潮州供水樞紐西溪電站不能同時滿發的原因分析及工程處理方案

崔恒富

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，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口處。該樞紐是實施韓江下游三角洲地區水資源統一調配、解決粵東地區人民生活用水和工農業用水的重點工程項目。工程開發任務以供水為主，兼顧發電、航運及改善水環境等綜合利用。

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2×9 MW，西溪電站裝機2×14 MW。

工程動工于2002年9月。2005年四季度通過了下閘蓄水安全鑒定。2006年開始試運行。2010年蓄水至設計蓄水位▽10.5 m（正常蓄水位）后，西溪電站兩臺機組同時運行一直未能達到額定出力。

1.2 西溪電站布置

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

電站為低水頭徑流電站，機組均為天津阿爾斯通水電設備有限公司生產的燈泡貫流式機組，裝機容量為2×14 MW。水輪機型號: GZ3BN31-WP-600，電站有關特性如下：

（1）正常蓄水位：10.50 m（珠基高程，下同）

（2）正常尾水位：2.38 m(一臺機額定水頭下滿發），3.94 m（兩臺機額定水頭下滿發）

（3）水輪機參數

型號：GZ3BN31-WP-600

最大水頭：7.98 m

設計水頭：5.74 m

額定出力：14.51 MW

額定流量：282.77 m3/s

1.3 試運行情況

上游庫水位蓄水至▽10.0～10.5 m后，單機運行時，水頭在機組額定水頭以上時，機組可以滿負荷運行；但兩臺機組同時發電運行時，無法滿出力穩定運行。

運行記載表明：單機運行時由于流量較小，下游尾水位因而較低，水頭總能達到額定水頭以上；而雙機運行，隨著機組出力增加，發電流量增加，廠房下游尾水位也隨之抬高，水頭逐漸減小，往往兩臺機組負荷在25 MW以上時，水頭就小于額定水頭，機組無法達到額定出力。

2 原因分析

2.1 原因分析的思路

根據水輪發電機組的出力公式：

Nf＝9.81·Hr·Q·ηt·ηf

Nf——發電機額定功率；

Hr——設計水頭；

Q——設計工況下單機流量；

ηt——水輪機效率；

ηf——發電機效率。

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

2.2 原因排查

⑴效率系數ηt、ηf

由于機組效率是設備制造因素決定的，廠家在出廠前已進行過檢測，且試運行期間單機可以滿發，所以暫時不考慮機組本身的因素。

⑵流量Q

由于過機流量與流道斷面尺寸及流速有關，而流速又與機組上下游水位差有關，根據對流道斷面復核，只要上下游水位差滿足設計要求，過流能力是可以滿足設計要求的，因此，最終影響機組出力的關鍵因素在水頭。

⑶水頭Hr

根據機組出力計算，設計水頭為5.74 m，也就是說，作用在機組的凈水頭達到5.74 m，則機組應能達到額定出力。理論上在上游正常蓄水位為10.5 m、兩臺機額定水頭下滿發正常尾水位為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。但實際運行情況是否與理論計算一致，則需要進一步進行確認。

2.3 檢測與分析

為了進一步驗證不同水位及運行工況下的特征水位及對應的水頭損失，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研究院（以下簡稱水科院）對西溪電站進行了現場檢測，結果見《潮州供水樞紐西溪水電廠機組現場檢測報告》（以下簡稱檢測報告），兩臺機運行有關檢測的方法及數據如下：

2.3.1 檢測方法

（1）電站進水渠段水位測點

電站進水渠段共布置19個水位檢測點，檢測機組不同出力時對應測點水位，水位采用鋼尺或水位尺檢測。檢測前對水位測點高程進行校驗。

（2）尾水渠段水位測點

尾水渠段共布置7個水位監測點，檢測機組不同出力時對應測點水位，水位采用鋼尺或水位尺檢測，檢測前對水位測點高程進行校驗。

（3）超聲波水位計測點

電站安裝了7臺超聲波水位計，每臺機組攔污柵前、后處各安裝1臺，尾水處各安裝1臺，距攔漂排上游約800 m處安裝1臺作為庫水位測點。本次現場檢測，根據試驗需要讀取機組攔污柵后和庫水位超聲波水位計的值。檢測前對水位計進行校驗。

（4）壓力測點

在每臺水輪機進、出口斷面各布置1個測壓點，采用壓力表測量，壓力表前加裝穩壓裝置，檢測不同出力時對應測點壓力。壓力表精度為0.2級，兩臺機組共布置4個測壓點。

（5）功率測點

采用電站安裝的功率表進行檢測。

（6）檢測的主要工況

1）單機運行工況。單機（1號和2號機分別進行）輸出功率從8 500 kW逐工況調節至14 000 kW，工況點間隔500 kW，在每個測試工況下，同時檢測進水渠段水位、尾水渠段水位、柵后水位、庫水位、水輪機進、出口斷面壓力、發電機輸出功率。

2）兩臺機同時運行工況。一臺機組保持額定功率（14 000 kW）,另一臺機組輸出功率從8 500 kW逐工況調節至14 000 kW，工況點間隔500 kW，直至兩臺機組總功率達到最大，在每個測試工況下，同時檢測進水渠段水位、尾水渠段水位、柵后水位、庫水位、水輪機進、出口斷面壓力、發電機輸出功率。

2.3.2 檢測數據

（1）上下游水位變化及水頭損失情況

根據潮州供水樞紐初步設計對西溪電站水頭損失計算，進水渠進口、攔污柵、進/出口閘門門槽、閘門進/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《檢測報告》對機組運行時進水渠和尾水渠順水流方向和垂直水流方向的水位進行了量測。單機在接近設計水頭滿發時，水庫至攔污柵后檢測點之間的水位下降（順水流方向水頭損失），見表1。

表1 機組上游的水頭損失

通過實測水頭損失與初步設計階段計算水頭損失比較，各部位的損失都比理論計算值偏大。

垂直于水流方向：檢測報告表明，雙機運行時，上游進水渠的水面總是1號機高于2號機12 cm左右；說明進水渠存在側向水流。

下游尾水位：由于受尾水導墻的約束，當負荷較大時，尾水渠水位比導墻外側水位高出1.1 m。

（2）機組出力情況

西溪電站任何一臺單機在設計水頭下均能達到額定出力14 MW。

當1號機滿發，2號機從8.5 MW升至11 MW時，機組出力不再上升。當2號機滿發，1號機從8.5 MW升至10.5 MW時，機組出力不再上升。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 檢測結論

根據水科院的檢測及我院的分析，可以得出以下結論：

（1）上游進水渠段的水位坡降正常。

（2）進口攔污柵水頭損失最大0.37 m。

（3）庫水位點至進水渠首水頭損失（包括攔漂排）最大0.45 m。

（4）在額定工作水頭下運行，單機基本可發出額定功率。

（5）單機、雙機運行時的尾水水位均符合設計要求。

（6）雙機運行時，尾水出口水位比閘后水位差超1.0 m，最大達到1.1 m。

3 水工模型試驗成果

為了進一步驗證現場檢測結論，找出解決電站兩臺機組不能同時滿發的原因及后續工程處理措施，我院委托水科院進行了水工模型試驗，成果見《潮州供水樞紐西溪電站水工模型試驗報告》（2016年7月）。模型試驗主要成果及結論如下：

3.1 進水渠沿程水頭損失

根據水科院水工模型試驗成果(見模型試驗報告第5章電站現狀方案運行試驗)，在現狀布置情況下：當雙機滿發時，1號機沿程水頭損失0.21 m；2號機沿程水頭損失0.36 m。當單機運行時，1號機滿發沿程水頭損失0.17 m，2號機滿發沿程水頭損失0.18 m。

3.2 尾水渠沿程水頭損失

在現狀布置情況下：當雙機滿發時，1號機水頭損失1.9 m；2號機水頭損失1.92 m。當單機運行時，1號機滿發沿程水頭損失0.68 m，2號機滿發沿程水頭損失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）當庫水位為10.5 m時，1號機的柵前水位10.29 m，在給定攔污柵的水頭損失為0.3 m的情況下(水科院檢測結果分別是1號機0.28 m，2號機為0.37 m)，雙機過滿發流量對應的1號機柵后水位為9.99 m，1號機尾水位為4.29 m，由此算得1號機的工作水頭為5.2 m，小于額定工作水頭5.74 m。

（2）當庫水位為10.5 m時，2號機的柵前水位10.14 m，在給定攔污柵的水頭損失為0.3 m的情況下，雙機過滿發流量對應的2號機柵后水位為9.84 m，2號機尾水位為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）當庫水位為10.5 m時，單機滿發運行時，1號機組柵前水位10.32 m，在給定攔污柵的水頭損失為0.3 m的情況下，1號機柵后水位為10.02 m，1號機尾水位為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號機的工作水頭是6.7 m，也大于額定工作水頭5.74 m。

3.4 綜合結論

根據水科院現場檢測及水工模型試驗的結果，西溪電站兩臺機組不能同時滿發的主要原因是進口攔漂排、攔污柵及沿程水頭損失偏大，以及電站尾水擴散不暢，導致發電水頭小于額定水頭；該結論與現場實測結論基本一致。

4 工程處理方案

本次對電站的檢測以及樞紐長期以來的運行觀測表明，改造攔漂排、攔污柵，改造進水渠和尾水渠，均可以有效地增高水頭。為此，結合潮州西溪電站的原設計情況以及目前電站運行的實際情況，提出電站改造措施，同時結合水工模型試驗成果最終確定電站改造的措施。

4.1 進水渠改造方案

（1）將頂高程▽6.0 m的導墻(樁號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，增大進入進水渠的過水斷面。

模型試驗結論：改造后上游進水渠流態有明顯改善，渠首近區段流態平穩和平順。流速減小，沿程水頭損失減小，與現狀方案相比，1號機組增加水頭0.04 m，2號機組增加水頭0.09 m。

（2）將頂高程▽12.8 m的導墻(樁號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的導流孔，間隔4 m。孔口外側裝設攔污隔柵。

模型試驗結論：改造后渠首近區流態及流速改善不明顯，與現狀方案相比，1號機組增加水頭0.01 m，2號機組增加水頭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，優先考慮其他工程措施。

（3） 攔漂排改造，將現有攔漂排拆除，重新布置范圍較大的攔漂排，新設置的攔漂排分5段布置，第1段與廠房右側導墻方向一致，長度約48 m；第2段與水流方向的夾角為15°，連接點在兩臺機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°，連接點在電站左側導墻的延長線上，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。所有連接點采用直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，攔污浮排通過金屬結構與樁身連接。考慮樞紐蓄水后庫區無法干地施工，鉆孔灌注樁采用水上平臺施工。

模型試驗結論：改造后除第1段的流態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

在現狀方案基礎上，將尾水渠右側導墻(樁號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。

模型試驗結論：將尾水渠右側導墻降低至0.5 m后，電站尾水向右側河道擴散明顯，可有效降低尾水渠內的水位，雙機滿發時，尾水渠內水位降低了0.86 m。將尾水渠右側導墻降低至0.00 m后，尾水出流擴散更明顯，雙機滿發時，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年對海漫進行了改造，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，即使尾水導墻降低至0.00 m后，尾水渠內無泥沙淤積，對左岸邊坡沖刷影響也較小，說明降低尾水右側導墻的方案是合理有效的。

5 結語

本文根據水輪發電機組的出力原理，全面梳理和分析影響機組出力的各種因素，結合現場檢測和水工模型試驗的結論提出解決兩臺機組不能同時滿發的工程處理方案，根據水工模型試驗的結論，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，增大發電水頭，達到兩臺機組同時滿發的目的，在工程實施過程中，我們綜合考慮對發電水頭貢獻大小及現場實施的難易程度后選擇實施的先后順序，本工程重點對尾水渠導墻及進水口攔漂排進行先行改造，本工程的處理方案對其他類似工程也起到一定的借鑒作用。