(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

汾河二庫(kù)水電站機(jī)組應(yīng)對(duì)蓄水位抬高后的改造方案

張敏杰

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

本文介紹了汾河二庫(kù)水電站蓄水位抬高的原因，以及對(duì)水電站的影響。針對(duì)水電站設(shè)計(jì)水頭增加，對(duì)水輪機(jī)改造進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)配套發(fā)電機(jī)的更新改造情況進(jìn)行闡述，以期為同類工程提供借鑒。

汾河二庫(kù)；蓄水位；機(jī)組改造

1 概 述

汾河二庫(kù)位于太原市尖草坪區(qū)與陽(yáng)曲縣交界處。水庫(kù)總庫(kù)容1.33億m3，是汾河上游干流上一座以防洪為主，兼有供水、發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖等綜合效益的大(2)型水利樞紐工程。汾河二庫(kù)水電站裝機(jī)容量9600kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量2350萬(wàn)kW·h。電站建成投產(chǎn)運(yùn)行十余年來(lái)，給當(dāng)?shù)氐膰?guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了可靠的電力能源，產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)效益和較好的社會(huì)效益。

2 電站設(shè)計(jì)水頭增加的原因

依據(jù)《山西省汾河二庫(kù)技施設(shè)計(jì)說(shuō)明書》，水庫(kù)正常蓄水位905.70m，設(shè)計(jì)發(fā)電水位890.00m，最低發(fā)電水位880.00m，設(shè)計(jì)尾水位852.82m。以上水位對(duì)應(yīng)的電站最大水頭51m，電站設(shè)計(jì)水頭34.5m，電站最小水頭24.4m，電站設(shè)計(jì)流量36.5m3/s。

從以上特征水位可以看出，原水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭為34.5m，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)發(fā)電水位為890.00m。但當(dāng)電站的最大水頭是51m時(shí)，對(duì)應(yīng)的水位是水庫(kù)正常蓄水位905.70m。

根據(jù)山西省政府啟動(dòng)晉祠泉復(fù)流工程的工作部署和山西省水利廳抬高汾河二庫(kù)蓄水位的要求，汾河二庫(kù)從2014年2月起，有計(jì)劃地逐漸抬高蓄水位，截至2015年年底，汾河二庫(kù)大壩經(jīng)過(guò)帷幕灌漿后，水庫(kù)蓄水位一直維持高水位。近兩年逐日具體蓄水位見表1和表2。

表1 汾河二庫(kù)2014年(5—12月)蓄水位

表2 汾河二庫(kù)2015年(1-12月)蓄水位

從表1和表2可以看出，近兩年水庫(kù)蓄水位維持在897.00～900.00m。水電站的發(fā)電水位維持在897.00～900.00m，大多時(shí)間在899.00m左右，高于原設(shè)計(jì)發(fā)電水位890.00m，發(fā)電水頭增加約9m，而且水庫(kù)蓄水位還會(huì)逐步抬高，最終達(dá)到設(shè)計(jì)蓄水位905.70m，發(fā)電水頭增加約15m。近兩年蓄水位比初步設(shè)計(jì)批復(fù)時(shí)的設(shè)計(jì)發(fā)電水位平均高9m。為有效利用高水位發(fā)電，可增加其設(shè)計(jì)水頭，以完成水電站設(shè)計(jì)水頭值的調(diào)整。根據(jù)《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定“水輪機(jī)額定水頭應(yīng)按額定水頭與加權(quán)平均水頭的比值在0.85～0.95之間選擇，且額定水頭不宜高于汛期加權(quán)平均水頭”，有必要對(duì)水電站的設(shè)計(jì)水位進(jìn)行修訂，修訂后的水輪機(jī)設(shè)計(jì)水位為903.00m，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)水頭為48.0m。

3 電站水能計(jì)算

汾河二庫(kù)為壩后引水式電站，該次設(shè)計(jì)水頭增加后計(jì)算其電站水能。根據(jù)《小型水電站水文計(jì)算規(guī)范》，以豐、平、枯代表年的逐日平均流量進(jìn)行計(jì)算。

按照《小水電水能設(shè)計(jì)規(guī)程》，電站出力采用以下公式計(jì)算：

N=kqh

式中N——水流出力，kW；k——出力系數(shù)，取值8.6；q——時(shí)段平均流量，m3/s；h——凈水頭。

按《小水電水能設(shè)計(jì)規(guī)程》中附錄B進(jìn)行電站水能計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3，出力保證率曲線如圖1所示。

表3 汾河二庫(kù)水電站水能計(jì)算成果

圖1 汾河二庫(kù)電站出力-保證率曲線

電站處徑流量主要為汾河二庫(kù)下泄水量。汾河二庫(kù)的供水對(duì)象包括農(nóng)業(yè)用水、城市生活及工業(yè)用水三部分，供水期均可發(fā)電。

由圖1、表1可知，隨著裝機(jī)容量的增加，年平均發(fā)電量增幅減小、年利用小時(shí)數(shù)降低；從圖1看出，在保證率約為10%時(shí)，曲線曲率改變較為明顯，表明隨著裝機(jī)容量的增加，發(fā)電保證率將很難提高。

根據(jù)近年來(lái)電站引水流量的變化，結(jié)合水能計(jì)算結(jié)果，確定改造電站裝機(jī)容量增加到15000kW。單臺(tái)機(jī)容量為5000kW時(shí)，其年發(fā)電量為6073萬(wàn)kW·h，且年利用小時(shí)數(shù)達(dá)4049h。相比較前三年平均年發(fā)電量2950萬(wàn)kW·h，以發(fā)電量計(jì)算的增效擴(kuò)容潛力為105.9%。所以該次改造是非常合理和必要的，從理論上是可行的。

4 電站現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

根據(jù)汾河二庫(kù)調(diào)度運(yùn)行報(bào)告，汾河二庫(kù)水電站利用灌溉放水進(jìn)行季節(jié)性發(fā)電，非灌期一般3個(gè)月，年放水時(shí)間約為200d。原設(shè)計(jì)水頭34.5m，設(shè)計(jì)最大引用流量36.5m3/s。水電站現(xiàn)安裝3臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量3200kW，總裝機(jī)容量9600kW。

目前電站存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

a. 運(yùn)行多年以來(lái)，機(jī)電設(shè)備老化嚴(yán)重，多數(shù)設(shè)備經(jīng)過(guò)幾次維修，存在事故隱患，維修周期縮短。電站設(shè)備完好率降低，設(shè)備運(yùn)行可靠性降低，機(jī)組和電氣設(shè)備長(zhǎng)期得不到維修和更新，主機(jī)組、電氣設(shè)備有老化現(xiàn)象。

b. 機(jī)組參數(shù)已不適合當(dāng)前的特征水位，機(jī)型選擇不合理，機(jī)組選型配套不當(dāng)，裝置效率降低，綜合能效下降。

c. 不能充分發(fā)揮電站應(yīng)有的效益，浪費(fèi)大量的清潔可再生能源。

d. 運(yùn)行維護(hù)成本高。由于機(jī)組老化，帶病運(yùn)行，大大增加人員的檢修勞動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)行工作量。

由于以上因素，導(dǎo)致電站效率下降，電能質(zhì)量下降，不能產(chǎn)生最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 電站設(shè)計(jì)參數(shù)改變

水輪機(jī)原設(shè)計(jì)水頭34.5m，對(duì)應(yīng)水庫(kù)水位890.00m，因水庫(kù)蓄水要求變化，水庫(kù)水位現(xiàn)階段保持在899.00m左右，對(duì)應(yīng)水輪機(jī)水頭約為45m。今后水庫(kù)水位將保持在902.00～905.00m，對(duì)應(yīng)水輪機(jī)水頭約為48～51m，所以規(guī)定48m為該次改造水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭，且水輪機(jī)在最高水頭51m時(shí)也可在高效區(qū)運(yùn)行，在最低水頭24.4m時(shí)也能運(yùn)行。

原機(jī)組由于受發(fā)電機(jī)出力限制，長(zhǎng)期出力在額定功率3200kW左右。

當(dāng)水輪機(jī)水頭34.5m、機(jī)組發(fā)電量3200kW時(shí)，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速為79.8r/m，單位流量1329L/s，模型空化系數(shù)0.14，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)如圖2中B點(diǎn)，工況點(diǎn)位于模型最優(yōu)工況點(diǎn)偏右，水輪機(jī)安裝高程能滿足空化性能要求。實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)額定流量10.5m3/s，單位轉(zhuǎn)速79.8r/m，單位流量1144L/s，模型臨界空化系數(shù)0.12，導(dǎo)葉開度約為86%。運(yùn)行工況點(diǎn)如圖2中A點(diǎn)。

現(xiàn)階段水庫(kù)水位保持在899.00m左右，對(duì)應(yīng)水輪機(jī)水頭45m，機(jī)組發(fā)電量3200kW時(shí)，單位轉(zhuǎn)速為69.9r/m，單位流量約為820L/s，流量約為8.6m3/s，模型臨界空化系數(shù)約為0.07；水輪機(jī)安裝高程能滿足空化性能要求，工況點(diǎn)在模型參數(shù)以外，嚴(yán)重偏離最優(yōu)工況點(diǎn)，導(dǎo)葉開度為61%。運(yùn)行工況點(diǎn)如圖2中C點(diǎn)。

根據(jù)《晉祠泉復(fù)流工程實(shí)施方案》，汾河二庫(kù)水位要逐漸蓄水至設(shè)計(jì)水位905.70m，當(dāng)水庫(kù)水位保持在902.00～905.70m，對(duì)應(yīng)水輪機(jī)最大水頭為51m，機(jī)組功率為3200kW時(shí)，單位轉(zhuǎn)速為65.6r/m，單位流量約為720L/s，流量約為6.5m3/s，模型臨界空化系數(shù)約為0.05。水輪機(jī)安裝高程能滿足空化性能要求，工況點(diǎn)在模型參數(shù)以外，嚴(yán)重偏離最優(yōu)工況點(diǎn)。導(dǎo)葉理論開度約為46%。運(yùn)行工況點(diǎn)如圖2中D點(diǎn)。

由以上分析可以看出水輪機(jī)水頭為34.5m時(shí)，選定水輪機(jī)型號(hào)HLA551-LJ-125，機(jī)組能長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

現(xiàn)階段水庫(kù)水位保持在899.00m左右，對(duì)應(yīng)水輪機(jī)水頭約為45m，機(jī)組功率3200kW時(shí)，工況點(diǎn)在模型參數(shù)邊沿，偏離最優(yōu)工況點(diǎn)，導(dǎo)葉開度約為61%，運(yùn)行數(shù)據(jù)包括溫度、振動(dòng)、擺動(dòng)等均在水輪機(jī)基本技術(shù)條件規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)，能夠運(yùn)行，但其主要問(wèn)題是工況點(diǎn)偏離，效率下降嚴(yán)重，導(dǎo)葉開度較小，導(dǎo)致固定導(dǎo)葉出流角與活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)流角、活動(dòng)導(dǎo)葉出流角與轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口角不相互匹配，產(chǎn)生脫流、空腔汽蝕，出現(xiàn)噪音，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)，葉片汽蝕破壞。因此，蝶閥層噪音較大。因?qū)~開度較小，調(diào)速器調(diào)節(jié)品質(zhì)較差。運(yùn)行中主軸密封漏水較大，其原因是主軸密封磨損嚴(yán)重，水頭增加時(shí)，密封壓力增大。因此漏水嚴(yán)重，建議改造。

圖2 各種工況下的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)

當(dāng)水庫(kù)水位保持在902.00～905.00m左右，對(duì)應(yīng)水輪機(jī)最大水頭約為51m，機(jī)組功率為3200kW時(shí)，工況點(diǎn)在模型參數(shù)外，嚴(yán)重偏離最優(yōu)工況點(diǎn)，導(dǎo)葉開度約為46%，其效率嚴(yán)重下降。導(dǎo)葉開度很小，固定導(dǎo)葉出流角與活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)流角、活動(dòng)導(dǎo)葉出流角與轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)口角會(huì)嚴(yán)重不相互匹配，產(chǎn)生脫流、空腔汽蝕，出現(xiàn)噪音及振動(dòng)，葉片會(huì)汽蝕破壞。因此，蝶閥因?qū)~開度很小，調(diào)速器調(diào)節(jié)品質(zhì)很差。同時(shí)由于水頭增加，密封壓力進(jìn)一步增大，漏水會(huì)更加嚴(yán)重。

6 水輪發(fā)電機(jī)組選型

因發(fā)電機(jī)功率由3200kW增加到5000kW，受發(fā)電機(jī)風(fēng)罩尺寸的限制，發(fā)電機(jī)定子外徑不能改變，發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)安裝的螺栓位置也與原機(jī)組相同，要滿足功率增加要求，發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的高度必須增加，配套的下導(dǎo)軸承和上導(dǎo)軸承、推力軸承也要更換，其他發(fā)電機(jī)配套設(shè)備也需一同更換，發(fā)電機(jī)重量有所增加。經(jīng)過(guò)復(fù)核計(jì)算，原電站發(fā)電機(jī)廠房結(jié)構(gòu)滿足發(fā)電機(jī)重量增加的承載要求。所以該次增效擴(kuò)容改造不改變廠房結(jié)構(gòu)尺寸。發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF5000-14/2600。

7 電站改造的必要性

a. 汾河二庫(kù)水電站改造工程完成后，裝機(jī)容量大大增加，水電站機(jī)組效率提高，電網(wǎng)電損降低。改造工程能夠促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

b. 通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)適用的技術(shù)，提高農(nóng)村水電站的自動(dòng)化和信息化水平，提升開發(fā)水力資源力度，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村電氣化建設(shè)的要求。

c. 充分利用水能資源，滿足河流綜合規(guī)劃和水能資源開發(fā)規(guī)劃要求，努力維護(hù)河流健康生命，統(tǒng)籌兼顧當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活用水、環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)的需求。

d. 節(jié)能減排，提高水能資源的利用效率，通過(guò)效率的提高，生產(chǎn)更多的清潔電力能源，有效減少石化能源消耗，為中國(guó)減排溫室氣體做出貢獻(xiàn)。

8 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，對(duì)汾河二庫(kù)水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，充分利用天然水能發(fā)電，提高電站機(jī)組效率，對(duì)當(dāng)?shù)毓I(yè)、農(nóng)業(yè)及農(nóng)村電氣化建設(shè)極為有利。

ReconstructionplanofFenheNo.2Reservoirhydropowerstationunittocopewithwaterlevelelevation

ZHANG Minjie

(ShanxiWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Taiyuan030024,China)

In the paper, the reasons of storage water level elevation in Fenhe No. 2 Reservoir hydropower station and its influence on hydropower station are introduced. The reconstruction of hydraulic turbine is analyzed in view of designed water head increase in the hydropower station. Meanwhile, the updating and modification of the auxiliary power generator are expounded in order to provide reference for similar projects.

Fenhe No. 2 Reservoir; storage water level; unit transformation

TV72

：B

：1005-4774(2017)09-0074-04

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.09.020