浅析牛栏沟水电站机组出力不足原因分析及解决办法

黄登海，杨 东

（华能澜沧江新能源有限公司，云南省昆明市 650214）

浅析牛栏沟水电站机组出力不足原因分析及解决办法

黄登海，杨 东

（华能澜沧江新能源有限公司，云南省昆明市 650214）

本文针对牛栏沟水电站汛期出现拦污栅堵塞造成机组效率下降的情况，根据水轮机出力的特点，分析水头损失的成因，对该机组出力不足进行简要分析，根据机组设计特点、现场实际运行情况，提出避免和消除拦污栅堵塞增大水头损失的措施。从理论上分析了该水轮机出力和效率的主要影响因素，为节能降耗和机组安全稳定运行提供保障，其结论能为灯泡贯流式机组在云南的发展提供一定的参考，同时也为以后灯泡贯流式机组在云南的应用积累一定经验。

灯泡贯流式水轮机；拦污栅清污；出力不足；水头损失

0 引言

牛栏沟水电站位于云南省横江流域岔河至盐津县城段，是流域八级中的第6级电站，为河床坝后式开发，厂房布置在大坝的左侧，右侧为三个敞开式的泄洪冲沙孔。电站水库正常蓄水位488.00m，相应库容161.0万m3，校核洪水位491.36m，对应库容238万m3。电站引用流量230.4m3/s，额定水头12.3m，电站主要任务是发电。装设2台12.4MW的灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量为24.8MW。机组年利用小时为4560h，多年平均发电量1.14亿kW·h。电站为低水头径流式日调节水电站，上游水位基本在正常蓄水位和死水位之间波动，变幅不大，下游水位受下泄流量影响，有较大变幅。

1 机组特点

牛栏沟水电站两台机组自2014年10月份投产以来就一直存在效率偏低及水头较低时无法带至额定功率的状况， 一直存在出力不足的状况，经济损失较大，即使勉强达到额定负荷，机组振动会严重超标。

发电机组取水口前安装有浮式拦污排，但仍存在杂物堵塞机组进水口拦污栅，导致发电水头损失加大，机组出力受限，威胁机组安全运行的情况。分析拦污栅堵塞对机组运行的影响，弄清水头损失的成因，对运行人员准确判断拦污栅堵塞程度，及时安排清污；避免因水流中杂物塞栅造成栅体压弯、振动及失稳，保证机组高效运行有重要的意义。

1.1 设计要求

根据设计文件要求，水轮机额定水头12.3m时，水轮机最大功率不低于12.85MW，最大水头15.2m时，最大功率不小于14.2MW，最小水头7.14m时，最大功率不小于5.9MW，在额定水头下，引用流量115.2 m3/s，水轮机的出力效率值不低于94.6%。

表1 各种工况下的水位

表2 下游尾水位与流量关系

由表2看出，两台机组达到满发尾水位应保持在474.25m以下，为理想状态。按设计要求流量在452m3/s时，尾水水位应在475.2m，但实际此时水位为476m以上。

1.2 数据对比

1、2号机组试运行数据见表1、表2。

表3 2号机组试运行数据

表4 1号机组试运行数据

机组后期在各水头下机组的出力见表5。

通过拦污栅清理前后对比情况分析：

（1）清理前:

1）以2号机组为列，清理前机组出力5MW左右，虽然开度到达最大，但是流量仍然达不到额定值。

2）从表5可看出，在水头基本保持不变的情况下，1、2号机组进水口拦污栅清理前后对比，导叶开度及桨叶开度达到最大值时，机组出力、流量发生明显变化。

（2）清理后：

1）坝前水位在死水位左右，虽然机组流量达到额定值，但是由于尾水水位较高，水头未到达额定值，所以机组仍然无法到达额定出力。

2）根据历史记录， 2014年2月22日坝前水位在正常蓄水位以上，机组流量达到额定值、水头达到额定水头后，在尾水水位降低至474.63m时机组能达到满负荷运行。

3）另外从2014年8月20日， 2号机组最大负荷10.3MW，毛水头均为10.8m ； 1号机组清理拦污栅后最大负荷10.42MW，进水口拦污栅未堵塞，但此时尾水水位较高，坝前水位较低。

4）根据8月25日试验前后对比，机组出力随着坝前水位升高及尾水水位降低不断变化，虽然达到正常库水位且水头达到额定时机组未达到额定要求。

表5 机组后期各水头下出力

2 原因分析

2.1 拦污栅水头损失对机组出力的影响

水轮发电机组出力见式（1）：

式中：N——出力；

Q——流量；

Hm——发电水头；

η——水轮机效率；

γ——水的重度（γ=9.81kN/m3）。

灯泡贯流式水电站低水头大流量的特性决定了进水口拦污栅水头损失的微小变化对出力的影响大。水头减小后发电耗水率必然增加。所以要求适时清污，尽可能减小水头损失，保证机组高效运行。

2.2 水头损失的成因

（1）水头损失的成因。

水电站发电水头计算见式（2）：

式中：Z上——上游水位；

Z下——下游水位；

H损——水头损失，H损＝hf+hj；

hf——沿程水头损失；

hj——局部水头损失。

水头损失是水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量。其中边界对水流的阻力是产生水头损失的外因，液体的黏滞性是产生水头损失的内因。当液体沿纵向边界流动时，如果局部边界的形状或大小改变，或存在局部阻碍时，液体内部结构就会急剧变化，液体质点间的相对运动加强，内摩擦增大，产生较大的能量损失，这种发生在局部范围内的水头损失称作为局部水头损失。

水流在通过拦污栅时，栅条对其有一个局部阻碍作用，产生不可避免的局部水头损失。另外，所拦截的杂物，部分地堵塞栅孔，使拦污栅原有的边界条件改变，加剧了对水流的阻碍作用，致使过栅的局部水头损失增加，这部分损失，通过拦污栅清污基本可以清除。

牛栏沟电站所属流域来水量泥沙及漂浮物较多，机组进水口拦污栅堵塞现象严重，导致水轮机净水头损失，机组出力受限明显，效率降低为主要原因。

（2）由于电站基本无蓄水能力，坝前水位基本保持在死水位486.5m左右运行，尾水水位一直较高，基本维持在476m左右，而设计尾水水位在475m左右，此时机组毛水头虽然到达9.5m，但是由于在汛期由于水质原因拦污栅堵塞容易堵塞，实际机组净水头会有一定损失，机组效率降低，从而机组出力无法达到设计要求。

（3）上游入库流量对机组出力会产生一定影响，入库流量增大，尾水水位将增加，且坝前水位降低，水头受损严重引起出力不足，效率降低，根据设计要求一般流量在300m3/s左右，尾水水位在474.25m时机组效率影响最小。机组出力达到理想效果，而当流量大于600m3/s时，上游来水夹带泥沙导致进水口堵塞较为严重且机组水头损失影响机组出力。

（4）机组拦污栅清理前后对比栅前水位与栅后水位相差至2～3m，此时对机组效率影响较为明显，即使水头达到一定范围，但是净水头严重不足，影响机组效率。而调速器根据水头变化来选择不同的协联曲线，对全部机组清渣完毕后，比较机组间同负荷情况下导叶开度值，相差均变化不大。

（5）通过查看机组72h试运行记录分析，虽然机组达到额定水位，且尾水水位在设计范围内，水头已达到额定水头并且已超过额定水头，仍然出力不足主要原因为机组流量不足，导叶未开启至最大引起出力不足。

综合以上原因影响机组出力的原因：水工建筑物结构和尺寸。进水口门槽、拦污栅等的形式和尺寸与设计值有较大偏差，以及水轮机与尾水闸门流道形状及尺寸的差异，都会造成水头损失的增加从而影响机组出力。水库水质与漂浮物、水轮机导叶与桨叶的协联关系、振动和尾水位的变化等，都会对机组出力产生很大的影响。

3 改进措施及几点注意事项

（1）电站运行人员发现机组出力受限时，加强与上游电站的联系，上游电站采取冲沙时电站也应及时采取措施进行冲沙。

（2）在调度中利用洪水削退时段及时调整加大靠近机组段或坝前污多段溢洪道闸门开度集中泄流，既可排走部分漂浮污物，又不会造成水量浪费。尽量停机对拦污栅进行及时清理以便提高机组有效出力。

（3）电站运行人员应准确把握拦污栅清污时机，根据灯泡贯流式水轮发电机组对水头的敏感性，同型机组通过对比同负荷下机组间调速器协联关系的差异，当导叶开度值相差达5%时安排清污，也是一种有效的手段。

（4）确保清污机械设备状态良好，拦污栅清污机械设备在枯水期基本上不使用，平时应作好拦污栅清污机械检修、保养工作，在丰水期到来前应安排检修和试启动，并列入汛前检查项目，确保清污装置随时能正常投入使用。还应根据拦污栅使用情况，在枯水期进行检修。

（5）提高对拦污栅堵塞影响机组效率的认识，运行人员应时刻关注机组水头损失的变化，勤比较、多分析，准确把握拦污栅清污时机，及时安排清污。

（6）通过综合分析云南地区不适宜建设该类机型机组的水电站，机组出力效果较差，机组检修工作安排一般安排在汛期，而枯水期发电运行较为理想。

4 结束语

以上浅析和论述仅基于牛栏沟这种低水头贯流式电站的具体情况，意在通过分析寻求有效的节能降耗途径，及时对拦污栅清污降低水头损失，不仅是非常必要的降耗措施，也是非常重要的安全措施，为进一步做好水电厂节水增发电量、安全稳定运行起到一定作用。

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[3]秦正飞，王煜，高磊，汪健.基于EEMD和优化SVM的水电机组振动故障诊断［J］.水电与抽水蓄能.2016，2（1）：67-70.

[4]许红义.基于高斯阈值法的水电机组状态评估方法研究［J］.水电与抽水蓄能.2016，2（3）：30-33.

黄登海（1983—），男，本科，工程师，主要研究方向：水电厂水轮机调速系统、电气二次等管理。E-mail：632622215@qq.com

杨 东（1972—），男，本科，工程师，主要研究方向：发变电设备运行及检修、安全监察管理。E-mail：497572457@qq.com

Niulangou Hydropower Station， the Insufficient Output Cause Analysis and Solution

HUANG Denghai， YANG Dong
（Huaneng lancang river new energy Co.， Ltd.Kunming 650214，China)

This paper for niulangou hydropower station in flood season trashrack plugged caused a decline in the efficiency of the unit，according to the characteristics of the turbine output， analysis of the causes of head loss and the unit insufficient output is analyzed briefly， according to the actual characteristics of unit design，field operation is proposed to avoid and eliminate the trashrack plugged increase head loss measures.From the theoretical analysis of the main influencing factors of the turbine output and efficiency， to provide protection for the energy saving and safe and stable operation， the conclusion can provide some reference in the development of Yunnan for the bulb turbine units， but also for the future of bulb tubular unit applied to accumulate some experience in Yunnan.

bulb tubular turbine ; removal of pollutants by trash rack ; the output is insufficient ; water head loss