簡(jiǎn)新平，翟昕辰，楊 鵬，艾 心

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

混流式水輪機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，并且效率高，能適應(yīng)很寬的水頭范圍（20～700 m），是目前世界各國(guó)廣泛采用的水輪機(jī)型式之一[1]。當(dāng)水流經(jīng)過這種水輪機(jī)工作輪時(shí)，它以輻向進(jìn)入、軸向流出，所以也稱為輻向軸流式水輪機(jī)。近年來的發(fā)展趨勢(shì)是高水頭、大容量、高比轉(zhuǎn)速和高效率。然而，從國(guó)內(nèi)混流式水電站運(yùn)行情況來看，還暴露出一些問題，其中較為突出的是水輪機(jī)出力受阻達(dá)不到額定出力。這一問題造成了水量浪費(fèi)，影響了水電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，甚至造成安全隱患。因此，本文基于混流式水電站及機(jī)組個(gè)性特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)混流式有功無法調(diào)整至設(shè)定值的典型案例，分析了導(dǎo)致混流式有功無法調(diào)整至設(shè)定值的主要原因，提出了對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行原因分析的方法，并結(jié)合趨勢(shì)分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和求證法得出最后結(jié)論。

1 現(xiàn)象

2018 年8 月9 日起，某電站一臺(tái)機(jī)組有功功率無法調(diào)整至設(shè)定值（該電站機(jī)組額定出力為700 MW），并且偏離值有增大趨勢(shì)，8 月11 日該機(jī)組有功功率長(zhǎng)時(shí)間無法維持在690 MW 之上。針對(duì)此現(xiàn)象，將該機(jī)組近期相同水頭下的工作情況進(jìn)行了對(duì)比分析，如表1、圖1 所示。

表1 某機(jī)組相同水頭下不同時(shí)間工作指標(biāo)表

圖1 某機(jī)組相同水頭下不同時(shí)間工作指標(biāo)趨勢(shì)圖

從表1 和圖1 均可以看出，該機(jī)組水輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)8 月9 日與7 月19 日相比較，在水頭相同的情況下，不考慮蝸殼壓力和技術(shù)供水總管壓力的情況下，開度變大時(shí)有功功率反而下降；而8 月11 日有功功率增加至688 MW 后無法繼續(xù)增大。

2 原因分析

針對(duì)該機(jī)組有功功率在機(jī)組水頭相同且導(dǎo)葉開度變大的情況下，有功功率反而下降原因進(jìn)行了初步分析和判斷，下面從對(duì)比和內(nèi)部原因兩大方面進(jìn)行了分析。

2.1 對(duì)比分析

同向?qū)Ρ龋航谠摍C(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)與同型機(jī)組相比，在機(jī)組水頭一致，有功給定值一致（700 MW）時(shí)，該機(jī)組導(dǎo)葉開度整體偏大，見表2、圖2 所示。

表2 同型機(jī)組相同水頭下不同時(shí)間工作指標(biāo)表

圖2 另某一機(jī)組相同水頭下工作指標(biāo)趨勢(shì)圖

縱向?qū)Ρ龋?與近三年該機(jī)組同時(shí)期在有功功率一致（700 MW）、水頭基本相同的情況進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組導(dǎo)葉開度從2018 年5 月開始逐步增大至93%（2018 年5 月前其導(dǎo)葉開度未超過90%），且明顯高于其他時(shí)間段的導(dǎo)葉開度值。具體如圖3所示：

圖3 該機(jī)組2016 年同時(shí)段相同水頭下工作指標(biāo)趨勢(shì)圖

2.2 內(nèi)部原因分析

發(fā)電機(jī)有功功率P發(fā)=UIcosΦ，水輪機(jī)出力：P水=9.81QHη1[2]，P發(fā)=P水η2（η1為水輪機(jī)效率，η2為發(fā)電機(jī)效率）。根據(jù)水輪機(jī)出力公式，如導(dǎo)葉開度增大，應(yīng)該會(huì)增加水輪機(jī)進(jìn)水流量Q，相同水頭H下，水輪機(jī)出力應(yīng)增加，如發(fā)電機(jī)效率η2不變，發(fā)電機(jī)有功功率應(yīng)增加（與實(shí)際相反）。下面分別從4 個(gè)方面進(jìn)行分析：

（1）發(fā)電機(jī)電壓電流采集：查監(jiān)控系統(tǒng)與保護(hù)盤柜、安控系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)等處的電壓電流基本一致，且與該機(jī)組設(shè)計(jì)值基本一致，故排除了發(fā)電機(jī)電壓電流采集問題。

（2）發(fā)電機(jī)功率變送器和傳送通道：該機(jī)組在有功給定700 MW 時(shí)，機(jī)組有功給定反饋值703 MW，而實(shí)發(fā)值卻為683 MW，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)送監(jiān)控系統(tǒng)的有功功率與保護(hù)盤柜、安控系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)等處的實(shí)發(fā)功率（這些功率顯示值來自不同變送器）進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，其實(shí)發(fā)功率基本一致，故排除送監(jiān)控系統(tǒng)該機(jī)組有功實(shí)發(fā)值的變送器和傳送通道存在問題。

（3）水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)：將該機(jī)組調(diào)速器由一套調(diào)節(jié)器切至另一套調(diào)節(jié)器運(yùn)行，并上下調(diào)節(jié)該機(jī)組有功功率，無明顯效果，且通過現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)葉開度測(cè)量，用標(biāo)尺對(duì)比，接力器行程機(jī)械位置指示與監(jiān)控系統(tǒng)顯示基本一致，故排除調(diào)速系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)問題。

（4）水輪機(jī)出力N下降：排除發(fā)電機(jī)和調(diào)速器方面的問題后，應(yīng)為水輪機(jī)出力下降導(dǎo)致，根據(jù)水輪機(jī)出力公式：P水=9.81QHη1可知，可從以下3 個(gè)方面分析：

1）流量Q下降或不夠：若水頭無損失，水頭H不變，假設(shè)效率η1不變，由于水輪機(jī)出力下降，故流量Q下降或不夠。影響水輪機(jī)進(jìn)水流量Q下降或不夠的因素：導(dǎo)葉開度不夠，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室的流量不夠滿發(fā)；攔污柵淤塞，流入水輪機(jī)流量Q相對(duì)減小；蝸殼內(nèi)進(jìn)入雜物，導(dǎo)致進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室的流量減小。現(xiàn)場(chǎng)與維護(hù)人員一起在該機(jī)組調(diào)速器電氣柜面板將該機(jī)組導(dǎo)葉開限由93%增至95%，該機(jī)組導(dǎo)葉實(shí)際開度也增至95%，該機(jī)組在有功給定700 MW 時(shí)，有功實(shí)發(fā)值短時(shí)能夠達(dá)到700 MW，運(yùn)行一段時(shí)間后又逐步下降至688 MW 左右，95%導(dǎo)葉開度遠(yuǎn)大于同型號(hào)機(jī)組同時(shí)刻的85%左右的導(dǎo)葉開度，也比該機(jī)組相鄰機(jī)組導(dǎo)葉開度92%偏大，故排除了導(dǎo)葉開度不夠的原因。

2）水頭H下降：若水頭損失，假設(shè)效率η1不變，水頭H下降導(dǎo)致水輪機(jī)出力下降。影響工作水頭H損失的因素：攔污柵壓差增大，造成工作水頭H損失，引起水輪機(jī)出力下降[3]。根據(jù)目前已有的研究，攔污柵的水頭損失系數(shù)，取決于柵條斷面形狀、斷面尺寸、柵條凈距、進(jìn)柵水流方向以及結(jié)構(gòu)和污物遮擋柵葉面積的程度[4]。其中污物遮擋柵葉面積的程度會(huì)明顯影響水頭損失，相比較于無污物堵塞，不同程度的堵塞率會(huì)使水頭損失增加50%～200%[5]。通過查閱文獻(xiàn)資料 ，發(fā)現(xiàn)目前較為成熟的計(jì)算攔污柵水頭損失系數(shù)的公式為布爾可夫——邱金娜公式[4]，如下

其中，Cv——流速系數(shù)，一般取0.97；

Cp——攔污柵結(jié)構(gòu)件遮擋系數(shù)，Cp=Fj/FS；

Fj——攔污柵結(jié)構(gòu)件遮擋的面積（包括污物的堵塞）；

Fs——攔污柵設(shè)計(jì)計(jì)算面積；

Cs——攔污柵構(gòu)件使水流收縮系數(shù)，一般取0.08～0.1，當(dāng)攔污柵遮擋面積達(dá)到30%以上時(shí)，可忽略不計(jì)；

C——水流突然增大的沖擊系數(shù)，取1.1～1.2。由上述公式可知，攔污柵的遮擋面積，對(duì)水頭損失系數(shù)具有顯著影響。

3）水輪機(jī)效率η1下降：若水頭H無損失和流量Q正常，則可知水輪機(jī)效率η1下降。排除本身的過流部件質(zhì)量問題、設(shè)計(jì)參數(shù)不合適和水輪機(jī)過流部件空蝕加大等方面因素后，水力振動(dòng)加劇等也會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)效率η1下降，如水力振動(dòng)加劇，必然增加軸和瓦之間的摩擦，消耗機(jī)組能量[6]。通過趨勢(shì)分析瓦溫和振擺分析得知正常，故排除了水力振動(dòng)加劇。

2.3 分析總結(jié)

綜合2.1 對(duì)比分析和2.2 內(nèi)部原因分析，該機(jī)組發(fā)電效率下降現(xiàn)象，初步判斷可能原因?yàn)榱髁縌下降（或不夠）和（或）水頭H下降導(dǎo)致的水輪機(jī)出力N下降，具體因素可能為攔污柵淤塞和（或）蝸殼內(nèi)進(jìn)入雜物和（或）攔污柵壓差增大。

3 分析求證

針對(duì)該機(jī)組發(fā)電效率下降現(xiàn)象，下面從趨勢(shì)分析、現(xiàn)場(chǎng)求證和數(shù)據(jù)求證等3 個(gè)方面進(jìn)行分析求證。

3.1 趨勢(shì)分析

從趨勢(shì)分析圖4 可看出，該機(jī)組有功功率與蝸殼壓力、技術(shù)供水進(jìn)水總管壓力表現(xiàn)出正相關(guān)性。在該機(jī)組有功功率實(shí)發(fā)值達(dá)到額定功率時(shí)，蝸殼壓力、技術(shù)供水進(jìn)水總管壓力相對(duì)較大。而在該機(jī)組有功功率實(shí)發(fā)值逐步下降直至無法達(dá)到額定功率時(shí)，蝸殼壓力、技術(shù)供水進(jìn)水總管壓力也逐步下降，并且技術(shù)供水進(jìn)水總管壓力下降更加明顯。

初步判斷攔污柵存在淤塞現(xiàn)象并且蝸殼內(nèi)可能進(jìn)入了少量雜物，攔污柵淤塞和蝸殼內(nèi)進(jìn)入了少量雜物會(huì)影響機(jī)組的實(shí)際過流量、機(jī)組的實(shí)際凈水頭，影響機(jī)組實(shí)際出力。同時(shí)若蝸殼內(nèi)進(jìn)入了少量雜物時(shí)，可能造成技術(shù)供水取水口堵塞，壓力下降。而根據(jù)圖4 的趨勢(shì)分析也可以看出，該機(jī)組技術(shù)供水取水口壓力確實(shí)有明顯下降的趨勢(shì)。

圖4 該機(jī)組8 月1 日至8 月12 日時(shí)段工作指標(biāo)趨勢(shì)圖

故進(jìn)一步判斷影響該機(jī)組有功實(shí)發(fā)值在當(dāng)前條件下不能達(dá)到額定功率的原因可能是電站進(jìn)水口攔污柵存在的大量漂浮物及機(jī)組流道內(nèi)可能也進(jìn)入的少量漂浮物。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)求證

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電站該機(jī)組進(jìn)水口攔污柵進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該電站進(jìn)水口攔污柵存在較多漂浮物。

該電站進(jìn)水口有大量漂浮物，應(yīng)該是由于7 月上游暴雨不斷，地表徑流將上游大量雜物等沖入長(zhǎng)江進(jìn)入水庫(kù)。如圖5 所示。

圖5 該電站進(jìn)水口攔污柵處

3.3 數(shù)據(jù)求證

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量該機(jī)組攔污柵前后壓差為 4.02 m，之前該機(jī)組攔污柵前后壓差最大值僅為0.8 m。說明該機(jī)組攔污柵前后壓差明顯增大。

4 結(jié)論及處理

綜上所述，判斷原因如下：

（1）該機(jī)組蝸殼內(nèi)有雜物，導(dǎo)致進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室的流量下降；

（2）該機(jī)組攔污柵有淤塞導(dǎo)致攔污柵壓差增大，造成該機(jī)組凈水頭損失且進(jìn)入水輪機(jī)的流量下降。

由于該機(jī)組技術(shù)供水總管壓力相較于蝸殼壓力，下降幅度更大，因此認(rèn)為該機(jī)組發(fā)電效率下降應(yīng)是上述兩方面原因疊加產(chǎn)生。發(fā)現(xiàn)該電站機(jī)組進(jìn)水口攔污柵存在較多漂浮物并確認(rèn)原因后，通過及時(shí)組織船只清理漂浮物，最大程度上減少了水力損失并避免了可能造成的設(shè)備損壞。