黄少敏



水电站出力不足的原因分析及解决办法

黄少敏

福建水利电力职业技术学院

对运行中的一座水电站出现出力不足的现象进行分析，并提出适合实际需要的解决办法。

水电站 出力不足 原因分析 解决办法

永安亿泉发电有限公司位于文川溪中上游河段，是永安境内文川溪梯级工程中，装机规模最大、具有调节库容的龙头电站，能对下游各梯级电站起调节作用。坝址上游流域面积为541平方公里，水库总库容为1.003×108m3。水电站正常蓄水位为305.00 m，死水位为291.50 m，设计洪水位为305.43 m，校核洪水位为305.85 m；调洪库容为2.29×106m3，调节库容2.5×106m3。

水电站装设两台2×5000 KW的立式水轮发电机组，多年平均年发电量为3.5×107kwh，年利用小时数为4130h，多年平均年利用小时数为3560h；保证出力为9800 KW，水轮机型号为HL250—LJ—140，额定转速为375 r/min，单机额定流量为14.78m3/s，最大水头44.7m，额定水头为39.10 m，最小水头31.4 m；发电机型号为SF5000-16/3250，额定容量为5000 KW，额定转速为375转/分。

1 问题的提出

该水电站在开始投入运行时，2台机同时运行时可以满发，有时还可以超发100～200 KW。但是在近期运行过程中，即使1台机同时运行且水头、流量满足要求时，机组最多只能带4800～4900KW；若2台机同时运行，即使在水头、流量满足要求的情况下，仍然无法达到正常出力，而且出力还会下降。但是在机组运行过程中，没有出现机组振动的现象。

2 存在问题的原因分析

针对上述的现象分析，可以初步判断引起上述现象的原因有三个方面：一是水轮机转轮的过流表面刚度、强度不足，造成转轮抗空蚀和抗磨能力不足，使得水轮机在运行时转轮叶片的表面出现空蚀磨损现象，造成水轮机转轮的效率下降；二是引水道之中存在堵塞物，如树木、淤泥等，减小了流道的过水断面，使得流量不足。上述二种原因就是造成机组出力不足的主要因素。

3 存在问题的解决办法

3.1 针对引水道之中存在堵塞物的问题

由于上坂水库电站位于河道的中间，河道两边树木繁茂，不可避免的有许多树枝和树叶落到水库之中；而这些树枝和树叶会顺着水流流道进入引水道入口处，在入口处拦污栅前形成堵塞现象，这样在入口处拦污栅前形成水头落差，无形之间降低了水轮机的工作水头；同时也有一些石头、淤泥之类的会在水流流道中淤积，也会造成流道中过水面积的减少；所以需要对拦污栅前以及水流流道中的淤积物进行清理，以保证水流流动顺畅。

3.2 针对转轮的过流表面刚度、强度不足的问题

转轮的过流表面刚度、强度不足，是造成抗空蚀和抗磨能力不足的主要原因。针对这个现象，可以从几个方面进行改进：一是在转轮的过流表面以及其它过流部件表面易空蚀磨损的部位铺焊不锈钢，以提高抗空蚀磨损的效果；二是在转轮的制造过程中，需要采用刚度和强度较高的钢材，根据实际需要采用对应的措施，在一些重要的部位需要使用较好的钢材，其它部位可以采用一般的钢材。

3.3 针对水轮机转轮型号不适合的问题

HL250型转轮目前较少使用，因为原来该机组可以满发，有时还可以超发100～200 KW，因此针对水轮机转轮型号不适合的问题，可以有几种做法：一是在满足转轮的强度、刚度的基础上，重新更换一个HL250型转轮，这样可以保证有关过流部件的结构尺寸（主要是导叶方面）不用改变，有利于减少机组技术改造的投资成本；二是重新选择一个各方面性能更为优良的转轮，这样可能会使得有关过流部件的结构尺寸（主要是导叶方面）发生改变，这种做法就会增加机组的投资成本。

如果采用第一种方案，我们可以寻求能够生产HL250型转轮的相关生产厂家进行生产；主要要求生产厂家在满足转轮的强度、刚度的基础上，重新生产一个HL250型转轮，这样可以保证有关过流部件的结构尺寸（主要是导叶方面）不用改变，有利于减少机组的投资成本；但是据了解，目前国内还没有HL250型转轮型号。

如果采用第二种方案，根据该水电站的实际情况，我们选择了二种型号的转轮与HL250型转轮进行比较。有关不同转轮型号的参数计算结果见表1。

根据表1的数据和计算结果，我们可以看出，HLF13的各种参数与HL250的参数相差较大，尤其是导叶相对高度较HL250的相差较大；而HLA551C的各种参数与HL250的参数比较接近，导叶相对高度只是相差0.01，因此初步决定采用HLA551C型转轮。

表1 3种型号的转轮各种参数的比较

注：Q1，—转轮限制工况点单位流量，n10，—模型转轮最优单位转速，ns—模型转轮比转速，ηM0—模型转轮最高效率，ηM—模型转轮限制工况点效率，ηmax—原型转轮最高效率，△η1—原、模型转轮的效率差，△η2—原、模型转轮加工误差，ηs—原型转轮额定点实际效率。

根据选定的HLA551C型转轮，我们对HL250型转轮和HLA551C型转轮的各种效益参数指标进行计算比较；表2中HL250机组的出力按照业主提供目前机组的实际出力参数为准，年利用小时数以多年平均年利用小时数为3560h为准。计算结果见表2。

注：H—额定水头，Q—额定流量，ηs—原型水轮机额定点效率，ηf—发电机效率，Nf—发电机实际出力，E—机组年发电量，按运行3560h计算；△E—HLA551C与 HL250机组的年发电量差，W—不同水头下HLA551C与 HL250型的年收益，△W—不同水头下HLA551C与 HL250型的年收益差。

从表2的数据可以看出，与HL250—LJ—140型的水轮发电机组的发电量相比较，如果更换一个新的HLA551C型转轮，同时发电机不要进行改造，只是对导水机构的拐臂进行更换，在流道的条件可以满足流量的前提下，水头为39.10m的时候，每年可以增发0.85×107kwh的电能，该水电站的上网电价是0.30元/kwh，经过计算，每年经济收入可以增加2.52×106元（由于机组出力达到6107kw，发电机也要进行更换，这样会增加机组改造的费用，我们可以通过控制导叶开度来对机组出力进行调节，将机组出力控制在发电机可以承受的范围）；水头为38.00m的时候，每年可以增发0.35×107kwh的电能，每年经济收入可以增加1.02×106元；水头为37.00m的时候，每年可以增发0.21×107kwh的电能，经济收入可以增加0.60×106元。

4 更换转轮的费用和经济效益比较

4.1 转轮更换及相关导水机构的费用

制造厂家提出了3种方案，一是整个转轮(上冠、叶片和下环)为不锈钢材料；二是上冠为碳钢材料,叶片和下环为不锈钢材料；三是整个转轮(上冠,叶片和下环)为碳钢材料。而整个转轮为不锈钢材料的，其运行寿命是碳钢材料的3～5倍。有关各种方案的转轮以及相关配套的技术改造项目的价格见表3。

从表3中可以看出，加上引水流道进口清理费用，方案一的总费用为54万元，方案二的总费用为50万元，方案三的总费用为42万元。

4.2 转轮更换及相关导水机构变化与转轮更换后的费用和经济效益比较

从表2和表3的数据可以看出，更换一个新的HLA551C型转轮，同时发电机不需要进行改造，只是对导水机构的拐臂进行更改，水头为39.10m的时候，每年可以增发3.99×107kwh的电能，每年经济收入可以增加1.197×107元；当水头为38.00m的时候，每年经济收入可以增加0.945×107元；当水头为37.00m的时候，每年经济收入可以增加0.995×107元。

表3 HLA551C-LJ-144转轮更换费用

这三种水头下的年发电量所获得的经济效益，除去方案1（方案2、方案3）技术改造的费用，其收益与技术改造费用差见表4。

表4 三种水头下方案1、2、3收益与技术改造费用差的比较

注：表4中的收益与技术改造费用差采用四舍五入的计算方法）。

从表4中可以看出，三种水头下方案1、2、3收益与技术改造费用差分别是2.466×107（2.47×107、2.478×107）元、0.966×107（0.97×107、0.978×107）元和0.06×107（1.00×107、1.80×107）元；因此，这个技术改造完成后，可以在第二年就能够将技术改造的费用回收回来，并且还有大量的盈余。

5 结论

通过业主与制造厂家的联系与商谈，作者认为作为业主和制造厂家可以通过协商，从以下几方面考虑执行转轮的技术改造：

5.1 从技术方面比较，在转轮的更换上面不存在任何问题；而从经济方面比较，不同水头下方案1、2、3收益与技术改造费用差都比较大，因此改造的次年就可以将改造费用回收；其中方案1的改造涉及发电机改造的问题，我们可以通过控制导叶开度来对机组出力进行调节；从使用寿命来分析，建议采用全不锈钢转轮，因为全不锈钢转轮与叶片和上冠采用碳钢、下环采用不锈钢转轮的价格相比，只是相差4万元；而上冠采用碳钢的转轮，其上冠的耐磨性能和抗空蚀性能都比不锈钢的差；与全碳钢的价格相比，只是相差10万元；而使用寿命则是全碳钢的3～4倍；

5.2转轮与相关需要更换的设备的生产周期是3个月，从时间上来说是完全能够满足要求的。因此转轮的更换可以利用机组在枯水期大修的时间进行更换。

[1] 水电站机电设计手册编写.水电站机电设计手册(水力机械)[M].北京:中国水利电力出版社，1983.

[2] 刘亚坤.水力学[M].北京:中国水利水电出版社，2008.