紀村電站運行水頭長時間低于設計水頭原因分析

陳新立

（大唐陳村水力發電廠，安徽 涇縣 242500）

1 電站概況

大唐陳村水電廠紀村水電站位于安徽涇縣青弋江灌區總干渠末端，為青弋江綜合利用配套工程，距涇縣縣城5 km。利用陳村水電站尾水，在溪口引水通過40 km的青弋江灌區總干渠到紀村，攔引徽水和區間水筑壩壅水，利用干渠末端與青弋江河道之落差發電。

紀村水電站裝機2臺，容量2×17 MW，均為軸流轉槳式機組，壓力前池正常擋水位54.81 m，相應庫容21.7萬m3，電站保證出力（90%）5 700 kW，年發電量1.65億kW·h。

紀村站2臺機于1976年投產運行，至今已運行40多年。由于多種原因，電站2臺機組實際運行水頭長期達不到額定水頭，導致機組運行效率偏低。

2 機組基本參數

紀村水電站是引水式水電站，引水總干渠長度40.8 km，設計流量160 m3/s，水深5.6 m，比降1/20 000，邊坡1∶2.5；壓力前池正常擋水位54.81 m，相應庫容21.7萬m3，面積3.45萬m2；東干渠渠首開挖后前池容積約增至30萬m3，具有日調節能力。電站設計平均毛水頭28.82 m，2臺機發電設計尾水位26.3 m，發電最大引用流量144 m3/s，裝機2×17 MW，裝機利用小時5 070 h，電站水輪機為軸流轉槳式，發電機為懸吊式，機組主要技術參數見表1所示。

表1 機組主要設備技術參數一覽表

3 機組運行數據

2012年2臺機發電時每小時運行水位（03月18日～11月05日），見表2所示。

表2 每小時運行水位

2012年2臺機發電時毛水頭水位（03月18日～11月05日），見表3所示。

表3 毛水頭水位

2012年2臺機發電時攔污柵差壓（03月18日～11月05日，每天記錄2次），見表4所示。

表4 攔污柵差壓

2012年2臺機發電時凈水頭（03月18日～11月05日），見表5所示。2012年03月～11月2臺機每月發電運行時長，見表6所示。

表5 發電時凈水頭

表6 每月發電運行時長 單位：h

4 數據分析

2012年紀村站總發電量1.56億kW·h，是繼2000年以來發電量最多的一年。但是從上述數據可以看出，在2012年2臺機長期發電運行期間，上游水位53.80～54.20 m時長，占全年運行比重的83.41%；下游水位26.20～26.60 m時長，占全年比重的82.58%；1號機凈水頭大于27.1 m時長僅占4.94%，1號機凈水頭時長25.9～27.1 m則占全年比重的85.154%；2號機凈水頭大于27.1 m時長僅占1.51%，凈水頭25.9～27.1 m時長則占全年比重的87.51%。也就是說2臺機發電期間運行水頭遠遠低于其設計的額定水頭28.5 m，根據2010年紀村電站效率測試報告，1號機水頭每降低1.5 m，出力減少約1 300 kW，效率降低約1%；2號機水頭每降低1.5 m，出力減少約1 000 kW，效率降低約1%。按2012年1號機運行時長為5 388 h，2號機運行時長為6 364 h進行計算，損失電量1號機約為700萬kW·h，2號機約為620萬kW·h。綜上所述，紀村電站每年因水頭低造成損失電量約為1 320萬kW·h。

5 原因分析

5.1 設計原因

紀村水電站是一個運行幾十年的老電站。設計單位原水電部第十四工程局設計處，當時由于部分機構變動、設計人員分散調動，在紅層地基上筑壩缺乏經驗，初步設計深度不足。在施工過程中進行了大量的補充勘測和設計修改工作，補充的地質勘探、試驗的工作量為初設階段工作量的一倍以上；壩基開挖施工中，未按設計要求進行，在設計和施工方面存在一些問題。紀村水電站初步設計中確定壩型為混凝土重力壩，后經研究選用了中部7個壩段為混凝土重力壩，兩岸則以均質土壩分別與笠帽山以及東干渠渠堤相接。技施階段，根據天津發電設備廠技術說明書及同類型機組其他電站的安裝情況，水輪機吸出高程原定-2.9 m更改為-3.9 m，水輪機安裝高程改為22 m，比初設降低1 m。

紀村所用的水輪機為我國60～70年代的產品，不僅設計制造水平較落后，而且由于當時可選擇的轉輪型譜極少，選型時往往是就近套用，機組運行效率低，運行工況差。由于電站已運行幾十年，機組設備在性能和結構方面都已陳舊、檢修頻繁。特別是轉輪、導葉等部件由于空蝕和磨損，葉型遭到破壞，間隙增加而使效率下降。就紀村電站，轉輪葉片與轉輪室內壁氣蝕嚴重，每年需要結合檢修對氣蝕部位進行補焊打磨處理。轉輪葉片在多次修補后線型變化加劇，轉輪室多個部位內壁已經脫空至混凝土層，補焊困難，影響了機組的安全運行與電廠的經濟效益。

5.2 攔污柵的影響

紀村1號、2號機攔污柵均為柵格式攔污柵，柵格間距符合國家標準，清污方式為停機時手動清污。另外，紀村水電站以上，陳村水庫以下、溪口攔河壩以上和總干渠右岸所控制的區間面積約600 km2，支流徽水在黃村攔河壩以上約1 000 km2。引水渠道穿過高清技術開發區及大量生活區，存在大量的生產生活垃圾；特別是汛期大量的枯樹枝和生產生活垃圾順流而下，造成攔污柵堵塞嚴重，使攔污柵前后水壓差大大超過設計值。從上述數據可以看出，1號機攔污柵差壓0.7～1.3 m時長，占全年比重的75.21%；2號機攔污柵差壓0.7～1.3 m時長，占全年比重的82.03%。此外2臺機運行時間方面，2012年最長的月份為7月份，但是當月因為清污，1號機停機2次累計3 h，2號機停機2次累計4 h。也就是說因為攔污柵清污需要，每月最少要停機2次，因停機清污損失電量每月最少約為20萬kW·h。

5.3 尾水的影響

兩臺機發電設計尾水位26.3 m。但從上述數據可以看出尾水高于26.4 m時長占全年比重的52.46%，也就是說紀村電站2臺機發電運行時下游尾水位超過一半時間是高于設計水位的。究其原因，其一是電站下游存在大量的采砂場，嚴重破壞了下游河床，不但抬高了下游水位，影響了水輪機出口流速，而且加大了尾水渦帶，間接加大了機組振動；其二是電站設計時未充分考慮到自然條件及周圍生產生活條件的變化，電站下游與青弋江主河道相連，當大量降雨或溪口閘發生棄水時，就會抬高紀村電站下游水位。

5.4 渠道的影響

由于紀村電站上游存在大量耗水量大的農業企業，工農業用水量突飛猛進。另外，隨著人們生活質量的提高，生活用水、環境用水、生態用水等過去設計電站時忽略的部分消耗也一天比一天增多。最明顯的就是紀村上游東干渠每年要進行開閘泄水，以滿足附近居民的生活生產需要。再加上渠道的水平高度有很長一段高于縣城，為了滿足多方面需求，渠道在建成后，一直無法達到設計水位，導致紀村站水輪機長期低于額定水頭運行。

6 解決建議

6.1 水輪機轉輪改型

由于紀村水電站是一個在60～70年代邊勘測、邊設計、邊施工的“三邊”工程。輪機轉輪的設計制造與使用條件相脫節。造成水輪機轉輪效率低，與90年代國內外先進轉輪相比，差距很大，真機效率約低2%～5%以上，造成可利用資源的巨大浪費。另外，由于機電設備落后、技術老化、機組設計水平低、制造工藝差、技術參數低，以及部件老化機組出力受阻和自然條件的變化，已不能充分利用已開發的水力資源，從而造成水力資源的再度浪費。再加上電力資源的迫切需要，有必要對水輪機進行改型，以提高機組效率，改善機組運行的安全穩定性。

從經濟角度分析，進行水輪機轉輪的改造與新建電站相比，投資較少，見效很快，經濟效益很高。從技術角度來看，近年來計算機技術、流體機械三維流動分析與設計理論、通訊與傳感器技術、現代控制理論和機械加工技術等都已取得了很大的進步，使得現代轉輪的設計、測試和制造方面都取得了長足進步。新的設計方法可以針對某一電站進行專門的設計與制造，可以保證電站選出適合自己電站條件的最優水輪機類型，從而達到最佳運行效果，取得最大經濟效益。另外，同梯級的陳村電站3號機的技術改造的成功，為紀村電站的水輪機改型積累了不少經驗，為紀村電站的改型成功奠定了基礎。

6.2 采用新的攔污柵清污方式

為減輕進水口攔污柵的排污壓力，紀村上游設有浮箱攔污，可以在不停機的情況下，利用溢洪道向下游泄流時將污物引至下游，一定程度上減少了停機次數。但其清污效果并不是特別理想，很多時候還要停機清污。因此為提高清污效果，減少停機時間，可以考慮采用電動或手動清污裝置，如耙斗式、曲臂式或回轉式清污機等。

6.3 陳紀優化調度

由于自然條件、民眾生活、多部門協調困難等多種因素影響，使紀村上游渠道、下游尾水的改變成為不可能。為盡可能降低渠道水位低造成的損失，電站專門制定了陳紀聯合優化調度政策，分析區間來水和陳村尾水情況，隨時監視黃村與溪口水位變化，及時聯系溪口閘調節閘門，控制渠道流量，保證紀村充分利用每一方水。另外，電站有關部門積極與地方政府協調，盡可能地抬高渠道水位。

7 結束語

紀村電站長時間低于設計水頭運行，是由于機組選型不合理、攔污柵堵塞嚴重、渠道長時間低于額定水位運行、下游水位高等多方面因素造成的。要解決這一現狀最主要的方法是對水輪機轉輪進行改型，因為水輪機轉輪是水電站的主要設備之一，其性能的優劣對合理開發水能、提高水電站運行可靠性和經濟學有著巨大影響。其次是更改攔污柵清污方式，采用自動清污機，盡量減少因停機清污造成的損失。最后積極執行現行的優化調度政策，探索最優化的調度方案，充分利用區間來水與陳村尾水。