赵 妍，马国强
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)
摘 要：大型贯流式机组在确定额定水头时所预留的裕度不足以抵消设计、制造、安装、施工、调试运行等方面的缺陷时，机组发不足装机容量的问题就显得较为常见和突出。在国际工程总承包项目上，机组发足装机容量往往会作为水电站移交的一个重要考核指标。文章结合部分水电站出现的机组发不足装机容量的问题进行总结分析，指出采取相应措施，保障大型贯流式机组发足装机容量的有效途径。
关键词：大型水电站；装机容量；贯流机组
大型灯泡贯流式水电站往往河床较宽，水头不高，水库没有调节库容或仅有少量调节库容，多属于径流式水电站。电站运行时其上游水位基本保持不变，而下游水位受水电站流量控制，按水电站厂房处的下游水位与流量关系曲线变化。因此，径流式水电站的水头与下游水位～流量关系曲线密切相关，受下游水位的变化影响较大。枯水期时电站流量小，虽水头较高，但机组受来水量限制发不满装机[1]。进入丰水期后水电站流量逐步增大，水头也逐步降低，当水头和流量组合到某种工况出力达到最大值，电站才发足装机容量。此后，来水量虽继续增加，但由于水头的降低速度快且水轮机受导叶最大开度限制使得水电站需通过泄水孔弃水，机组仍发不足装机容量[2]。
因此对于大型贯流式水电站额定水头的选择，应按照水电站发足装机容量时的运行净水头进行选定，并留有适量的裕度[3-4]。计算净水头时采用上游正常蓄水位减去下游全厂满发时的相应尾水位并扣除全部流道水头损失[5]。在DL/T5186-2004《水力发电厂机电设计规范》第4.1.5条中，要求贯流式水轮机流道的水头损失在可研阶段可暂按0.3～0.5 m估算。
正是由于贯流式水电站上述特点，当在确定额定水头时所预留的裕度不足以抵消设计、制造、安装、施工、调试运行等方面的缺陷时，贯流机组发不足装机容量的问题就显得较为常见和突出了。在国际EPC项目上发足装机容量往往会作为电站移交的一个重要考核指标，若不能发足装机则将会带来较为严重的后果，给总承包方造成较大的经济损失。
现结合部分水电站出现的发不足装机容量的问题进行总结分析，提出可能影响发足装机的几个因素，在今后大型贯流式电站的前期设计、制造安装及后期调试运行时应充分考虑这些因素[6]。
2.1 水头损失
水头损失含进水口、门槽、拦污栅、尾水门槽处的局部水头损失及流道进口、尾水出口的沿程或动能损失[7]。由于贯流式机组水头较低，水头损失在毛水头中所占比重相对较大，其实际值的高低对机组出力有较大的影响。
北方某水电站装机5台，电站投运初期发现在电站正常蓄水位时，5台机组同时发电不能发足装机容量。后委托中国水利水电科学研究院水力机电研究所对机组开展现场性能试验，表1为5台机组同时发电时实测损失列表。
表1 5台机组同时发电时实测损失列表
试验机组发电机有功功率/MW流量/(m3·s-1)水轮机工作水头/m电站毛水头/m上游水位/m下游水位/m总损失/m流道损失/m拦污栅损失/m1号6．0146．274．925．54140．35134．810．620．380．242号5．9147．484．805．37140．27134．900．570．350．223号5．53142．644．695．27140．33135．060．570．330．24
由表1可以看出，拦污栅水头损失约占总损失的40%左右，流道损失约占60%。
(1) 拦污栅损失
拦污栅处水头损失是整个流道水头损失的重要组成部分，也是需重点考虑优化的地方。在DL/T5186—2004《水力发电厂机电设计规范》第7.8.7条中要求拦污栅过栅平均流速不宜大于1.2 m/s，对于低水头电站还可适当降低，以减少水头损失[7]。在SL285-2003《水利水电工程进水口设计规范》第5.2.6条要求拦污栅平均过栅流速宜采用0.8～1 m/s，对于大流量机组经论证可适当提高，但不易高于1.2 m/s。综合上述规范要求，对于大型贯流式机组电站建议过栅流速按照0.8～1 m/s来考虑。决定过栅流速的因素有孔口尺寸、结构形式及栅条净距等。孔口尺寸及结构形式是土建、金结专业需要根据结构计算、经济性等方面来考虑，栅条净距则应是水机专业向金结专业提供的技术接口。栅条净距过小，不仅过栅流速及水头损失增加，污物更易于附着紧贴栅条，造成清污频繁，清污难度增大。DL/T5186-2004《水力发电厂机电设计规范》第7.8.7条中规定：栅条净距对于轴流式和贯流式水轮机可按(1/20～1/30)D1计算，但不大于导叶的最大开度，最大不宜大于250 mm。大型贯流式机组转轮直径通常超过5 m，按5 m来计算则(1/20～1/30)D1应为250～167 mm。大型贯流机组导叶的最大开度一般均远超过250 mm，以转轮直径5.98 m的黄丰水电站为例，其导叶最大开口尺寸达到931 mm。因此对于大型贯流机组，为有效降低拦污栅水头损失，电站拦污栅栅条净距建议不低于200 mm，当转轮直径较大、水头较低时可提高到250 mm。表2为部分大型贯流式电站栅条净距统计值。
表2 部分大型贯流式电站栅条净距统计表
序号电站名称单机容量/MW转轮直径/m额定水头/m栅条净距/mm备注1黄丰455．98162002011年投运2蜀河475．4519．62002010年投运3康杨405．4618．72002007年投运4真纳126．54．82002012年投运5萨拉康557．313．5250在建
另外，在DL/T5013-1995《水利水电钢闸门设计规范》第2.4.7条中明确规定：对贯流机组水电站，拦污栅设计应采取减少水头损失的措施，同时尚应考虑水动力影响，必要时，可设清污机。选择清污机时需考虑清污效果、清污通道、动水清污等因素，以保证及时有效清除栅前杂物和飘浮物，防止拦污栅堵塞影响机组出力。黄河上游某水电站由于水库上游村庄及居民相对密集，漂流生活垃圾较多，在汛期时随着流量的加大，河滩上许多较大的附着物及漂浮物均漂至库区，堵塞拦污栅，使得电站的水头损失加大，部分拦污栅栅条损坏。当拦污栅压差超过一定数值时，机组出力最大才能达到70%额定出力左右，同时机组的振动、摆度均明显增大，运行声音出现异常。因此，拦污栅定期清污是减少水头损失、增加电站发电量的一个重要手段，对于汛期库区漂浮物较多的电站宜设清污机或考虑其它定期清污措施。
(2) 流道损失
因大型贯流式机组电站通常为河床式，上、下游流道均较短，流道水头损失主要包括流道进口、尾水管出口的局部及延程损失。水轮机自身流道水头损失已含在水轮机效率中，不在本文研究范围内。为有效减少流道损失，可从如下方面进行优化：
1) 电站设计要尽可能保持上、下游河道平直。电站厂房选址时就应考虑河道进出水平顺，尤其是下游河道，不宜出现出水大拐弯的现象，以尽可能减少各种附加水头损失。
2) 上、下游河道清理。 电站施工过程中，部分施工单位为图省事在拆除上下游围堰时不能清除干净，或上、下游河道内没有及时进行石块、淤泥清理，或尾水渠未能按照施工图纸施工等等，造成上、下游水流不顺，流道损失增加较多。但在电站发电后再进行河道清理比较困难，投入的费用更多。因此在电站施工期间就对上、下游河道进行及时的清理十分必要。
3) 尽力减少机组流道内局部水头损失。流道过渡断面设计要平滑避免突变，减少闸门槽的数量，尽可能不设置中墩或减小中墩尺寸等。
2.2 尾水位
在大型贯流式电站初步设计阶段，设计院水文专业通常会根据天然河道坝线处实测断面数据资料推算出坝线处水位-流量关系曲线，并将成果提交给其它专业。该成果有2个特定条件：一是坝线处的河道断面；二是采用的是天然河道断面。尾水位应是电站尾水管出口处水位，虽对于河床式电站来说，尾水管出口到坝线处距离较近，但大型贯流式电站也有接近七、八十米远的距离，该距离对河流断面面积或多或少会有些影响，造成实际尾水位与设计值有偏差。另外，电站建成后的过水断面与天然河道断面之间也会有些差异，尤其是在电站枯水期时，所有来水均通过机组发电过水，若尾水渠出水不顺将会极大地放大这种差异，电站实际尾水位将会高于设计尾水位较多，导致部分电站不能发足装机。
图1 某灯泡贯流式电站枢纽平面布置图 高程：m
图1为某灯泡贯流式电站枢纽平面布置图，坝线处天然河道全宽约430 m，电站装设3台贯流式机组，主厂房机组段总计约60 m，布置在河岸左侧。泄水建筑物宽约370 m，布置在河岸右侧，占用了大部分河岸宽度。机组段与泄水建筑物间设有导流挡墙，挡墙坝上长约87 m，坝下长约156 m。电站实际建成后，尾水横断面被纵向导流挡墙隔开为厂房尾水渠和泄水建筑物消能区。电站发电初期，上游来水量较小，所有来水均用于发电，泄洪坝段不过水。由于尾水渠没有进行很好的清淤，尾水出水不顺，导致尾水渠水位明显高于挡墙外泄洪坝段的水位，目测最大值达0.6 m左右，在来水流量达到电站引用流量时电站发不足装机容量。后经分析认为，由于存在导流挡墙，在出水不顺时的过流断面已小于天然河道断面，因此此时的尾水位应高于原设计计算值。后经对尾水渠进行彻底的清理和疏通，并适当减小了下游导流挡墙的长度，使得该电站发电时挡墙内外尾水位基本一致，最终达到了发满装机容量的要求。
2.3 水轮机运行协联关系
贯流式水轮机桨叶可调节，当水头一定时，每个导叶开度在高效区时都有与之对应的轮叶角度，即导叶与轮叶间有一定的协联关系。反映不同水头下导叶开度与桨叶角度间的最优组合曲线称为协联曲线。贯流式机组能否发足装机容量与水轮机是否在最佳协联关系下运行有很大的关系。
南方某水电站2台机组投产后，机组在自动控制方式下运行时不仅达不到额定出力而且机组噪声及振动均较大，机组仅能在手动控制方式下运行。经数据分析认为，调速器厂所输入的导叶与桨叶的协联关系曲线与机组厂设计的曲线不符，误将协联曲线纵坐标导叶实际开度值输入为导叶开度的百分比值，导致自动运行时导叶开度偏低，机组过流量不足，从而机组发不出装机容量。机组噪声及振动较大只是机组没有在正确的协联关系曲线下运行时所体现出来的外在现象。后经向调速器输入正确的协联关系曲线后，机组出力不足和振动噪声较大的现象均得以解决[9]。
水轮机协联曲线一般由水轮机制造厂根据流体分析计算和模型试验提出，由调速器厂根据不同的水头输入水轮机调节系统，由调节系统实现水轮机自动协联运行。但在水电站实际运行中，由于受流道水头损失计算偏差、仪表测量偏差、机组安装缺陷等因素的影响使得该协联曲线并不一定是运行最优曲线，为保障灯泡贯流机组的安全高效运行，需开展真机协联优化试验的研究，基于现场实测数据对理论协联曲线进行修正，得到适用于实际机组的最优协联关系[10-12]。目前国内较多电站在机组调试阶段，都没有进行相应试验以修订协联曲线，因此电站长期处于非最优协联下运行，在机组发不足装机容量时该问题就显得较为突出[13]。加强现场机组性能试验，对水轮机协联曲线进行修订，是提高水轮机运行效率、保证电站满发的一个有效途径。
大型贯流式水电站发不足装机容量问题在多个电站出现类似现象，应引起参建各方高度重视。减小拦污栅及流道水头损失、保持尾水渠出水平顺、现场修订水轮机协联曲线等措施是保证大型贯流式电站发足装机容量的一些有效途径。
参考文献：
[1] 李正贵.灯泡贯流式水轮机协联关系及性能研究[D].兰州：兰州理工大学,2014.
[2] 田树棠,段宏江.贯流式水轮发电机组实用技术[M].北京：中国水利水电出版社,2010.
[3] 田树棠,朱清飞.灯泡贯流式水轮机设计选型要点[C]//水电站机电技术研讨会论文集.兰州：2010：21-25.
[4] 马国强,段宏江.老挝萨拉康水电站大型灯泡贯流机组关键性问题研究[J].西北水电,2012,(S1)：127-129.
[5] 段宏江.大型贯流式机组设计及运行问题浅析[J].西北水电,2011(04)：68-72.
[6] 田树棠.贯流式水轮发电机组及其选择方法[M].北京：中国电力出版社,2005.
[7] 刘忠,黄竹青，等.大型灯泡贯流式水轮机出力不足原因分析与现场测试研究[J].水利水电技术,2012(12)：86-91.
[8] 王旺宁.乌金峡水电站灯泡贯流机组初期运行问题分析[J].西北水电,2012(01)：45-49.
[9] 李文清.灯泡贯流机组出力不足故障的分析与处理[J].水电与新能源,2012(05)：60-64.
[10] 付旭平,郑峰.灯泡贯流式水轮机效率问题[J].水电能源科学,2008，6(26)：132-133.
[11] 宋厚彬,李正贵.协联曲线修改对灯泡贯流式水轮机组的影响[J].甘肃科学学报,2010，4(22)：145-149.
[12] 付亮,寇攀高,尹京平,李双喜.灯泡贯流式机组协联优化试验分析[J].水利水电技术,2014(07)：84-87.
[13] 许惠敏.灯泡贯流式水轮机导叶、桨叶协联变化的关系和消除振动方法[J].西北水电,2012(06)：67-69.
Summarization and Analysis on Lower Power Generation than Installed Capacity of Large-sized Tubular Units
ZHAO Yan, MA Guoqiang
(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)
Abstract：The lower power generation than the installed capacity is common and outstanding while the margin provided at determination of the rated head of the large-sized tubular unit cannot sufficiently counteract defects in terms of design, manufacturing, installation, construction, testing and commissioning, etc. The power production generated fully at installed capacity is one important index for handover of hydropower projects generally contracted in the world. In the paper, cases of the lower power generation than the installed capacity of stations are summarized and analyzed. It provides the effective means to secure the full power generation of the large-sized tubular unit by taking corresponding measures.
Key words：large-sized hydropower station; installed capacity; tubular unit
文章编号：1006—2610(2017)03—0069—04
收稿日期：2016-09-27
作者简介：赵妍(1985- )，女，陕西省延安市人，工程师，从事水电站设计工作.
中图分类号：TV734
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.03.017
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