黃少敏

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水電站出力不足的原因分析及解決辦法

黃少敏

福建水利電力職業(yè)技術(shù)學院

對運行中的一座水電站出現(xiàn)出力不足的現(xiàn)象進行分析，并提出適合實際需要的解決辦法。

水電站 出力不足 原因分析 解決辦法

永安億泉發(fā)電有限公司位于文川溪中上游河段，是永安境內(nèi)文川溪梯級工程中，裝機規(guī)模最大、具有調(diào)節(jié)庫容的龍頭電站，能對下游各梯級電站起調(diào)節(jié)作用。壩址上游流域面積為541平方公里，水庫總庫容為1.003×108m3。水電站正常蓄水位為305.00 m，死水位為291.50 m，設(shè)計洪水位為305.43 m，校核洪水位為305.85 m；調(diào)洪庫容為2.29×106m3，調(diào)節(jié)庫容2.5×106m3。

水電站裝設(shè)兩臺2×5000 KW的立式水輪發(fā)電機組，多年平均年發(fā)電量為3.5×107kwh，年利用小時數(shù)為4130h，多年平均年利用小時數(shù)為3560h；保證出力為9800 KW，水輪機型號為HL250—LJ—140，額定轉(zhuǎn)速為375 r/min，單機額定流量為14.78m3/s，最大水頭44.7m，額定水頭為39.10 m，最小水頭31.4 m；發(fā)電機型號為SF5000-16/3250，額定容量為5000 KW，額定轉(zhuǎn)速為375轉(zhuǎn)/分。

1 問題的提出

該水電站在開始投入運行時，2臺機同時運行時可以滿發(fā)，有時還可以超發(fā)100～200 KW。但是在近期運行過程中，即使1臺機同時運行且水頭、流量滿足要求時，機組最多只能帶4800～4900KW；若2臺機同時運行，即使在水頭、流量滿足要求的情況下，仍然無法達到正常出力，而且出力還會下降。但是在機組運行過程中，沒有出現(xiàn)機組振動的現(xiàn)象。

2 存在問題的原因分析

針對上述的現(xiàn)象分析，可以初步判斷引起上述現(xiàn)象的原因有三個方面：一是水輪機轉(zhuǎn)輪的過流表面剛度、強度不足，造成轉(zhuǎn)輪抗空蝕和抗磨能力不足，使得水輪機在運行時轉(zhuǎn)輪葉片的表面出現(xiàn)空蝕磨損現(xiàn)象，造成水輪機轉(zhuǎn)輪的效率下降；二是引水道之中存在堵塞物，如樹木、淤泥等，減小了流道的過水斷面，使得流量不足。上述二種原因就是造成機組出力不足的主要因素。

3 存在問題的解決辦法

3.1 針對引水道之中存在堵塞物的問題

由于上坂水庫電站位于河道的中間，河道兩邊樹木繁茂，不可避免的有許多樹枝和樹葉落到水庫之中；而這些樹枝和樹葉會順著水流流道進入引水道入口處，在入口處攔污柵前形成堵塞現(xiàn)象，這樣在入口處攔污柵前形成水頭落差，無形之間降低了水輪機的工作水頭；同時也有一些石頭、淤泥之類的會在水流流道中淤積，也會造成流道中過水面積的減少；所以需要對攔污柵前以及水流流道中的淤積物進行清理，以保證水流流動順暢。

3.2 針對轉(zhuǎn)輪的過流表面剛度、強度不足的問題

轉(zhuǎn)輪的過流表面剛度、強度不足，是造成抗空蝕和抗磨能力不足的主要原因。針對這個現(xiàn)象，可以從幾個方面進行改進：一是在轉(zhuǎn)輪的過流表面以及其它過流部件表面易空蝕磨損的部位鋪焊不銹鋼，以提高抗空蝕磨損的效果；二是在轉(zhuǎn)輪的制造過程中，需要采用剛度和強度較高的鋼材，根據(jù)實際需要采用對應(yīng)的措施，在一些重要的部位需要使用較好的鋼材，其它部位可以采用一般的鋼材。

3.3 針對水輪機轉(zhuǎn)輪型號不適合的問題

HL250型轉(zhuǎn)輪目前較少使用，因為原來該機組可以滿發(fā)，有時還可以超發(fā)100～200 KW，因此針對水輪機轉(zhuǎn)輪型號不適合的問題，可以有幾種做法：一是在滿足轉(zhuǎn)輪的強度、剛度的基礎(chǔ)上，重新更換一個HL250型轉(zhuǎn)輪，這樣可以保證有關(guān)過流部件的結(jié)構(gòu)尺寸（主要是導(dǎo)葉方面）不用改變，有利于減少機組技術(shù)改造的投資成本；二是重新選擇一個各方面性能更為優(yōu)良的轉(zhuǎn)輪，這樣可能會使得有關(guān)過流部件的結(jié)構(gòu)尺寸（主要是導(dǎo)葉方面）發(fā)生改變，這種做法就會增加機組的投資成本。

如果采用第一種方案，我們可以尋求能夠生產(chǎn)HL250型轉(zhuǎn)輪的相關(guān)生產(chǎn)廠家進行生產(chǎn)；主要要求生產(chǎn)廠家在滿足轉(zhuǎn)輪的強度、剛度的基礎(chǔ)上，重新生產(chǎn)一個HL250型轉(zhuǎn)輪，這樣可以保證有關(guān)過流部件的結(jié)構(gòu)尺寸（主要是導(dǎo)葉方面）不用改變，有利于減少機組的投資成本；但是據(jù)了解，目前國內(nèi)還沒有HL250型轉(zhuǎn)輪型號。

如果采用第二種方案，根據(jù)該水電站的實際情況，我們選擇了二種型號的轉(zhuǎn)輪與HL250型轉(zhuǎn)輪進行比較。有關(guān)不同轉(zhuǎn)輪型號的參數(shù)計算結(jié)果見表1。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，我們可以看出，HLF13的各種參數(shù)與HL250的參數(shù)相差較大，尤其是導(dǎo)葉相對高度較HL250的相差較大；而HLA551C的各種參數(shù)與HL250的參數(shù)比較接近，導(dǎo)葉相對高度只是相差0.01，因此初步?jīng)Q定采用HLA551C型轉(zhuǎn)輪。

表1 3種型號的轉(zhuǎn)輪各種參數(shù)的比較

注：Q1，—轉(zhuǎn)輪限制工況點單位流量，n10，—模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，ns—模型轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速，ηM0—模型轉(zhuǎn)輪最高效率，ηM—模型轉(zhuǎn)輪限制工況點效率，ηmax—原型轉(zhuǎn)輪最高效率，△η1—原、模型轉(zhuǎn)輪的效率差，△η2—原、模型轉(zhuǎn)輪加工誤差，ηs—原型轉(zhuǎn)輪額定點實際效率。

根據(jù)選定的HLA551C型轉(zhuǎn)輪，我們對HL250型轉(zhuǎn)輪和HLA551C型轉(zhuǎn)輪的各種效益參數(shù)指標進行計算比較；表2中HL250機組的出力按照業(yè)主提供目前機組的實際出力參數(shù)為準，年利用小時數(shù)以多年平均年利用小時數(shù)為3560h為準。計算結(jié)果見表2。

注：H—額定水頭，Q—額定流量，ηs—原型水輪機額定點效率，ηf—發(fā)電機效率，Nf—發(fā)電機實際出力，E—機組年發(fā)電量，按運行3560h計算；△E—HLA551C與 HL250機組的年發(fā)電量差，W—不同水頭下HLA551C與 HL250型的年收益，△W—不同水頭下HLA551C與 HL250型的年收益差。

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，與HL250—LJ—140型的水輪發(fā)電機組的發(fā)電量相比較，如果更換一個新的HLA551C型轉(zhuǎn)輪，同時發(fā)電機不要進行改造，只是對導(dǎo)水機構(gòu)的拐臂進行更換，在流道的條件可以滿足流量的前提下，水頭為39.10m的時候，每年可以增發(fā)0.85×107kwh的電能，該水電站的上網(wǎng)電價是0.30元/kwh，經(jīng)過計算，每年經(jīng)濟收入可以增加2.52×106元（由于機組出力達到6107kw，發(fā)電機也要進行更換，這樣會增加機組改造的費用，我們可以通過控制導(dǎo)葉開度來對機組出力進行調(diào)節(jié)，將機組出力控制在發(fā)電機可以承受的范圍）；水頭為38.00m的時候，每年可以增發(fā)0.35×107kwh的電能，每年經(jīng)濟收入可以增加1.02×106元；水頭為37.00m的時候，每年可以增發(fā)0.21×107kwh的電能，經(jīng)濟收入可以增加0.60×106元。

4 更換轉(zhuǎn)輪的費用和經(jīng)濟效益比較

4.1 轉(zhuǎn)輪更換及相關(guān)導(dǎo)水機構(gòu)的費用

制造廠家提出了3種方案，一是整個轉(zhuǎn)輪(上冠、葉片和下環(huán))為不銹鋼材料；二是上冠為碳鋼材料,葉片和下環(huán)為不銹鋼材料；三是整個轉(zhuǎn)輪(上冠,葉片和下環(huán))為碳鋼材料。而整個轉(zhuǎn)輪為不銹鋼材料的，其運行壽命是碳鋼材料的3～5倍。有關(guān)各種方案的轉(zhuǎn)輪以及相關(guān)配套的技術(shù)改造項目的價格見表3。

從表3中可以看出，加上引水流道進口清理費用，方案一的總費用為54萬元，方案二的總費用為50萬元，方案三的總費用為42萬元。

4.2 轉(zhuǎn)輪更換及相關(guān)導(dǎo)水機構(gòu)變化與轉(zhuǎn)輪更換后的費用和經(jīng)濟效益比較

從表2和表3的數(shù)據(jù)可以看出，更換一個新的HLA551C型轉(zhuǎn)輪，同時發(fā)電機不需要進行改造，只是對導(dǎo)水機構(gòu)的拐臂進行更改，水頭為39.10m的時候，每年可以增發(fā)3.99×107kwh的電能，每年經(jīng)濟收入可以增加1.197×107元；當水頭為38.00m的時候，每年經(jīng)濟收入可以增加0.945×107元；當水頭為37.00m的時候，每年經(jīng)濟收入可以增加0.995×107元。

表3 HLA551C-LJ-144轉(zhuǎn)輪更換費用

這三種水頭下的年發(fā)電量所獲得的經(jīng)濟效益，除去方案1（方案2、方案3）技術(shù)改造的費用，其收益與技術(shù)改造費用差見表4。

表4 三種水頭下方案1、2、3收益與技術(shù)改造費用差的比較

注：表4中的收益與技術(shù)改造費用差采用四舍五入的計算方法）。

從表4中可以看出，三種水頭下方案1、2、3收益與技術(shù)改造費用差分別是2.466×107（2.47×107、2.478×107）元、0.966×107（0.97×107、0.978×107）元和0.06×107（1.00×107、1.80×107）元；因此，這個技術(shù)改造完成后，可以在第二年就能夠?qū)⒓夹g(shù)改造的費用回收回來，并且還有大量的盈余。

5 結(jié)論

通過業(yè)主與制造廠家的聯(lián)系與商談，作者認為作為業(yè)主和制造廠家可以通過協(xié)商，從以下幾方面考慮執(zhí)行轉(zhuǎn)輪的技術(shù)改造：

5.1 從技術(shù)方面比較，在轉(zhuǎn)輪的更換上面不存在任何問題；而從經(jīng)濟方面比較，不同水頭下方案1、2、3收益與技術(shù)改造費用差都比較大，因此改造的次年就可以將改造費用回收；其中方案1的改造涉及發(fā)電機改造的問題，我們可以通過控制導(dǎo)葉開度來對機組出力進行調(diào)節(jié)；從使用壽命來分析，建議采用全不銹鋼轉(zhuǎn)輪，因為全不銹鋼轉(zhuǎn)輪與葉片和上冠采用碳鋼、下環(huán)采用不銹鋼轉(zhuǎn)輪的價格相比，只是相差4萬元；而上冠采用碳鋼的轉(zhuǎn)輪，其上冠的耐磨性能和抗空蝕性能都比不銹鋼的差；與全碳鋼的價格相比，只是相差10萬元；而使用壽命則是全碳鋼的3～4倍；

5.2轉(zhuǎn)輪與相關(guān)需要更換的設(shè)備的生產(chǎn)周期是3個月，從時間上來說是完全能夠滿足要求的。因此轉(zhuǎn)輪的更換可以利用機組在枯水期大修的時間進行更換。

[1] 水電站機電設(shè)計手冊編寫.水電站機電設(shè)計手冊(水力機械)[M].北京:中國水利電力出版社，1983.

[2] 劉亞坤.水力學[M].北京:中國水利水電出版社，2008.