某巨型水電站機組發電效率下降探究及原因分析

簡新平，翟昕辰，楊 鵬，艾 心

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

混流式水輪機機構簡單，運行穩定，并且效率高，能適應很寬的水頭范圍（20～700 m），是目前世界各國廣泛采用的水輪機型式之一[1]。當水流經過這種水輪機工作輪時，它以輻向進入、軸向流出，所以也稱為輻向軸流式水輪機。近年來的發展趨勢是高水頭、大容量、高比轉速和高效率。然而，從國內混流式水電站運行情況來看，還暴露出一些問題，其中較為突出的是水輪機出力受阻達不到額定出力。這一問題造成了水量浪費，影響了水電企業的經濟效益，甚至造成安全隱患。因此，本文基于混流式水電站及機組個性特點，結合國內混流式有功無法調整至設定值的典型案例，分析了導致混流式有功無法調整至設定值的主要原因，提出了對現象進行原因分析的方法，并結合趨勢分析、現場測量和求證法得出最后結論。

1 現象

2018 年8 月9 日起，某電站一臺機組有功功率無法調整至設定值（該電站機組額定出力為700 MW），并且偏離值有增大趨勢，8 月11 日該機組有功功率長時間無法維持在690 MW 之上。針對此現象，將該機組近期相同水頭下的工作情況進行了對比分析，如表1、圖1 所示。

表1 某機組相同水頭下不同時間工作指標表

圖1 某機組相同水頭下不同時間工作指標趨勢圖

從表1 和圖1 均可以看出，該機組水輪機運行參數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供水總管壓力的情況下，開度變大時有功功率反而下降；而8 月11 日有功功率增加至688 MW 后無法繼續增大。

2 原因分析

針對該機組有功功率在機組水頭相同且導葉開度變大的情況下，有功功率反而下降原因進行了初步分析和判斷，下面從對比和內部原因兩大方面進行了分析。

2.1 對比分析

同向對比：近期該機組相關數據與同型機組相比，在機組水頭一致，有功給定值一致（700 MW）時，該機組導葉開度整體偏大，見表2、圖2 所示。

表2 同型機組相同水頭下不同時間工作指標表

圖2 另某一機組相同水頭下工作指標趨勢圖

縱向對比： 與近三年該機組同時期在有功功率一致（700 MW）、水頭基本相同的情況進行了對比分析，發現該機組導葉開度從2018 年5 月開始逐步增大至93%（2018 年5 月前其導葉開度未超過90%），且明顯高于其他時間段的導葉開度值。具體如圖3所示：

圖3 該機組2016 年同時段相同水頭下工作指標趨勢圖

2.2 內部原因分析

發電機有功功率P發=UIcosΦ，水輪機出力：P水=9.81QHη1[2]，P發=P水η2（η1為水輪機效率，η2為發電機效率）。根據水輪機出力公式，如導葉開度增大，應該會增加水輪機進水流量Q，相同水頭H下，水輪機出力應增加，如發電機效率η2不變，發電機有功功率應增加（與實際相反）。下面分別從4 個方面進行分析：

（1）發電機電壓電流采集：查監控系統與保護盤柜、安控系統、勵磁系統等處的電壓電流基本一致，且與該機組設計值基本一致，故排除了發電機電壓電流采集問題。

（2）發電機功率變送器和傳送通道：該機組在有功給定700 MW 時，機組有功給定反饋值703 MW，而實發值卻為683 MW，現場對送監控系統的有功功率與保護盤柜、安控系統、勵磁系統等處的實發功率（這些功率顯示值來自不同變送器）進行對比計算，其實發功率基本一致，故排除送監控系統該機組有功實發值的變送器和傳送通道存在問題。

（3）水輪機調速系統控制機構：將該機組調速器由一套調節器切至另一套調節器運行，并上下調節該機組有功功率，無明顯效果，且通過現場導葉開度測量，用標尺對比，接力器行程機械位置指示與監控系統顯示基本一致，故排除調速系統控制機構問題。

（4）水輪機出力N下降：排除發電機和調速器方面的問題后，應為水輪機出力下降導致，根據水輪機出力公式：P水=9.81QHη1可知，可從以下3 個方面分析：

1）流量Q下降或不夠：若水頭無損失，水頭H不變，假設效率η1不變，由于水輪機出力下降，故流量Q下降或不夠。影響水輪機進水流量Q下降或不夠的因素：導葉開度不夠，進入轉輪室的流量不夠滿發；攔污柵淤塞，流入水輪機流量Q相對減小；蝸殼內進入雜物，導致進入轉輪室的流量減小。現場與維護人員一起在該機組調速器電氣柜面板將該機組導葉開限由93%增至95%，該機組導葉實際開度也增至95%，該機組在有功給定700 MW 時，有功實發值短時能夠達到700 MW，運行一段時間后又逐步下降至688 MW 左右，95%導葉開度遠大于同型號機組同時刻的85%左右的導葉開度，也比該機組相鄰機組導葉開度92%偏大，故排除了導葉開度不夠的原因。

2）水頭H下降：若水頭損失，假設效率η1不變，水頭H下降導致水輪機出力下降。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，引起水輪機出力下降[3]。根據目前已有的研究，攔污柵的水頭損失系數，取決于柵條斷面形狀、斷面尺寸、柵條凈距、進柵水流方向以及結構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使水頭損失增加50%～200%[5]。通過查閱文獻資料 ，發現目前較為成熟的計算攔污柵水頭損失系數的公式為布爾可夫——邱金娜公式[4]，如下

其中，Cv——流速系數，一般取0.97；

Cp——攔污柵結構件遮擋系數，Cp=Fj/FS；

Fj——攔污柵結構件遮擋的面積（包括污物的堵塞）；

Fs——攔污柵設計計算面積；

Cs——攔污柵構件使水流收縮系數，一般取0.08～0.1，當攔污柵遮擋面積達到30%以上時，可忽略不計；

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

3）水輪機效率η1下降：若水頭H無損失和流量Q正常，則可知水輪機效率η1下降。排除本身的過流部件質量問題、設計參數不合適和水輪機過流部件空蝕加大等方面因素后，水力振動加劇等也會導致水輪機效率η1下降，如水力振動加劇，必然增加軸和瓦之間的摩擦，消耗機組能量[6]。通過趨勢分析瓦溫和振擺分析得知正常，故排除了水力振動加劇。

2.3 分析總結

綜合2.1 對比分析和2.2 內部原因分析，該機組發電效率下降現象，初步判斷可能原因為流量Q下降（或不夠）和（或）水頭H下降導致的水輪機出力N下降，具體因素可能為攔污柵淤塞和（或）蝸殼內進入雜物和（或）攔污柵壓差增大。

3 分析求證

針對該機組發電效率下降現象，下面從趨勢分析、現場求證和數據求證等3 個方面進行分析求證。

3.1 趨勢分析

從趨勢分析圖4 可看出，該機組有功功率與蝸殼壓力、技術供水進水總管壓力表現出正相關性。在該機組有功功率實發值達到額定功率時，蝸殼壓力、技術供水進水總管壓力相對較大。而在該機組有功功率實發值逐步下降直至無法達到額定功率時，蝸殼壓力、技術供水進水總管壓力也逐步下降，并且技術供水進水總管壓力下降更加明顯。

初步判斷攔污柵存在淤塞現象并且蝸殼內可能進入了少量雜物，攔污柵淤塞和蝸殼內進入了少量雜物會影響機組的實際過流量、機組的實際凈水頭，影響機組實際出力。同時若蝸殼內進入了少量雜物時，可能造成技術供水取水口堵塞，壓力下降。而根據圖4 的趨勢分析也可以看出，該機組技術供水取水口壓力確實有明顯下降的趨勢。

圖4 該機組8 月1 日至8 月12 日時段工作指標趨勢圖

故進一步判斷影響該機組有功實發值在當前條件下不能達到額定功率的原因可能是電站進水口攔污柵存在的大量漂浮物及機組流道內可能也進入的少量漂浮物。

3.2 現場求證

現場對電站該機組進水口攔污柵進行檢查，發現該電站進水口攔污柵存在較多漂浮物。

該電站進水口有大量漂浮物，應該是由于7 月上游暴雨不斷，地表徑流將上游大量雜物等沖入長江進入水庫。如圖5 所示。

圖5 該電站進水口攔污柵處

3.3 數據求證

經現場測量該機組攔污柵前后壓差為 4.02 m，之前該機組攔污柵前后壓差最大值僅為0.8 m。說明該機組攔污柵前后壓差明顯增大。

4 結論及處理

綜上所述，判斷原因如下：

（1）該機組蝸殼內有雜物，導致進入轉輪室的流量下降；

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

由于該機組技術供水總管壓力相較于蝸殼壓力，下降幅度更大，因此認為該機組發電效率下降應是上述兩方面原因疊加產生。發現該電站機組進水口攔污柵存在較多漂浮物并確認原因后，通過及時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備損壞。