鞏祥照

（大唐石泉水力發(fā)電廠,陜西 石泉 725200）

1 引言

水電站進水口設(shè)制水電站攔污柵可以起到阻擋水下部分漂流物,從而有效的為河道清污帶來了便利,而汛期水電站機組攔污柵堵塞,造成機組出力受損或被迫停機,大量損失電能,影響電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的情況,在國內(nèi)已投入運轉(zhuǎn)的水電站中屢有發(fā)生[1]。漢江石泉水庫歷年洪水調(diào)度過程中,每場洪水裹挾漂浮物過多、體積過大,堆積在壩前,在影響水庫水質(zhì)的同時,時常導(dǎo)致機組進水口攔污柵壓差超標(biāo),使機組出力減小。特別是當(dāng)壓差嚴(yán)重超標(biāo)時,攔污柵結(jié)構(gòu)變形,損壞設(shè)備,迫使機組停機,極大影響電站發(fā)電效益。日常的處置方法是,在壓差接近超標(biāo),采用機組全部停機或不停機,動水作業(yè),人工打撈漂浮物,來降低壓差值。該方法對降低壓差有效果,但效率低、電能損失多；尤其這種打撈的方法對于機組長時間運行,沉渣吸附在攔污柵體導(dǎo)致壓差增大的情況無法緩解。

本文根據(jù)石泉泄洪閘門流量曲線、機組進水口高程、水位和入庫流量的多元關(guān)系,在合適的時段調(diào)整閘門運行方式和機組運行方式,配合人工、機械班臺動態(tài)打撈,使吸附在攔污柵柵體的沉渣脫離攔污柵體,隨洪水下排,保證攔污柵壓差不超標(biāo),機組出力不減少,企業(yè)經(jīng)濟效益不降低。

2 攔污柵的壓差

一般水流通過攔污柵時產(chǎn)生的水頭損失即為攔污柵的壓差。攔污柵的水頭損失由兩部分組成。一是固有水頭損失,即水流在通過攔污柵時,柵條對水流有局部的阻礙作用,產(chǎn)生局部水頭損失,這是不可避免的,影響這種水頭損失的因素有：柵條的幾何形狀、過柵水流的雷諾數(shù)、進口前斷面的流速分布等；另一部分則是附加水頭損失,即攔污柵所攔截的漂浮物部分地阻塞柵孔,或水流的腐蝕作用而導(dǎo)致的銹蝕,使攔污柵原有的過流面積減小,加劇了對水流的阻礙作用,致使過柵局部水頭損失增加,本文主要分析后者對水頭損失的影響。

3 水庫及泄洪設(shè)施

石泉水庫位于漢江上游石泉縣城西一公里處,電站為漢江上游最早建設(shè)的大Ⅱ型水力發(fā)電廠和陜西電網(wǎng)調(diào)峰電廠之一,兼有灌溉、防洪、發(fā)展?jié)O業(yè)等綜合利用效益。水庫控制流域面積2.34 萬km2,屬不完全季調(diào)節(jié),正常高水位410.00 m,死水位395.00 m。設(shè)計庫容4.7 億m3,2011 年3 月實測庫容2.738 億m3,電站大壩為混凝土空腹重力壩,壩高65 m,壩寬16 m,壩長353 m,電站裝機240 MW（3×50 MW+2×45 MW）。

水庫攔河壩為混凝土重力壩,其中12號～22 號壩段為空腹重力壩段,其余為實體重力壩,壩頂高程416.00 m,防浪墻頂高程416.62 m,壩頂長度353 m,共分29 個壩段。泄洪閘門有4個表孔、1個岸邊溢洪道、5個中孔、2個底孔,河床偏右布置4個表孔和岸邊溢洪道,主河床布置5個中孔,河床導(dǎo)墻內(nèi)布置一大底孔,中孔與左岸1號～3號機組發(fā)電取水口壩段之間設(shè)一沖沙底孔（小底孔）。

電站1號～3號機組引水管道布置在4～6壩段,為單元引水,每臺機組一管,共三條引水管。每條引水管長55.4 m,圓管內(nèi)徑為5.5 m,單機最大引用流量為145.5 m3/s。引水管道進水口前布置有攔污柵,設(shè)一道柵槽,柵體距進口的距離為4 m,在平面上為三個取水口連通的直線型,取水口底坎高程為382.0 m,頂部高程392.44 m。壓差布置見圖1。

圖1 石泉水庫壓差位置圖

電站4號～5號機組取水位于石泉大壩左壩肩上游77 m,由引水明渠底、引水隧洞、出水岔管組成,引水明渠底寬18.60 m,長24 m,底板沿水流方向由高程390.00 m平臺以1∶3的坡比接高程382.00 m平臺；引水隧洞位于石泉電站左岸山體中,分為上平段、壓力斜井段、岔管段和4號、5 號支管段,隧洞段長約188.0 m,管徑9.0 m,單機最大引用流量為131 m3/s,在引水隧洞的上平段前面布設(shè)了進水口攔污柵。

4 壓差運行分析

電站1 號～3 號機組進水口壓差為1 號壓差,設(shè)計值2 m,最大3 m；4 號～5 號機組進水口壓差為2 號壓差,設(shè)計值3 m,最大達5 m；平均每米電能損失約2.6%,水庫歷年洪水調(diào)度過程中,由于洪水?dāng)y帶大量的漂浮物,經(jīng)常出現(xiàn)機組進水口攔污柵前壓差過大,水頭降低,機組出力減小等情況；甚至,壓差過大導(dǎo)致強迫停機,直接影響電站發(fā)電效益。

受環(huán)保監(jiān)督、水電企業(yè)主體責(zé)任強監(jiān)管的壓力,對滯留在庫區(qū)管理范圍內(nèi)的漂浮物必須企業(yè)主體打撈,滯留時間不宜過長,影響庫區(qū)水質(zhì)。因此,電站一般多采用機組全停,作業(yè)機械班臺結(jié)合人工打撈庫區(qū)漂浮物的方式連續(xù)作業(yè),來減少水質(zhì)污染的同時,進一步降低機組進水口壓差,提高機組發(fā)電水頭,產(chǎn)生經(jīng)濟效益；石泉水庫在調(diào)度過程中,一場洪水?dāng)y帶的漂浮物需要近15 個工作日以上打撈時間,費時費力,增加企業(yè)成本的同時大大減少洪水效益電量。

例如,在2020 年汛期8 月,漢江上游流域區(qū)域性暴雨洪水多發(fā),洪水裹挾兩岸漂浮物、大型樹木、枯枝等堆積在庫面和機組進水口柵前,造成進水口柵前壓差持續(xù)增大,在影響環(huán)保的同時,直接危及梯柵設(shè)備安全和機組運行工況；在發(fā)生的8.17 洪水調(diào)度過程中,受長歷時行洪影響,18日12時,電站1 號壓差最大漲至1.1 m左右,20日22時2號壓差最大漲至2.75 m,接近壓差設(shè)計值,造成機組運行水頭底,機組負(fù)荷帶不滿,效率下降,直接影響發(fā)電效益,見圖2。

圖2 壓差變化趨勢圖

5 優(yōu)化調(diào)度措施

針對洪水裹挾的漂浮物,對機組出力的負(fù)面作用,根據(jù)石泉水庫泄洪閘門流量曲線、機組進水口高程、水位、入庫流量的多元關(guān)系,在近50年的水庫調(diào)度實踐中,特別是在洪水調(diào)度過程中,總結(jié)出以下減小壓差,實時優(yōu)化調(diào)度的具體方法。

1）2號進水口降低壓差方式：

考慮到2號進水口的布設(shè)位置,行洪期間,根據(jù)來水實況,保持庫水位在403.00 m及以上運行,減緩水流坡降,防止攔污浮柵前漂浮物涌入2號進水口攔污柵前,同時通過短時停機反沖,改變水流流態(tài)減小進水口柵前漂浮物吸附力從而減小壓差增大的風(fēng)險,其次配合人工、器械班臺打撈浮渣進一步降低壓差。

2）1號進水口降低壓差方式：

一般而言,1號進水口壓差增大的主要原因是洪水期機組長時間大負(fù)荷運行,壩前漂浮物沉積到機組進水口前,吸附在攔污柵柵體,進水口水流受阻,而電站采用的抓渣器械無法進行沉渣打撈,導(dǎo)致壓差不斷上升,短時間內(nèi)停機無法消除。

根據(jù)石泉泄洪閘門流量曲線、機組進水口高程、水位、入庫流量分析,在壓差超過1 m,影響機組出力時,且在機組滿負(fù)荷運行情況下,提前向調(diào)度申請說明,依次快速全部停機,充分利用機組進水管水流的水錘作用,將攔污柵上的堆渣部分沖入死庫容,另一部分通過調(diào)整閘門運行方式,依靠開關(guān)閘門水流引起的巨大汶動,使攔污柵上的吸附沉渣脫離柵體隨下泄洪水排走,降低進水口壓差。

通常,2 號進水口的降壓差方式叫作抬高水位法,1號進水口降壓差方式叫停機反沖法；在實施停機反沖法的同時,2號進水口輔以人工打撈抓渣,對2 號進水口減壓效果更為明顯[2]。

6 案例分析

“20200817”洪水調(diào)度過程中,由于受長歷時行洪影響,18日12時,1號壓差漲至1.2 m左右；20日22時2號壓差漲至2.75 m,逼近設(shè)計值,造成機組運行水頭底,負(fù)荷帶不滿,直接影響發(fā)電效益。

通過停機反沖方式、輔以人工器械抓渣等方式降低壓差后。

1號壓差由1.2 m降至0.3 m,1～3 號機出力由14.8 萬kW,提高至16.09 萬kW,18 日13 時至29日24 時期間的平均出力為15.83萬kW,累計多發(fā)電量275 萬kW·h。

2號進水口壓差由2.75 m降至0.1 m,4～5號機出力由之前的8.3 萬kW提高至9.59 萬kW,21 日05時至29日24時期間平均出力為9.37萬kW,累計多發(fā)電量224 萬kW·h,見圖3。

圖3 壓差出力總體變化趨勢圖

可見,2020年“8.17”洪水,通過停機反沖、清渣降壓方式,電站合計多發(fā)電量達499萬kW·h,而因短時停機損失電量僅為60萬kW·h。

7 結(jié)語

因此,在石泉水庫行洪期間,當(dāng)機組進水口攔污柵前沉渣堆積過多,造成壓差增大影響機組發(fā)電出力時,完全可以采用調(diào)整閘門和機組運行方式,通過拉渣的方法來實現(xiàn)快速清渣、降壓差,提高機組運行水頭,增加機組效率,進而增加發(fā)電效益,減少不必要的成本支出；另一方面,通過調(diào)整閘門和機組運行方式,可以減少進水口攔污柵設(shè)備的損壞率,確保度汛非工程措施安全,實現(xiàn)水庫度汛安全,獲取更長遠(yuǎn)的經(jīng)濟效益。