水头损失对机组运行的影响

张勇

【摘 要】水电站进水口拦污栅锈蚀和堵塞严重影响着水轮发电机组的出力，由于拦污栅、转轮选型会对水头造成损失，并给机组带来一定的影响。因此必须要综合考虑到电站综合情况，对机组运行的特点进行分析，从而制定措施来降低水头损失对机组运行的影响。本文对水头损失对机组运行的影响进行研究，并提出自己的一些建议。

【关键词】水头损失 机组运行 影响

1 引言

绿水河电站的水轮机组已运行了40年以上，电站投运初期由于河流泥沙含量重，且携带大量金属矿物质，机组过流部件磨损非常严重，一套过流部件使用一个汛期后，其表面已被磨损的象蜂窝状，不能再使用，在大修时必须更换，由于水质原因使得导叶和顶盖、底环磨损严重，配合间隙变大，另一方面，技改过程中，转轮更换后，采取了副顶盖低压腔供水方式，虽然降低了厂用电率，同时机组的水头损失也增加了。

2 基本概况

电站引绿水河水发电，厂房位于红河左岸阶地上，绿水河二级电站是径流式电站，二级电站装有有四台机组，总装机容量57.5MW。二级电站#1水轮机型号为2CJ20-W-146/2x15，额定水头：305米，额定流量：5.33m3/s，额定转速：500rpm，额定出力：13 MW；发电机型号：TSW-286/115-12，某电机厂生产。#2-#4水轮机型号：HL006-LJ-140，水头：305米，额定流量：6.02m3/s，额定转速：750rpm，额定出力：15.63 MW；发电机型号：TSW-286/115-12，均为重庆水轮机厂制造。二级电站压力管道采用地下埋管布置，总长1289.42m。整条管道分三段平洞和二段斜井，其中#1平洞段总长40.778m，钢管直径均为2.8m；#1斜井段钢管直径分为2.8m和2.4m，2.8m管径段长134.222m，2.4m管径段长192.371m；#2平洞段长284.215m，管径为2.6m；2#斜井段长171.751m，钢管直径为2.6m；3#平洞段总长466.088m，钢管直径均为2.25m。

绿水河电站的特点：（1）24h内出力基本不变，适宜担负电力系统的基底负荷。（2）年内各月电量变化大，枯水期电量明显少于汛期。（3）弃水多，径流式水电站的水量利用系数一般较低。（4）径流式水电站的机组若遇洪水特别大，机组尾水上升，1号机坑水位不应超过142.85m，如果水位上升至142.90m，应停止1号机运行，#2、3、4机视红河水位上升情况逐步停止运行；红河水位升高而达不到额定出力，甚至不能发电。

3 水头过低对机组运行的影响分析

水头变化范围增大， 在供水后期和蓄水初期水轮机便处于低水头条件下运行。“任何一种水轮机其适用水头都有一定的范围，当水头过低，将导致水轮机效率和出力显著下降，低负荷运行易产生水力共振并对机组过流部件造成气蚀。此时，其他类型水力振动所占比重较小，甚至不能稳定运行[1]。”因此在确定水库消落深度时，必须考虑水轮机的技术性能要求。混流式水轮机只在一定的范围内能够稳定运行是其固有的特征之一，下图1、2为混流式水轮机运行特性、压力脉动曲线，对应某一恒定转速，在能量——流量坐标系上绘出了等效率圈和导叶等开度线。水轮机工况由其最优效率下单位水能a和单位流量b确定，某一工况的额定单位水能c可能不同于最优工况下的单位水能。

图1 绿水河混流机特性曲线及尾水压力脉动

图2 常规压力脉动随导叶开度的变化趋势

机组持续运行范围受下列因素限制：导叶量小于开度d，导叶最大开度e，最大水头f。最小水头g和发电量的最大功率。由上图看出，在最优水头H附近，随着流量Q的增加（或负荷的增加）混流式水轮机将依次经过极小负荷区①、部分负荷脉动区②、高负荷脉动区③、稳定运行区④和超负荷不稳定运行区⑤。

4 绿水河电站机组特性综合分析

绿水河电厂是径流式电站，故负荷调节比较频繁，枯期机组常运行在禁止运行区、限制运行区，在禁止运行区，机组振动剧烈、噪音大，实际运行中，此区应快速穿越；在限制运行区，机组不宜长期运行。#4水轮机综合特性曲线图3所示：

图3 #4水轮机综合特性曲线

图4 冲击式水轮机CJ20的模型结合特性曲线

图4所示，涡带一般发生在导叶开度为40%—70%区间内，而水轮机压力脉动最大值发生在半负荷区，其原因是此时水流圆周速度分量和涡核偏心距最大。

“尾水锥管压力脉动是反映水轮机稳定性最重要的指标之一，而且这一指标不会随着机组维修重大发生改变的改变，仅仅与机组的运行条件有关[2]。”水导摆度值虽然随着机组的维修，导轴承轴瓦间隙的变化，但大量的现场试验数据和现场测试经验表明，尾水管内涡带发生后，受其影响最大和最敏感的就是水导摆度值；振摆装置及压力脉动装置的使用，成为运行人员工作中的重要参考指标。

“过流部件的磨损严重对机组运行的禁止运行区、限制运行区会造成一定的影响，这就要求我们运行值班员在机组运行过程中，细心观察机组 特性总结出各台机组合理运行区域[3]。”

汛期运行人员应及时观察栅前栅后水位差值，当拦污栅前后水位差超过0.5m后，应立即清理拦污栅栅前渣物。拦污栅前后压差达到2m后，必须停机捞渣，停机后检查拦污栅结构，观察是否有变形损伤。采取措施如铺设漂浮带或开清污机打捞杂物等手段减少栅前、栅后水位差，达到减少水头损失的目的。

5 结语

通过科学调度，确保合理水位，使水库不弃水或少弃水，使机组长期在经济状态下运行。

“（1）发电企业要通过自身水情测报系统等科学的手段，加强硬件的投入，较为准确地预测流域来水趋势，掌握水库调度方向，做到心中有数[4]；”（2）要加强水情数据的统计分析工作，使分析工作规范化、制度化和日常化，加强分析统计人员的业务素质和工作责任心，为更好地预测流域来水趋势提供优良的“软件”；“（3）要建立优化调度工作机制，将优化调度纳入日常工作，提出机组备用及运行的中短期策略，做出最佳运行方案，并落实到每天的运行方式上，落实到发电运行的时间点、负荷率和耗水率上[5]；”（4）要做好机组的检修工作，充分利用枯水期把设备修好保养好，确保丰水期机组满负荷发电，等效可用系数100%，特别要做好水库不弃水或少弃水的预案；（5）要充分的经常的与调度部门联系，“将企业的最佳运行方式与意图进行沟通，水情预测和分析成果进行共享，并取得理解和支持[6]，”要在确保电网安全与调峰的情况下达到最佳的水能利用率，达到电网安全调度与水库最佳运行这一对矛盾的和谐统一、双赢共赢。

参考文献：

[1] 钟永.拦污栅清污对洪江水电站机组运行的影响[J].人民长江，2009（16）.

[2] 陆伟刚，董雷，王兆飞，陆林广.流量与环量对低扬程泵装置流道水头损失的交叉影响[J].应用数学和力学，2012（12）.

[3] 陈关华，刘永胜，翟常伟，吴祥海，杜显宝.回转转式清污机在洼垴水电站的应用[J].现代商贸工业，2013（22）.

[4] 张立明.巴基斯坦VRC6型拦污栅清污机的研制特点[J].江苏水利2001（08）.

[5] 杨兴丽.泵站拦污栅拦污阻水研究[D].扬州大学，2012.

[6] 李玲玉，郑源，周大庆.灯泡体前、后置对微水头灯泡贯流式水轮机性能的影响[C].全国水力机械及其系统学术会议，2013.