浅析沙坪水电站尾水位降低对发电机机组出力的影响及相应的工程处理措施

1、浅析沙坪水电站尾水位降低对发电机机组出力的影响及相应的工程处理措施胡永华1 ,周冰凌2(1. 江西省水利规划设计院 ,江西 南城 330029 ;2. 江西省南城县水务局 ,江西 南城 344700)摘要 : 通过利用相关原理进行分析 , 得出因水电站尾水位的降低使得水轮机长期在不利工况下运转 , 从而影响了水轮机的效率 , 并造成发电机组的出力损失 .关键词 : 尾水位 ; 降低 ; 水轮机 ; 动能损失 ; 出力 ; 工程措施中图分类号 :文献标识码 :文章编号 : 1004 - 4701 (2004) 0s - 0061 - 03tv742a计工作水头 3 . 0 m ,设计单机流量为

2、12 . 2 m3/ s ,设计上游水位 70 . 0 m ,下游尾水位 66 . 44 m ,共安装 8台机组 ,单机出力 320 kw ,总装机 2 560 kw ;水轮机 为竖井贯流式 ,型号 gd003 - ws - 160 ,水轮机轴线高程为 64 . 90 m ,吸出高程 hs = - 0 . 74 m ,发电机与水轮机之间通过主轴连接 ,主轴与发电机之间设有 一增速箱 ,用于增加发电机转速 (见附图) 。工程概况1沙坪水电站座落于江西抚河支流黎滩河上 ,是洪门水库下游的一个低水头梯级开发的水电站 。电 站厂房为河床式 ,位于河道的左岸 ,大坝为溢流坝 ,位于河道右岸 ,坝顶高程为

3、 70 . 0 m 。上游洪门水电 站发电尾水约 2 h 后到达沙坪坝址处 。该水电站设附图 水轮发电机组横剖面示意图该电站于 1977 年开工建设 ,1978 年 10 月投入运行 ,经过 20 多年的运行 ,目前下游尾水位 ( 8 台机 组全满负荷运行情况下) 为 65 . 0 m ,比原设计下游尾水位降低了 1 . 44 m ,水轮机转轮近一半露在尾水位之上 。在运行过程中 ,常出现主轴断裂 ,增速箱齿 轮损坏等现象 ,单机出力平均只有 260280 kw ,达 不到额定出力 。水轮发电机组出力损失原因分析2由于该水电站坝址上游河道两处被大坝截留了泥砂 ,再加上坝址下游长期处于大流量 、

4、急水流的冲 刷 ,以及部分水流改向等原因 ,致使该电站坝址下游 数公里河道河床下降 ,河道变宽 ,从而使该电站下游收稿日期 : 2003 - 12 - 03作者简介 : 胡永华 (1973 - ) ,男 ,大学本科 ,工程师 .尾水位下降 。尾水位的下降进而导致水轮机转轮一部分暴露在空气中 ,使得转轮受力不平衡 ,且其所受 的摩阻力也增大 ,转速亦因此受到影响 ,从而影响发电机的转速及效率 。而长期在这种不利工况下运行 ,致使转轮主轴断裂 ,增速箱损坏 。 在电站上游正常蓄水位基本不变的情况下 ,适当降低下游水位 ,能使电站工作水头提高 ,增加机组出力 ;但下游水位过低却对机组运行带来负面影响

5、 。 下面通过理论计算来分析 。由于水轮机安装高程 = 尾水 位 + hs - d/ 2 =66 . 44 - 0 . 74 - 1 . 6/ 2 = 64 . 90 m , 由此可知该水轮机 转轮出口能量的回收只有动态真空度 ( 即转轮出口的动能回收) ,而没有静态真空度的回收 。2 . 1 尾水管的水力损失计算尾水管内的水力损失由两部分组成 ,一部分是摩擦损失 ;另一部分是扩散损失 ,它是由于水流的扩 散 ,引起管壁脱流的一种局部损失 。因为尾水管段 长度很短 ,故在计算水头损失时忽略沿程水头损失 , 只考虑尾水管扩散段的局部水头损失 。( 1) 当前尾水位 65 . 00 m 情况下扩散

6、段水力损失d = 1. 8 m , b = 3. 8 m , l = 6. 3 m ( d 为尾水管进 口直径 ; b 为尾水管水平宽度 ; l 为尾水管扩散段长 度) 。 w2 (1)= 1. 65 。水力半径 :w1r1 = d = 0. 454 4 . 18 1 . 1 r2 = 3. 8 + 1. 1 2 = 0. 697谢才系数 :c1 = 1 r1/ 6 1r1/ 6c2 =1nn8 g= 8 g因 c =c2221 = 8 gn2 = 8 gnr1/ 3r1/ 31222 = 8 gn11平 = (1 + 2 )= 0. 01612(+)0 . 451/ 3 0. 6971/ 3

7、21 = 0. 372 (1 . 65 - 1) 2 + 0. 01612 ( 1. 652 - 1) =8 0. 1580. 1792v 22 (1)所以 hj1 =1 = 0. 0778 m2 g尾水出口处局部水头损失v 2 w 2 (1)2 (1)hj2 =22 = (1 -)2 gww2 (1)因为0 , 所以 = 1 。2whj2 = 1 2. 9192= 0. 4342 m2 9. 81尾水 管 水 平 扩 散 度 tg = ( b - d) 2 = 0 .hj = hj1 + hj2 = 0. 0778 + 0. 4342 = 0. 512 m( 2) 下游尾水位为设计尾水位 6

8、6 . 44 m 情况下扩散段2l158 , 所以 = 18。v22 (1)扩散段水力损失计算公式1 : hj1 =1v22 (2)2 ghj1 =12 g 平 w2 (1) w2 (1)221 = k扩 ( 平- 1) + ()- 1 w2 (2) w2 (2)8tg 22ww1 = k扩 (- 1) + ()- 1 118tg ww2式中 : v2 (1) 扩 散 段 出 口 流 速 , v2 (1)其中 q 为单机流量 ;k扩 与扩散角 有关系数 ;1 局部阻力系数 ;w1 转轮出口断面面积 ;112= q/ w2 (1) ,w2 (2) = 3. 8 2. 0 = 7. 6 m2 ,

9、w1 = 2. 54 m2 , w2 (2)= 7 . 6/ 2. 54 = 2 . 992 , v2 (2) =q/ w2 (2)=w112 . 2/ 7 . 6 = 1. 605 m/ s 。由前可知 k扩 = 0. 372 , r1 = 0. 45 , n = 0. 013w2 (1) 扩散段出口处水流断面积 。= 3 . 8 2 . 0 = 0. 9744r23. 8 + 2. 0 2d22因 = 18, 得 k扩 = 0. 372 , w1 = 2. 54 m ,1 + 28 gn 1 1 =24= 3 . 8 ( 65 . 00 - 63. 9 ) = 4. 18 m2 ,(+)

10、= 0. 01534r1/ 3 r1/ 32212w2 (1)1 = 0. 372 (2 . 992 - 1)0. 01612 ( 2. 9922 - 1)2 +v2 (1) = q/ w2 (1) = 2. 919 m/ s , n = 0. 013 ( 糙率系数) ,8 0. 158= 1. 576hj 尾水管水力损失 ;v2v 转轮出口断面处水的流速 ;2 (2)12所 以 hj1 = 1 2 g9. 81) = 0. 2066 m= 1 . 576 1. 605 / ( 2 v2 (1) 当前尾水位下尾水管出口断面处水的流速 ;v2 (2) 设计尾水位下尾水管出口断面处水的流速 ;流速

11、修正系数 ,取 1. 31 . 5 。 由前可知 v2 (1) = 2. 919 m/ s , v2 (2) = 1. 605 m/ s 。尾水出口处局部水头损失v22 (2)hj2 =2由前知 2 = 12 g1. 6052hj2 = 1 = 0. 1313 m2 9. 81所以 hj = hj1 + hj2 = 0. 20660. 3379 m2 . 2 水轮发电机出力损失计算在设计尾水位 66 . 44 m 的出力 n2 = 9. 81qh2( h2 = e) ;在当前尾水位 65 . 00 m 的出力 n1 = 9. 81qh1( h1 = e) ( q = 12. 2 m3/ s ;

12、 为水轮发电机综合 效率 ,= 水 发 = 0 . 93 (0 . 95 0. 85) = 0. 751 ; h2 为设计尾水位时水轮机工作水头 ; h1 为当前尾水位 时水轮机工作水头) 。对于直锥型尾水管 , 转轮所利用的能量为+ 0. 1313 =v222 (1) - v2 (2)所以 h = h2 - h1 = hj - hj +h = 0. 5983 m单机出力损失 :2 gn = n 2 - n 1 = 9. 81 qh = 53 . 78 kw2 . 3电站效益损失分析按洪门电站和沙坪电站多年运行小时统计 , 年 平均运行小时数为 4 320 h , 8 台机组的年电量损失 为

13、( 53 . 78 8) 4320 = 186 万 kwh 。按发电上网电价 0 . 18 元/ kwh 计算 ,按 10 %损耗率则年效益损失 = 年电量损失 0 . 18 ( 1 - 10 %)= 30 . 13 万元按电力公司年均售电单价 0 . 4 元/ kwh 计算 则年效益损失 67 万元 。2p1v1(+)e = ( pa + h - h ) -d yr2 gr列出转轮出口断面 1 与尾水管出口断面 2 的伯p1诺里方程式 , 但这时的 v1 v2 , 所以 r 为 :v2 - v2 p1 pa1 2结论3=+ hy -()2 grr pav2 - v2 pa1 2e = (+

14、hd -hy ) -(+ hj )由前面分析可知 ,由于下游尾水位的降低 ,使得尾水管出口高出水面 ,导致水轮机转轮动能不能有 效回收而影响水轮机效率 ,进而影响发电机出力 ,而 若能将这部分能量有效回收 ,使水轮发电机组正常 出力 ,所带来的经济效益对一个小型电站来说亦是 非常可观的 。为了有效回收该部分能量损失 ,可采取以下工 程处理措施 :(1) 恢复设计尾水位 。根据电站尾水下游河床 情况 ,首先延伸尾水导墙 ,迫使已改向的部分水流回 到主河道上 ,再在尾水下游适当位置增设抬水堰来抬高尾水位 ;或者采用其它工程措施束窄尾水河道 以抬高水位 ,该项工程措施简单易行 。(下转第 66 页)

15、2 grrv22e = hd - hy - hj -2 g尾水位为 66 . 44 m 时 , 转轮所利用的能量为v22 (2)e= hd - hy - hj -2 g尾水位为 65 . 0 m 时 , 转轮所利用的能量为v22 (1)e= hd - hy - hj -因为 hy = hy2 g所以 h = h2 -h1 = e-e= hj - hj +v2- v22 (1) 2 (2)2 g式中 : hd 上游水位与水轮机轴高程之差 ;hy 引水部件水力损失 ;是比较合理的 。潜水泵比传统的轴流泵具有许多优点 ,在电排站设计中应作为首选泵型 ,应大力推广使 用 。首先潜水泵具有噪音低 ,运行

16、稳定性好 ,安装调 试简单等优点 ,其次 ,潜水泵电排站可以不需要建高 耸的泵房 ,这样与周边自然景观协调地融为一体 ,同时它具有体积小 ,可利用机组间的位置设置自流闸 孔 ,巧妙地将自流和抽排结为一体 ,达到站闸合一布 置 。另外与潜水泵配套的电动机为异步电动机 ,将 10kv 的电压直接引入 ,不需要另建变电站 ,节省了工期和投资 。进水流道采用簸箕型流道 ,水力条件良好 , 水流平顺 ,流速分布均匀 ,避免了出现回流和旋涡 。 基坑施工排水采用井点降水 ,施工简便 。参考文献 :武汉水利电力学院. 机电排灌设计手册 ( 上册) s . 北京 : 水利电力出版社 ,1977 . 8897

17、.1sel ectio n of the proj ect l ayo utof qianhu power d raina ge and irrigatio n statio n in nanc hang cityhan zhi2yu ,l iu bo(j iangxi province hydraulic planning and designing institute ,nanchang 330029 ,china)abstract :based on the comprehensive analysis and comparison ,we selected a optimum sche

18、me from 3 designschemes from the equipment cost ,the fixing and debuging of the unit ,the investment of civil engineering and the drainage of foundation ditch of construction.key words :power drainage and irrigation station ; project layout ;design scheme编辑 :张绍付(上接第 63 页)(2) 延伸尾水管 。在不改变当前河床和尾水位 的情况下 ,将尾水管接长 ,以一定倾角向下游延伸 , 至当前尾水位以下 ,但该项措施所能产生的动能回 收还需通过进一步论证分析 。参考文献 :12华东水利学院. 水力学m. 北京 :科学出版社 ,1983 .东北水利水电学校. 水轮机 m . 北京 : 水利电力出版社 ,1980 ,5 .the infl uence o n the o utput of generatingset by the l