淺析沙坪水電站尾水位降低對發(fā)電機機組出力的影響及相應(yīng)的工程處理措施

1、淺析沙坪水電站尾水位降低對發(fā)電機機組出力的影響及相應(yīng)的工程處理措施胡永華1 ,周冰凌2(1. 江西省水利規(guī)劃設(shè)計院 ,江西 南城 330029 ;2. 江西省南城縣水務(wù)局 ,江西 南城 344700)摘要 : 通過利用相關(guān)原理進行分析 , 得出因水電站尾水位的降低使得水輪機長期在不利工況下運轉(zhuǎn) , 從而影響了水輪機的效率 , 并造成發(fā)電機組的出力損失 .關(guān)鍵詞 : 尾水位 ; 降低 ; 水輪機 ; 動能損失 ; 出力 ; 工程措施中圖分類號 :文獻標識碼 :文章編號 : 1004 - 4701 (2004) 0s - 0061 - 03tv742a計工作水頭 3 . 0 m ,設(shè)計單機流量為

2、12 . 2 m3/ s ,設(shè)計上游水位 70 . 0 m ,下游尾水位 66 . 44 m ,共安裝 8臺機組 ,單機出力 320 kw ,總裝機 2 560 kw ;水輪機 為豎井貫流式 ,型號 gd003 - ws - 160 ,水輪機軸線高程為 64 . 90 m ,吸出高程 hs = - 0 . 74 m ,發(fā)電機與水輪機之間通過主軸連接 ,主軸與發(fā)電機之間設(shè)有 一增速箱 ,用于增加發(fā)電機轉(zhuǎn)速 (見附圖) 。工程概況1沙坪水電站座落于江西撫河支流黎灘河上 ,是洪門水庫下游的一個低水頭梯級開發(fā)的水電站 。電 站廠房為河床式 ,位于河道的左岸 ,大壩為溢流壩 ,位于河道右岸 ,壩頂高程為

3、 70 . 0 m 。上游洪門水電 站發(fā)電尾水約 2 h 后到達沙坪壩址處 。該水電站設(shè)附圖 水輪發(fā)電機組橫剖面示意圖該電站于 1977 年開工建設(shè) ,1978 年 10 月投入運行 ,經(jīng)過 20 多年的運行 ,目前下游尾水位 ( 8 臺機 組全滿負荷運行情況下) 為 65 . 0 m ,比原設(shè)計下游尾水位降低了 1 . 44 m ,水輪機轉(zhuǎn)輪近一半露在尾水位之上 。在運行過程中 ,常出現(xiàn)主軸斷裂 ,增速箱齒 輪損壞等現(xiàn)象 ,單機出力平均只有 260280 kw ,達 不到額定出力 。水輪發(fā)電機組出力損失原因分析2由于該水電站壩址上游河道兩處被大壩截留了泥砂 ,再加上壩址下游長期處于大流量 、

4、急水流的沖 刷 ,以及部分水流改向等原因 ,致使該電站壩址下游 數(shù)公里河道河床下降 ,河道變寬 ,從而使該電站下游收稿日期 : 2003 - 12 - 03作者簡介 : 胡永華 (1973 - ) ,男 ,大學(xué)本科 ,工程師 .尾水位下降 。尾水位的下降進而導(dǎo)致水輪機轉(zhuǎn)輪一部分暴露在空氣中 ,使得轉(zhuǎn)輪受力不平衡 ,且其所受 的摩阻力也增大 ,轉(zhuǎn)速亦因此受到影響 ,從而影響發(fā)電機的轉(zhuǎn)速及效率 。而長期在這種不利工況下運行 ,致使轉(zhuǎn)輪主軸斷裂 ,增速箱損壞 。 在電站上游正常蓄水位基本不變的情況下 ,適當降低下游水位 ,能使電站工作水頭提高 ,增加機組出力 ;但下游水位過低卻對機組運行帶來負面影響

5、 。 下面通過理論計算來分析 。由于水輪機安裝高程 = 尾水 位 + hs - d/ 2 =66 . 44 - 0 . 74 - 1 . 6/ 2 = 64 . 90 m , 由此可知該水輪機 轉(zhuǎn)輪出口能量的回收只有動態(tài)真空度 ( 即轉(zhuǎn)輪出口的動能回收) ,而沒有靜態(tài)真空度的回收 。2 . 1 尾水管的水力損失計算尾水管內(nèi)的水力損失由兩部分組成 ,一部分是摩擦損失 ;另一部分是擴散損失 ,它是由于水流的擴 散 ,引起管壁脫流的一種局部損失 。因為尾水管段 長度很短 ,故在計算水頭損失時忽略沿程水頭損失 , 只考慮尾水管擴散段的局部水頭損失 。( 1) 當前尾水位 65 . 00 m 情況下擴散

6、段水力損失d = 1. 8 m , b = 3. 8 m , l = 6. 3 m ( d 為尾水管進 口直徑 ; b 為尾水管水平寬度 ; l 為尾水管擴散段長 度) 。 w2 (1)= 1. 65 。水力半徑 :w1r1 = d = 0. 454 4 . 18 1 . 1 r2 = 3. 8 + 1. 1 2 = 0. 697謝才系數(shù) :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尾水出口處局部水頭損失v 2 w 2 (1)2 (1)hj2 =22 = (1 -)2 gww2 (1)因為0 , 所以 = 1 。2whj2 = 1 2. 9192= 0. 4342 m2 9. 81尾水 管 水 平 擴 散 度 tg = ( b - d) 2 = 0 .hj = hj1 + hj2 = 0. 0778 + 0. 4342 = 0. 512 m( 2) 下游尾水位為設(shè)計尾水位 6

8、6 . 44 m 情況下擴散段2l158 , 所以 = 18。v22 (1)擴散段水力損失計算公式1 : hj1 =1v22 (2)2 ghj1 =12 g 平 w2 (1) w2 (1)221 = k擴 ( 平- 1) + ()- 1 w2 (2) w2 (2)8tg 22ww1 = k擴 (- 1) + ()- 1 118tg ww2式中 : v2 (1) 擴 散 段 出 口 流 速 , v2 (1)其中 q 為單機流量 ;k擴 與擴散角 有關(guān)系數(shù) ;1 局部阻力系數(shù) ;w1 轉(zhuǎn)輪出口斷面面積 ;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擴 = 0. 372 , r1 = 0. 45 , n = 0. 013w2 (1) 擴散段出口處水流斷面積 。= 3 . 8 2 . 0 = 0. 9744r23. 8 + 2. 0 2d22因 = 18, 得 k擴 = 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 ( 糙率系數(shù)) ,8 0. 158= 1. 576hj 尾水管水力損失 ;v2v 轉(zhuǎn)輪出口斷面處水的流速 ;2 (2)12所 以 hj1 = 1 2 g9. 81) = 0. 2066 m= 1 . 576 1. 605 / ( 2 v2 (1) 當前尾水位下尾水管出口斷面處水的流速 ;v2 (2) 設(shè)計尾水位下尾水管出口斷面處水的流速 ;流速

11、修正系數(shù) ,取 1. 31 . 5 。 由前可知 v2 (1) = 2. 919 m/ s , v2 (2) = 1. 605 m/ s 。尾水出口處局部水頭損失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 水輪發(fā)電機出力損失計算在設(shè)計尾水位 66 . 44 m 的出力 n2 = 9. 81qh2( h2 = e) ;在當前尾水位 65 . 00 m 的出力 n1 = 9. 81qh1( h1 = e) ( q = 12. 2 m3/ s ;

12、 為水輪發(fā)電機綜合 效率 ,= 水 發(fā) = 0 . 93 (0 . 95 0. 85) = 0. 751 ; h2 為設(shè)計尾水位時水輪機工作水頭 ; h1 為當前尾水位 時水輪機工作水頭) 。對于直錐型尾水管 , 轉(zhuǎn)輪所利用的能量為+ 0. 1313 =v222 (1) - v2 (2)所以 h = h2 - h1 = hj - hj +h = 0. 5983 m單機出力損失 :2 gn = n 2 - n 1 = 9. 81 qh = 53 . 78 kw2 . 3電站效益損失分析按洪門電站和沙坪電站多年運行小時統(tǒng)計 , 年 平均運行小時數(shù)為 4 320 h , 8 臺機組的年電量損失 為

13、( 53 . 78 8) 4320 = 186 萬 kwh 。按發(fā)電上網(wǎng)電價 0 . 18 元/ kwh 計算 ,按 10 %損耗率則年效益損失 = 年電量損失 0 . 18 ( 1 - 10 %)= 30 . 13 萬元按電力公司年均售電單價 0 . 4 元/ kwh 計算 則年效益損失 67 萬元 。2p1v1(+)e = ( pa + h - h ) -d yr2 gr列出轉(zhuǎn)輪出口斷面 1 與尾水管出口斷面 2 的伯p1諾里方程式 , 但這時的 v1 v2 , 所以 r 為 :v2 - v2 p1 pa1 2結(jié)論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 ,導(dǎo)致水輪機轉(zhuǎn)輪動能不能有 效回收而影響水輪機效率 ,進而影響發(fā)電機出力 ,而 若能將這部分能量有效回收 ,使水輪發(fā)電機組正常 出力 ,所帶來的經(jīng)濟效益對一個小型電站來說亦是 非常可觀的 。為了有效回收該部分能量損失 ,可采取以下工 程處理措施 :(1) 恢復(fù)設(shè)計尾水位 。根據(jù)電站尾水下游河床 情況 ,首先延伸尾水導(dǎo)墻 ,迫使已改向的部分水流回 到主河道上 ,再在尾水下游適當位置增設(shè)抬水堰來抬高尾水位 ;或者采用其它工程措施束窄尾水河道 以抬高水位 ,該項工程措施簡單易行 。(下轉(zhuǎn)第 66 頁)

15、2 grrv22e = hd - hy - hj -2 g尾水位為 66 . 44 m 時 , 轉(zhuǎn)輪所利用的能量為v22 (2)e= hd - hy - hj -2 g尾水位為 65 . 0 m 時 , 轉(zhuǎn)輪所利用的能量為v22 (1)e= hd - hy - hj -因為 hy = hy2 g所以 h = h2 -h1 = e-e= hj - hj +v2- v22 (1) 2 (2)2 g式中 : hd 上游水位與水輪機軸高程之差 ;hy 引水部件水力損失 ;是比較合理的 。潛水泵比傳統(tǒng)的軸流泵具有許多優(yōu)點 ,在電排站設(shè)計中應(yīng)作為首選泵型 ,應(yīng)大力推廣使 用 。首先潛水泵具有噪音低 ,運行

16、穩(wěn)定性好 ,安裝調(diào) 試簡單等優(yōu)點 ,其次 ,潛水泵電排站可以不需要建高 聳的泵房 ,這樣與周邊自然景觀協(xié)調(diào)地融為一體 ,同時它具有體積小 ,可利用機組間的位置設(shè)置自流閘 孔 ,巧妙地將自流和抽排結(jié)為一體 ,達到站閘合一布 置 。另外與潛水泵配套的電動機為異步電動機 ,將 10kv 的電壓直接引入 ,不需要另建變電站 ,節(jié)省了工期和投資 。進水流道采用簸箕型流道 ,水力條件良好 , 水流平順 ,流速分布均勻 ,避免了出現(xiàn)回流和旋渦 。 基坑施工排水采用井點降水 ,施工簡便 。參考文獻 :武漢水利電力學(xué)院. 機電排灌設(shè)計手冊 ( 上冊) s . 北京 : 水利電力出版社 ,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編輯 :張紹付(上接第 63 頁)(2) 延伸尾水管 。在不改變當前河床和尾水位 的情況下 ,將尾水管接長 ,以一定傾角向下游延伸 , 至當前尾水位以下 ,但該項措施所能產(chǎn)生的動能回 收還需通過進一步論證分析 。參考文獻 :12華東水利學(xué)院. 水力學(xué)m. 北京 :科學(xué)出版社 ,1983 .東北水利水電學(xué)校. 水輪機 m . 北京 : 水利電力出版社 ,1980 ,5 .the infl uence o n the o utput of generatingset by the l