水頭損失對機組運行的影響

張勇

【摘 要】水電站進水口攔污柵銹蝕和堵塞嚴重影響著水輪發電機組的出力，由于攔污柵、轉輪選型會對水頭造成損失，并給機組帶來一定的影響。因此必須要綜合考慮到電站綜合情況，對機組運行的特點進行分析，從而制定措施來降低水頭損失對機組運行的影響。本文對水頭損失對機組運行的影響進行研究，并提出自己的一些建議。

【關鍵詞】水頭損失 機組運行 影響

1 引言

綠水河電站的水輪機組已運行了40年以上，電站投運初期由于河流泥沙含量重，且攜帶大量金屬礦物質，機組過流部件磨損非常嚴重，一套過流部件使用一個汛期后，其表面已被磨損的象蜂窩狀，不能再使用，在大修時必須更換，由于水質原因使得導葉和頂蓋、底環磨損嚴重，配合間隙變大，另一方面，技改過程中，轉輪更換后，采取了副頂蓋低壓腔供水方式，雖然降低了廠用電率，同時機組的水頭損失也增加了。

2 基本概況

電站引綠水河水發電，廠房位于紅河左岸階地上，綠水河二級電站是徑流式電站，二級電站裝有有四臺機組，總裝機容量57.5MW。二級電站#1水輪機型號為2CJ20-W-146/2x15，額定水頭：305米，額定流量：5.33m3/s，額定轉速：500rpm，額定出力：13 MW；發電機型號：TSW-286/115-12，某電機廠生產。#2-#4水輪機型號：HL006-LJ-140，水頭：305米，額定流量：6.02m3/s，額定轉速：750rpm，額定出力：15.63 MW；發電機型號：TSW-286/115-12，均為重慶水輪機廠制造。二級電站壓力管道采用地下埋管布置，總長1289.42m。整條管道分三段平洞和二段斜井，其中#1平洞段總長40.778m，鋼管直徑均為2.8m；#1斜井段鋼管直徑分為2.8m和2.4m，2.8m管徑段長134.222m，2.4m管徑段長192.371m；#2平洞段長284.215m，管徑為2.6m；2#斜井段長171.751m，鋼管直徑為2.6m；3#平洞段總長466.088m，鋼管直徑均為2.25m。

綠水河電站的特點：（1）24h內出力基本不變，適宜擔負電力系統的基底負荷。（2）年內各月電量變化大，枯水期電量明顯少于汛期。（3）棄水多，徑流式水電站的水量利用系數一般較低。（4）徑流式水電站的機組若遇洪水特別大，機組尾水上升，1號機坑水位不應超過142.85m，如果水位上升至142.90m，應停止1號機運行，#2、3、4機視紅河水位上升情況逐步停止運行；紅河水位升高而達不到額定出力，甚至不能發電。

3 水頭過低對機組運行的影響分析

水頭變化范圍增大， 在供水后期和蓄水初期水輪機便處于低水頭條件下運行?！叭魏我环N水輪機其適用水頭都有一定的范圍，當水頭過低，將導致水輪機效率和出力顯著下降，低負荷運行易產生水力共振并對機組過流部件造成氣蝕。此時，其他類型水力振動所占比重較小，甚至不能穩定運行[1]?！币虼嗽诖_定水庫消落深度時，必須考慮水輪機的技術性能要求?；炝魇剿啓C只在一定的范圍內能夠穩定運行是其固有的特征之一，下圖1、2為混流式水輪機運行特性、壓力脈動曲線，對應某一恒定轉速，在能量——流量坐標系上繪出了等效率圈和導葉等開度線。水輪機工況由其最優效率下單位水能a和單位流量b確定，某一工況的額定單位水能c可能不同于最優工況下的單位水能。

圖1 綠水河混流機特性曲線及尾水壓力脈動

圖2 常規壓力脈動隨導葉開度的變化趨勢

機組持續運行范圍受下列因素限制：導葉量小于開度d，導葉最大開度e，最大水頭f。最小水頭g和發電量的最大功率。由上圖看出，在最優水頭H附近，隨著流量Q的增加（或負荷的增加）混流式水輪機將依次經過極小負荷區①、部分負荷脈動區②、高負荷脈動區③、穩定運行區④和超負荷不穩定運行區⑤。

4 綠水河電站機組特性綜合分析

綠水河電廠是徑流式電站，故負荷調節比較頻繁，枯期機組常運行在禁止運行區、限制運行區，在禁止運行區，機組振動劇烈、噪音大，實際運行中，此區應快速穿越；在限制運行區，機組不宜長期運行。#4水輪機綜合特性曲線圖3所示：

圖3 #4水輪機綜合特性曲線

圖4 沖擊式水輪機CJ20的模型結合特性曲線

圖4所示，渦帶一般發生在導葉開度為40%—70%區間內，而水輪機壓力脈動最大值發生在半負荷區，其原因是此時水流圓周速度分量和渦核偏心距最大。

“尾水錐管壓力脈動是反映水輪機穩定性最重要的指標之一，而且這一指標不會隨著機組維修重大發生改變的改變，僅僅與機組的運行條件有關[2]。”水導擺度值雖然隨著機組的維修，導軸承軸瓦間隙的變化，但大量的現場試驗數據和現場測試經驗表明，尾水管內渦帶發生后，受其影響最大和最敏感的就是水導擺度值；振擺裝置及壓力脈動裝置的使用，成為運行人員工作中的重要參考指標。

“過流部件的磨損嚴重對機組運行的禁止運行區、限制運行區會造成一定的影響，這就要求我們運行值班員在機組運行過程中，細心觀察機組 特性總結出各臺機組合理運行區域[3]?！?/p>

汛期運行人員應及時觀察柵前柵后水位差值，當攔污柵前后水位差超過0.5m后，應立即清理攔污柵柵前渣物。攔污柵前后壓差達到2m后，必須停機撈渣，停機后檢查攔污柵結構，觀察是否有變形損傷。采取措施如鋪設漂浮帶或開清污機打撈雜物等手段減少柵前、柵后水位差，達到減少水頭損失的目的。

5 結語

通過科學調度，確保合理水位，使水庫不棄水或少棄水，使機組長期在經濟狀態下運行。

“（1）發電企業要通過自身水情測報系統等科學的手段，加強硬件的投入，較為準確地預測流域來水趨勢，掌握水庫調度方向，做到心中有數[4]；”（2）要加強水情數據的統計分析工作，使分析工作規范化、制度化和日?；訌姺治鼋y計人員的業務素質和工作責任心，為更好地預測流域來水趨勢提供優良的“軟件”；“（3）要建立優化調度工作機制，將優化調度納入日常工作，提出機組備用及運行的中短期策略，做出最佳運行方案，并落實到每天的運行方式上，落實到發電運行的時間點、負荷率和耗水率上[5]；”（4）要做好機組的檢修工作，充分利用枯水期把設備修好保養好，確保豐水期機組滿負荷發電，等效可用系數100%，特別要做好水庫不棄水或少棄水的預案；（5）要充分的經常的與調度部門聯系，“將企業的最佳運行方式與意圖進行溝通，水情預測和分析成果進行共享，并取得理解和支持[6]，”要在確保電網安全與調峰的情況下達到最佳的水能利用率，達到電網安全調度與水庫最佳運行這一對矛盾的和諧統一、雙贏共贏。

參考文獻：

[1] 鐘永.攔污柵清污對洪江水電站機組運行的影響[J].人民長江，2009（16）.

[2] 陸偉剛，董雷，王兆飛，陸林廣.流量與環量對低揚程泵裝置流道水頭損失的交叉影響[J].應用數學和力學，2012（12）.

[3] 陳關華，劉永勝，翟常偉，吳祥海，杜顯寶.回轉轉式清污機在洼垴水電站的應用[J].現代商貿工業，2013（22）.

[4] 張立明.巴基斯坦VRC6型攔污柵清污機的研制特點[J].江蘇水利2001（08）.

[5] 楊興麗.泵站攔污柵攔污阻水研究[D].揚州大學，2012.

[6] 李玲玉，鄭源，周大慶.燈泡體前、后置對微水頭燈泡貫流式水輪機性能的影響[C].全國水力機械及其系統學術會議，2013.