāng)雙機(jī)滿發(fā)時(shí)，1號(hào)機(jī)水頭損失1.9 m；2號(hào)機(jī)水頭損失1.92 m。當(dāng)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，1號(hào)機(jī)滿發(fā)沿程水頭損失0.68 m，2號(hào)機(jī)滿發(fā)沿程水頭損失0.72 m。尾水渠的末端存在明顯的跌水。

3.3 電站出力分析

（1）當(dāng)庫水位為10.5 m時(shí)，1號(hào)機(jī)的柵前水位10.29 m，在給定攔污柵的水頭損失為0.3 m的情況下(水科院檢測(cè)結(jié)果分別是1號(hào)機(jī)0.28 m，2號(hào)機(jī)為0.37 m)，雙機(jī)過滿發(fā)流量對(duì)應(yīng)的1號(hào)機(jī)柵后水位為9.99 m，1號(hào)機(jī)尾水位為4.29 m，由此算得1號(hào)機(jī)的工作水頭為5.2 m，小于額定工作水頭5.74 m。

（2）當(dāng)庫水位為10.5 m時(shí)，2號(hào)機(jī)的柵前水位10.14 m，在給定攔污柵的水頭損失為0.3 m的情況下，雙機(jī)過滿發(fā)流量對(duì)應(yīng)的2號(hào)機(jī)柵后水位為9.84 m，2號(hào)機(jī)尾水位為4.31 m，由此算得電站工作水頭為5.03 m，小于額定工作水頭5.74 m。

（3）當(dāng)庫水位為10.5 m時(shí)，單機(jī)滿發(fā)運(yùn)行時(shí)，1號(hào)機(jī)組柵前水位10.32 m，在給定攔污柵的水頭損失為0.3 m的情況下，1號(hào)機(jī)柵后水位為10.02 m，1號(hào)機(jī)尾水位為2.78 m，由此算得電站工作水頭為6.74 m，大于額定工作水頭5.74 m。2號(hào)機(jī)的工作水頭是6.7 m，也大于額定工作水頭5.74 m。

3.4 綜合結(jié)論

根據(jù)水科院現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及水工模型試驗(yàn)的結(jié)果，西溪電站兩臺(tái)機(jī)組不能同時(shí)滿發(fā)的主要原因是進(jìn)口攔漂排、攔污柵及沿程水頭損失偏大，以及電站尾水?dāng)U散不暢，導(dǎo)致發(fā)電水頭小于額定水頭；該結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)論基本一致。

4 工程處理方案

本次對(duì)電站的檢測(cè)以及樞紐長期以來的運(yùn)行觀測(cè)表明，改造攔漂排、攔污柵，改造進(jìn)水渠和尾水渠，均可以有效地增高水頭。為此，結(jié)合潮州西溪電站的原設(shè)計(jì)情況以及目前電站運(yùn)行的實(shí)際情況，提出電站改造措施，同時(shí)結(jié)合水工模型試驗(yàn)成果最終確定電站改造的措施。

4.1 進(jìn)水渠改造方案

（1）將頂高程▽6.0 m的導(dǎo)墻(樁號(hào)0-056.60至0-101.024、長度為44.424 m)降至頂高程▽3.5 m，與攔沙坎同高，增大進(jìn)入進(jìn)水渠的過水?dāng)嗝妗?/p>

模型試驗(yàn)結(jié)論：改造后上游進(jìn)水渠流態(tài)有明顯改善，渠首近區(qū)段流態(tài)平穩(wěn)和平順。流速減小，沿程水頭損失減小，與現(xiàn)狀方案相比，1號(hào)機(jī)組增加水頭0.04 m，2號(hào)機(jī)組增加水頭0.09 m。

（2）將頂高程▽12.8 m的導(dǎo)墻(樁號(hào)0-022.50至 0-056.60、長度 34.1 m)，在高程▽ 8.5～10.5 m 開直徑為2 m的導(dǎo)流孔，間隔4 m?？卓谕鈧?cè)裝設(shè)攔污隔柵。

模型試驗(yàn)結(jié)論：改造后渠首近區(qū)流態(tài)及流速改善不明顯，與現(xiàn)狀方案相比，1號(hào)機(jī)組增加水頭0.01 m，2號(hào)機(jī)組增加水頭0.07 m，改造方案雖然可以增加少量水頭，但開孔施工難度大，建議在效果接近的情況下，優(yōu)先考慮其他工程措施。

（3） 攔漂排改造，將現(xiàn)有攔漂排拆除，重新布置范圍較大的攔漂排，新設(shè)置的攔漂排分5段布置，第1段與廠房右側(cè)導(dǎo)墻方向一致，長度約48 m；第2段與水流方向的夾角為15°，連接點(diǎn)在兩臺(tái)機(jī)的中間隔墻的延長線上，長度約75 m；第3段與水流方向的夾角為30°，連接點(diǎn)在電站左側(cè)導(dǎo)墻的延長線上，長度約68 m；第4段與水流方向的夾角為60°，長度約43 m；第5段與水流方向垂直，并與岸坡連接。所有連接點(diǎn)采用直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，攔污浮排通過金屬結(jié)構(gòu)與樁身連接?？紤]樞紐蓄水后庫區(qū)無法干地施工，鉆孔灌注樁采用水上平臺(tái)施工。

模型試驗(yàn)結(jié)論：改造后除第1段的流態(tài)和流速改善不明顯外，其余各段流速均小于1 m/s，排漂效果明顯改善。

4.2 尾水渠改造方案

在現(xiàn)狀方案基礎(chǔ)上，將尾水渠右側(cè)導(dǎo)墻(樁號(hào)0+105.15至0+150.00)降低至0.5 m和0.00 m高程，其余布置不變。

模型試驗(yàn)結(jié)論：將尾水渠右側(cè)導(dǎo)墻降低至0.5 m后，電站尾水向右側(cè)河道擴(kuò)散明顯，可有效降低尾水渠內(nèi)的水位，雙機(jī)滿發(fā)時(shí)，尾水渠內(nèi)水位降低了0.86 m。將尾水渠右側(cè)導(dǎo)墻降低至0.00 m后，尾水出流擴(kuò)散更明顯，雙機(jī)滿發(fā)時(shí)，獲取的水頭分別是6.13 m和6.08 m，均大于額定水頭。

由于在2007年對(duì)海漫進(jìn)行了改造，目前水閘的消力池底板與電站尾水渠的底板高程之間存在3.3 m的高差，即使尾水導(dǎo)墻降低至0.00 m后，尾水渠內(nèi)無泥沙淤積，對(duì)左岸邊坡沖刷影響也較小，說明降低尾水右側(cè)導(dǎo)墻的方案是合理有效的。

5 結(jié)語

本文根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組的出力原理，全面梳理和分析影響機(jī)組出力的各種因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和水工模型試驗(yàn)的結(jié)論提出解決兩臺(tái)機(jī)組不能同時(shí)滿發(fā)的工程處理方案，根據(jù)水工模型試驗(yàn)的結(jié)論，改造后可以減少上下游水頭損失，改善水流條件及排漂效果，增大發(fā)電水頭，達(dá)到兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)滿發(fā)的目的，在工程實(shí)施過程中，我們綜合考慮對(duì)發(fā)電水頭貢獻(xiàn)大小及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的難易程度后選擇實(shí)施的先后順序，本工程重點(diǎn)對(duì)尾水渠導(dǎo)墻及進(jìn)水口攔漂排進(jìn)行先行改造，本工程的處理方案對(duì)其他類似工程也起到一定的借鑒作用。