黃少敏

?

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(xué)院

對(duì)運(yùn)行中的一座水電站出現(xiàn)出力不足的現(xiàn)象進(jìn)行分析，并提出適合實(shí)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(jí)工程中，裝機(jī)規(guī)模最大、具有調(diào)節(jié)庫(kù)容的龍頭電站，能對(duì)下游各梯級(jí)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(kù)總庫(kù)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(jì)洪水位為305.43 m，校核洪水位為305.85 m；調(diào)洪庫(kù)容為2.29×106m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容2.5×106m3。

水電站裝設(shè)兩臺(tái)2×5000 KW的立式水輪發(fā)電機(jī)組，多年平均年發(fā)電量為3.5×107kwh，年利用小時(shí)數(shù)為4130h，多年平均年利用小時(shí)數(shù)為3560h；保證出力為9800 KW，水輪機(jī)型號(hào)為HL250—LJ—140，額定轉(zhuǎn)速為375 r/min，單機(jī)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(jī)型號(hào)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(yùn)行時(shí)，2臺(tái)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)可以滿發(fā)，有時(shí)還可以超發(fā)100～200 KW。但是在近期運(yùn)行過程中，即使1臺(tái)機(jī)同時(shí)運(yùn)行且水頭、流量滿足要求時(shí)，機(jī)組最多只能帶4800～4900KW；若2臺(tái)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，即使在水頭、流量滿足要求的情況下，仍然無法達(dá)到正常出力，而且出力還會(huì)下降。但是在機(jī)組運(yùn)行過程中，沒有出現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)的現(xiàn)象。

2 存在問題的原因分析

針對(duì)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(gè)方面：一是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的過流表面剛度、強(qiáng)度不足，造成轉(zhuǎn)輪抗空蝕和抗磨能力不足，使得水輪機(jī)在運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪葉片的表面出現(xiàn)空蝕磨損現(xiàn)象，造成水輪機(jī)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?dāng)嗝?，使得流量不足。上述二種原因就是造成機(jī)組出力不足的主要因素。

3 存在問題的解決辦法

3.1 針對(duì)引水道之中存在堵塞物的問題

由于上坂水庫(kù)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(kù)之中；而這些樹枝和樹葉會(huì)順著水流流道進(jìn)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(jī)的工作水頭；同時(shí)也有一些石頭、淤泥之類的會(huì)在水流流道中淤積，也會(huì)造成流道中過水面積的減少；所以需要對(duì)攔污柵前以及水流流道中的淤積物進(jìn)行清理，以保證水流流動(dòng)順暢。

3.2 針對(duì)轉(zhuǎn)輪的過流表面剛度、強(qiáng)度不足的問題

轉(zhuǎn)輪的過流表面剛度、強(qiáng)度不足，是造成抗空蝕和抗磨能力不足的主要原因。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，可以從幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：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(qiáng)度較高的鋼材，根據(jù)實(shí)際需要采用對(duì)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(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)不適合的問題

HL250型轉(zhuǎn)輪目前較少使用，因?yàn)樵瓉碓摍C(jī)組可以滿發(fā)，有時(shí)還可以超發(fā)100～200 KW，因此針對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)不適合的問題，可以有幾種做法：一是在滿足轉(zhuǎn)輪的強(qiáng)度、剛度的基礎(chǔ)上，重新更換一個(gè)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(jī)組技術(shù)改造的投資成本；二是重新選擇一個(gè)各方面性能更為優(yōu)良的轉(zhuǎn)輪，這樣可能會(huì)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(huì)增加機(jī)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(jìn)行生產(chǎn)；主要要求生產(chǎn)廠家在滿足轉(zhuǎn)輪的強(qiáng)度、剛度的基礎(chǔ)上，重新生產(chǎn)一個(gè)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(jī)組的投資成本；但是據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)還沒有HL250型轉(zhuǎn)輪型號(hào)。

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

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)和計(jì)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(duì)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(duì)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(hào)的轉(zhuǎn)輪各種參數(shù)的比較

注：Q1，—轉(zhuǎn)輪限制工況點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)實(shí)際效率。

根據(jù)選定的HLA551C型轉(zhuǎn)輪，我們對(duì)HL250型轉(zhuǎn)輪和HLA551C型轉(zhuǎn)輪的各種效益參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算比較；表2中HL250機(jī)組的出力按照業(yè)主提供目前機(jī)組的實(shí)際出力參數(shù)為準(zhǔn)，年利用小時(shí)數(shù)以多年平均年利用小時(shí)數(shù)為3560h為準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果見表2。

注：H—額定水頭，Q—額定流量，ηs—原型水輪機(jī)額定點(diǎn)效率，ηf—發(fā)電機(jī)效率，Nf—發(fā)電機(jī)實(shí)際出力，E—機(jī)組年發(fā)電量，按運(yùn)行3560h計(jì)算；△E—HLA551C與 HL250機(jī)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(jī)組的發(fā)電量相比較，如果更換一個(gè)新的HLA551C型轉(zhuǎn)輪，同時(shí)發(fā)電機(jī)不要進(jìn)行改造，只是對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的拐臂進(jìn)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(shí)候，每年可以增發(fā)0.85×107kwh的電能，該水電站的上網(wǎng)電價(jià)是0.30元/kwh，經(jīng)過計(jì)算，每年經(jīng)濟(jì)收入可以增加2.52×106元（由于機(jī)組出力達(dá)到6107kw，發(fā)電機(jī)也要進(jìn)行更換，這樣會(huì)增加機(jī)組改造的費(fèi)用，我們可以通過控制導(dǎo)葉開度來對(duì)機(jī)組出力進(jìn)行調(diào)節(jié)，將機(jī)組出力控制在發(fā)電機(jī)可以承受的范圍）；水頭為38.00m的時(shí)候，每年可以增發(fā)0.35×107kwh的電能，每年經(jīng)濟(jì)收入可以增加1.02×106元；水頭為37.00m的時(shí)候，每年可以增發(fā)0.21×107kwh的電能，經(jīng)濟(jì)收入可以增加0.60×106元。

4 更換轉(zhuǎn)輪的費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)效益比較

4.1 轉(zhuǎn)輪更換及相關(guān)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的費(fèi)用

制造廠家提出了3種方案，一是整個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)輪(上冠,葉片和下環(huán))為碳鋼材料。而整個(gè)轉(zhuǎn)輪為不銹鋼材料的，其運(yùn)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(xiàng)目的價(jià)格見表3。

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

4.2 轉(zhuǎn)輪更換及相關(guān)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)變化與轉(zhuǎn)輪更換后的費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)效益比較

從表2和表3的數(shù)據(jù)可以看出，更換一個(gè)新的HLA551C型轉(zhuǎn)輪，同時(shí)發(fā)電機(jī)不需要進(jìn)行改造，只是對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的拐臂進(jìn)行更改，水頭為39.10m的時(shí)候，每年可以增發(fā)3.99×107kwh的電能，每年經(jīng)濟(jì)收入可以增加1.197×107元；當(dāng)水頭為38.00m的時(shí)候，每年經(jīng)濟(jì)收入可以增加0.945×107元；當(dāng)水頭為37.00m的時(shí)候，每年經(jīng)濟(jì)收入可以增加0.995×107元。

表3 HLA551C-LJ-144轉(zhuǎn)輪更換費(fèi)用

這三種水頭下的年發(fā)電量所獲得的經(jīng)濟(jì)效益，除去方案1（方案2、方案3）技術(shù)改造的費(fèi)用，其收益與技術(shù)改造費(fèi)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(fèi)用差的比較

注：表4中的收益與技術(shù)改造費(fèi)用差采用四舍五入的計(jì)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(fèi)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(gè)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(fèi)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(rèn)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(jì)方面比較，不同水頭下方案1、2、3收益與技術(shù)改造費(fèi)用差都比較大，因此改造的次年就可以將改造費(fèi)用回收；其中方案1的改造涉及發(fā)電機(jī)改造的問題，我們可以通過控制導(dǎo)葉開度來對(duì)機(jī)組出力進(jìn)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?yàn)槿讳P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(jià)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(jià)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(gè)月，從時(shí)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(jī)組在枯水期大修的時(shí)間進(jìn)行更換。

[1] 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)(水力機(jī)械)[M].北京:中國(guó)水利電力出版社，1983.

[2] 劉亞坤.水力學(xué)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.