降低攔污柵壓差在石泉水庫優化調度實踐中的應用

鞏祥照

（大唐石泉水力發電廠,陜西 石泉 725200）

1 引言

水電站進水口設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,影響電力系統安全、經濟運行的情況,在國內已投入運轉的水電站中屢有發生[1]。漢江石泉水庫歷年洪水調度過程中,每場洪水裹挾漂浮物過多、體積過大,堆積在壩前,在影響水庫水質的同時,時常導致機組進水口攔污柵壓差超標,使機組出力減小。特別是當壓差嚴重超標時,攔污柵結構變形,損壞設備,迫使機組停機,極大影響電站發電效益。日常的處置方法是,在壓差接近超標,采用機組全部停機或不停機,動水作業,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致壓差增大的情況無法緩解。

本文根據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系,在合適的時段調整閘門運行方式和機組運行方式,配合人工、機械班臺動態打撈,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,機組出力不減少,企業經濟效益不降低。

2 攔污柵的壓差

一般水流通過攔污柵時產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、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的大Ⅱ型水力發電廠和陜西電網調峰電廠之一,兼有灌溉、防洪、發展漁業等綜合利用效益。水庫控制流域面積2.34 萬km2,屬不完全季調節,正常高水位410.00 m,死水位395.00 m。設計庫容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,河床導墻內布置一大底孔,中孔與左岸1號～3號機組發電取水口壩段之間設一沖沙底孔（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%,水庫歷年洪水調度過程中,由于洪水攜帶大量的漂浮物,經常出現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,壓差過大導致強迫停機,直接影響電站發電效益。

受環保監督、水電企業主體責任強監管的壓力,對滯留在庫區管理范圍內的漂浮物必須企業主體打撈,滯留時間不宜過長,影響庫區水質。因此,電站一般多采用機組全停,作業機械班臺結合人工打撈庫區漂浮物的方式連續作業,來減少水質污染的同時,進一步降低機組進水口壓差,提高機組發電水頭,產生經濟效益；石泉水庫在調度過程中,一場洪水攜帶的漂浮物需要近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,漢江上游流域區域性暴雨洪水多發,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增大,在影響環保的同時,直接危及梯柵設備安全和機組運行工況；在發生的8.17 洪水調度過程中,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,接近壓差設計值,造成機組運行水頭底,機組負荷帶不滿,效率下降,直接影響發電效益,見圖2。

圖2 壓差變化趨勢圖

5 優化調度措施

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

1）2號進水口降低壓差方式：

考慮到2號進水口的布設位置,行洪期間,根據來水實況,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,改變水流流態減小進水口柵前漂浮物吸附力從而減小壓差增大的風險,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,導致壓差不斷上升,短時間內停機無法消除。

根據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,且在機組滿負荷運行情況下,提前向調度申請說明,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,另一部分通過調整閘門運行方式,依靠開關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,逼近設計值,造成機組運行水頭底,負荷帶不滿,直接影響發電效益。

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 結語

因此,在石泉水庫行洪期間,當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電出力時,完全可以采用調整閘門和機組運行方式,通過拉渣的方法來實現快速清渣、降壓差,提高機組運行水頭,增加機組效率,進而增加發電效益,減少不必要的成本支出；另一方面,通過調整閘門和機組運行方式,可以減少進水口攔污柵設備的損壞率,確保度汛非工程措施安全,實現水庫度汛安全,獲取更長遠的經濟效益。