水輪發(fā)電機(jī)組出力損失分析

江 雨，楊 棣，楊 榮

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

1 引言

某水電站為壩后式水電站，由左岸電站、左岸電源電站，右岸電站、右岸地下電站，泄水建筑物等構(gòu)成。其中電源電站布置有2 臺(tái)額定功率50 MW、額定水頭85 m 的水輪發(fā)電機(jī)組X1F、X2F。2 臺(tái)機(jī)組自投入運(yùn)行以來，汛期時(shí)機(jī)組水頭超過85 m，但機(jī)組無法達(dá)到額定出力50 MW。電源電站為地下式廠房，引水系統(tǒng)由攔污塔、引水箱涵、進(jìn)水塔、過壩鋼管段、鎮(zhèn)墩、引水隧洞等建筑物組成，其進(jìn)水口設(shè)在升船機(jī)上游引航道隔流堤上，尾水系統(tǒng)出口設(shè)在左岸電站尾水渠。電源電站機(jī)組進(jìn)水口共2 孔，每臺(tái)機(jī)1 孔，發(fā)電機(jī)組采用壓力鋼管引水形式。每臺(tái)機(jī)進(jìn)水口設(shè)有進(jìn)水口檢修門和快速工作門兩道閘門。另外，在進(jìn)水口前端設(shè)有攔污柵。

根據(jù)水輪機(jī)出力計(jì)算公式P=9.81QHη，查看機(jī)組綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，水頭85 m 以上，效率η一般都在95%以上且相差較小，故本文重點(diǎn)從水頭、流量等方面進(jìn)行分析。水頭分析，通過計(jì)算機(jī)組水頭損失與歷史數(shù)據(jù)的水頭損失對(duì)比，找出水頭損失的關(guān)鍵因素。流量分析，通過在不同水頭下，變負(fù)荷試驗(yàn)，改變流量的分配，得出流量是否是出力不足的因素。

2 電源電站機(jī)組出力現(xiàn)象概括

2.1 電源電站投產(chǎn)時(shí)機(jī)組運(yùn)行工況

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)機(jī)組凈水頭大于85 m 時(shí)，機(jī)組出力可達(dá)到50 MW 穩(wěn)定運(yùn)行。在2007 年記錄的，144～156 m 升水位穩(wěn)定性及相對(duì)效率試驗(yàn)中，X2F 最大出力可達(dá)55 MW，其中毛水頭86.3 m 時(shí)，最大出力可達(dá)50 MW，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 144～156 m 升水位穩(wěn)定性及相對(duì)效率試驗(yàn)記錄表

2.2 電源電站機(jī)組歷年運(yùn)行情況

機(jī)組進(jìn)水塔攔污柵處一直有大量漂浮物。2011年4 月，將機(jī)組進(jìn)水塔處用混凝土蓋板對(duì)攔污柵進(jìn)行封蓋。期間機(jī)組在額定水頭出力始終無法達(dá)到額定出力。2014 年6 月3 日，又將進(jìn)水塔處混凝土蓋板更換為鋼格柵蓋板，以增加進(jìn)水流量。

表2 可表明：

（1）2012 年8 月11 日，水頭在87.7 m 以上，電源電站2 臺(tái)機(jī)組有功才能達(dá)到50 MW，且X2F 機(jī)組有功比X1F 機(jī)組大。

（2）2013 年7 月29 日，水頭在86.7 m，電源電站2 臺(tái)機(jī)組無法達(dá)到50 MW，且X2F 機(jī)組有功比X1F機(jī)組大。

（3）2014 年6 月3 日，將進(jìn)水塔處混凝土蓋板更換為鋼格柵增加進(jìn)水后，機(jī)組在88 m 水頭下，出力仍然無法達(dá)到額定。

3 箱涵段局部淤泥時(shí)的局部水頭計(jì)算

2016 年6 月，為確定機(jī)組進(jìn)水箱涵是否嚴(yán)重堵塞，采用無人探測(cè)系統(tǒng)對(duì)2 臺(tái)機(jī)組流道（主要是箱涵段）進(jìn)行檢查，檢查分兩條線路：1 號(hào)線路貼近流道下部（圖1），2 號(hào)線路貼近流道上部（圖2）。

圖1 1 號(hào)檢查線淤泥分部曲線圖

圖2 2 號(hào)檢查線淤泥分部曲線圖

通過檢查發(fā)現(xiàn)，靠近機(jī)組進(jìn)水口附近，由于流速較快，淤積物很少，在箱涵段，淤積物的厚度逐漸變?。浑x攔污柵的距離越近，淤積厚度增加，進(jìn)水部位的淤積厚度約為2.4 m。箱涵有淤泥時(shí)，流道示意圖見圖3。

圖3 箱涵有淤泥流道示意圖

4 模擬箱涵內(nèi)流態(tài)對(duì)機(jī)組出力的影響

4.1 建立箱涵的物理模型

水箱的尺寸與設(shè)計(jì)尺寸保持一致，為了便于數(shù)值模擬計(jì)算，圓管長(zhǎng)度假設(shè)為50 m。

圖4 箱涵模型圖

4.2 邊界條件

采用Fluent 進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)電源電站設(shè)計(jì)流量，入口速度0.77 m/s；圓管出口1 和出口2 為自由出口，假設(shè)總流量平均分配到2 個(gè)圓管中；水箱其他表面為墻面。

4.3 計(jì)算過程

通過壓力計(jì)算殘差和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力隨迭代次數(shù)的變化，可以看到，計(jì)算到6 000 步時(shí)，結(jié)果已收斂，因此流場(chǎng)已經(jīng)穩(wěn)定，不再發(fā)生變化。

4.4 結(jié)果

結(jié)論：2 臺(tái)機(jī)組進(jìn)水塔處壓力相差在1 000 Pa左右，X1F 略小，折算水頭差為0.1 m，故2 臺(tái)機(jī)組出力受箱涵內(nèi)水流態(tài)影響較小。

圖5 壓力分布圖

圖6 截面上的壓力分布圖

5 其他試驗(yàn)

5.1 變負(fù)荷試驗(yàn)

通過變負(fù)荷試驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)組出力受限是否與流量因素有關(guān)。試驗(yàn)方法，減少1 臺(tái)機(jī)組出力，將另1臺(tái)機(jī)組出力增加，記錄兩者之間的變化。

試驗(yàn)1：2014年8月29日，155.6/68.7=86.82 m 水頭下，進(jìn)行了電源電站機(jī)組出力調(diào)整試驗(yàn)。試驗(yàn)過程如下：

（1）X1F 出力由45 MW 降至20 MW，導(dǎo)葉開度由87.3%至35.7%；增加X2F 出力，導(dǎo)葉開度最大至99%，X2F 出力最大至43.9MW;

（2）X2F 出力由44MW 降至20 MW，導(dǎo)葉開度由85.7%至34.9%；增加X1F 出力，導(dǎo)葉開度最大至99%，X1F 出力最大至46.3 MW;

（3）調(diào)整X1F、X2F 均至最大出力，當(dāng)前X1F 出力45.9 MW，導(dǎo)葉開度87.7%，X2F 出力45.4 MW，導(dǎo)葉開度85.4%。

試驗(yàn)2：2014 年8 月31，水頭157.3/68.7=88.6 m，電源電站機(jī)組負(fù)荷試驗(yàn)：

（1）將X2F 有功減至25 MW，X2F 導(dǎo)葉開度40%，此時(shí)X1F 最大出力48 MW，X1F 導(dǎo)葉開度99%；

（2）將X1F 有功減至25 MW，X1F 導(dǎo)葉開度39%，此時(shí)X2F 最大出力48 MW，X2F 導(dǎo)葉開度99%；

（3）調(diào)整X1F、X2F 有功均至最大，X1F 有功47 MW,導(dǎo)葉開度95%，X2F 有功至48.4 MW，導(dǎo)葉開度95.4%。

結(jié)果表明：2014 年，進(jìn)水塔處混凝土蓋板更換為鋼格柵蓋板，88.6 m 水頭下，X1F、X2F 均無法達(dá)到額定出力，且2 臺(tái)機(jī)組出力和流量分配無關(guān)聯(lián)性，即機(jī)組流量不是影響機(jī)組出力的因素。

5.2 下游水位對(duì)機(jī)組出力的影響

取同樣水頭情況下，不同尾水位，進(jìn)行對(duì)比機(jī)組工況，考慮到跨年度對(duì)比意義不大，一般取時(shí)間段較為接近的時(shí)期進(jìn)行對(duì)比見表3。

數(shù)據(jù)10 和11 對(duì)比，相同水頭下，尾水為69 m比65.2 m，機(jī)組工況略好。

數(shù)據(jù)6 和7 對(duì)比，相同水頭下，尾水位68.6 m比65.8 m，機(jī)組工況略好。

5.3 尾水流態(tài)對(duì)機(jī)組出力的影響

電源電站相較于左岸電站來說流量較小，靠近左岸機(jī)組?？紤]左岸機(jī)組運(yùn)行對(duì)尾水情況有影響，進(jìn)而對(duì)電源電站出力產(chǎn)生影響。對(duì)比相同水頭下，左岸電站開機(jī)方式，分析尾水對(duì)電源電站機(jī)組出力影響。

數(shù)據(jù)3、4 對(duì)比，水頭都在88 m，1-3F 運(yùn)行方式區(qū)別很大，但存在下游水位不同的影響，故無法判斷其對(duì)電源電站機(jī)組出力的影響。

數(shù)據(jù)2、7 對(duì)比，水頭86 m，下游水位接近，1-3F機(jī)組備用時(shí)，電源電站出力略好。上述結(jié)論依據(jù)數(shù)據(jù)見表3。

表3 電源電站機(jī)組出力表（2017 年-2020 年）

6 進(jìn)水口攔污柵清理對(duì)機(jī)組工況影響較大

2017 年5 月30 日至6 月13 日，電源電站機(jī)組全停，配合進(jìn)水口閘門及攔污柵前水下清理。2017年5 月25 日,在進(jìn)水口及攔污柵清理之前做相關(guān)試驗(yàn)，上下游水位151.6 m/65.3 m，水頭86.3 m，2 臺(tái)機(jī)組可同時(shí)帶50 MW 運(yùn)行，導(dǎo)葉開度在88%左右，機(jī)組工況較好。

電源電站機(jī)組進(jìn)水口及攔污柵清理后，2017 年6 月14 日X2F 并網(wǎng)運(yùn)行，6 月16 日X1F 并網(wǎng)運(yùn)行。2017 年7 月5 日，水頭88.8 m 時(shí)，2 臺(tái)機(jī)組明顯無法達(dá)到清理之前的工況。在7 月8 日，水頭達(dá)到90.5 m 時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組才可滿出力運(yùn)行。

可見，攔污柵清理工作對(duì)機(jī)組工況產(chǎn)生了較大影響，初步判斷清理過程中異物進(jìn)入流道，造成水頭損失加大。

7 電源電站機(jī)組出力情況

2020 年7 月18 日，調(diào)整機(jī)組出力試驗(yàn)，水頭160.6/69.3=91.3 m，X1F 機(jī)組導(dǎo)葉開度74%時(shí)出力50 MW，X2F 機(jī)組導(dǎo)葉開度88%時(shí)出力50 MW。

2020 年9 月22 日，調(diào)整機(jī)組出力試驗(yàn)，水頭160.5/68.8=91.7 m，X1F 機(jī)組導(dǎo)葉開度74%時(shí)出力44 MW，X2F 機(jī)組導(dǎo)葉開度74%（導(dǎo)葉增加至88%出力無明顯變化）時(shí)出力45 MW。

可見，2020 年水頭損失約6 m，且汛末機(jī)組工況較汛初差。水頭損失從水輪機(jī)綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線中可以應(yīng)證。

2020 年9 月22 日，調(diào)整機(jī)組出力試驗(yàn)，水頭160.5 m-68.8 m=91.7 m，X1F 機(jī)組導(dǎo)葉開度74%時(shí)出力44 MW，X2F 機(jī)組導(dǎo)葉開度74%時(shí)出力45 MW。如圖7 和圖8，機(jī)組運(yùn)行工況理論上在B 點(diǎn)，實(shí)際上在A 點(diǎn)附近，對(duì)應(yīng)水頭約為86 m，水頭損失5.7 m。

圖7 電源電站水輪機(jī)綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線1

圖8 電源電站水輪機(jī)綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線2

8 結(jié)論

機(jī)組進(jìn)水口流量不是影響機(jī)組出力的因素。從2014 年增加進(jìn)水流量以及機(jī)組負(fù)荷對(duì)倒試驗(yàn)來看效果不明顯；對(duì)比每年汛期前后，機(jī)組出力能力變差均出現(xiàn)在汛中或是汛末（庫(kù)水位上升時(shí)段）；X1F、X2F機(jī)組出力的好壞具有隨機(jī)性，這和每年的水頭損失不一致有關(guān)。下游水位及左岸電站1F-3F 停機(jī)備用對(duì)電源電站機(jī)組出力改善有積極因素，但不具有固定性和主導(dǎo)性；機(jī)組過流關(guān)鍵點(diǎn)尺寸，電源電站箱涵攔污柵柵距20 cm，機(jī)組導(dǎo)葉實(shí)際開口小于20 cm。

綜上所述，異物通過攔污柵進(jìn)入機(jī)組流道內(nèi)造成機(jī)組水頭損失是機(jī)組出力無法達(dá)到額定的根本原因。

9 結(jié)語

水電站水力學(xué)導(dǎo)致的水頭損失是出力不足的主要原因，水頭損失隱蔽，一般與取水口箱涵處局部水頭損失、引水管道延程水頭損失、導(dǎo)水部件因漂浮物堵塞導(dǎo)致的局部水頭損失、轉(zhuǎn)輪損傷、尾水流態(tài)干擾等因素相關(guān)，分析中利用水力計(jì)算、模型分析、變負(fù)荷試驗(yàn)等方式查找原因。不同電站可根據(jù)此方法分析原因，本電站根據(jù)分析結(jié)論，改善措施主要是：減少漂浮物進(jìn)入水輪機(jī)組內(nèi)部、針對(duì)機(jī)組攔污柵和導(dǎo)葉前進(jìn)行檢查。