老河口市黃茅山新、老電站效益分析研究

(湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070)

1 工程概述

黃茅山水電站位于湖北省襄州區(qū)龍王鎮(zhèn)，現(xiàn)有新、老兩個水電站。黃茅山老電站于1987年投入使用，現(xiàn)有三臺機組運行。老電站現(xiàn)運行水頭約7.30m，三臺水輪發(fā)電機額定功率分別為630kW、630kW和200kW，型號分別為SF500-20/2150、SF500-20/2150和SF200-12/850。其中630kW的水輪發(fā)電機額定功率因數(shù)為0.8，額定電壓6.30kV，額定電流57.60A，額定轉(zhuǎn)速300r/min；200kW的水輪發(fā)電機額定功率因數(shù)為0.8，額定電壓0.40kV，額定電流361A，額定轉(zhuǎn)速500r/min。老電站進(jìn)水池前通過長約600m的引水渠將小清河(溢流壩前新電站進(jìn)水池旁)的水引到老電站，然后通過三個引水壓力管道分別進(jìn)入三臺水輪機將水能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能，再流入尾水渠，最后匯入小清河。

黃茅山新電站于2015年投入運行，現(xiàn)有兩臺機組運行。新電站現(xiàn)運行水頭約7.10m，安裝兩臺型號相同水輪機組，水輪機型號為ZDTP502-LH-200，額定水頭7.50m，額定流量為15.92m3/s，額定功率為1064kW，額定轉(zhuǎn)速187.50r/min；發(fā)電機型號為SF1000-32/3300，額定功率因數(shù)為0.8，額定電壓為6.30kV，額定電流為114.60A。黃茅山新電站直接引用小清河的水進(jìn)入引水壓力管道，然后通過水輪機將水能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能，通過尾水渠匯入小清河。

2 效益分析思路

此次分析評價新電站發(fā)電對老電站發(fā)電的影響，主要方法是通過監(jiān)測新電站正常發(fā)電和不發(fā)電時，在上、下游其他水電站照常發(fā)電和老電站導(dǎo)葉開度不變的情況下，對老電站的各項指標(biāo)進(jìn)行分析。按此思路，主要對上游進(jìn)水位及下游尾水位進(jìn)行檢測，上游3個點，分別為位于新電站前池、老電站進(jìn)水池和溢洪堰部位。下游3個點，分別位于新、老電站尾水渠處和下游尾水交匯處。同時對新、老電站的機組導(dǎo)葉開度和功率等指標(biāo)進(jìn)行檢測。要求為：?待水位穩(wěn)定后方可對上述指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測；?新電站關(guān)機待水位穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；?監(jiān)測日前該地區(qū)7天內(nèi)沒有降水。

3 水位測量點的選擇和布置

通過對新、老電站的實地考察，決定選取8個基準(zhǔn)點：1號基準(zhǔn)點為溢洪道水位基準(zhǔn)點，位于溢洪道左側(cè)；2號基準(zhǔn)點為新電站站前進(jìn)水池水位基準(zhǔn)點，位于新電站攔污柵旁邊；3號基準(zhǔn)點為老電站涵洞進(jìn)口水位基準(zhǔn)點，位于新電站旁邊的老電站引水渠涵洞進(jìn)水口左側(cè)；4號基準(zhǔn)點為老電站涵洞出口水位基準(zhǔn)點，位于新電站旁邊的老電站進(jìn)水明渠涵洞出口左側(cè)；5號基準(zhǔn)點為新電站尾水水位基準(zhǔn)點，位于新電站尾水渠左側(cè)；6號基準(zhǔn)點為老電站進(jìn)水池水位基準(zhǔn)點，位于老電站進(jìn)水池右側(cè)；7號基準(zhǔn)點為老電站尾水水位基準(zhǔn)點，位于老電站尾水渠右側(cè)；8號基準(zhǔn)點為尾水交匯處水位基準(zhǔn)點，位于尾水交匯處右側(cè)。

針對此次新電站對老電站發(fā)電影響的評價，主要測試點為新電站進(jìn)水池前的水位、老電站進(jìn)水池水位、老電站尾水水位以及尾水交匯處水位，其他測試點為參考水位點。其中新電站進(jìn)水池水位有新電站允許發(fā)電的最低水位值(84.00m)，此次工程測量的是進(jìn)水池水位高于新電站允許發(fā)電的最低水位；老電站進(jìn)水池水位和尾水水位是直接影響老電站發(fā)電量的參數(shù)；尾水交匯處水位可以作為上游來水量是否變化的參考。

4 實測技術(shù)參數(shù)及分析

4.1 實測技術(shù)參數(shù)

在各種工況下，對新、老電站進(jìn)出口水位及功率進(jìn)行實測。實測分兩種工況進(jìn)行：工況一為新、老電站同時開機的情況；工況二為新電站停機老電站正常運行的情況。

經(jīng)現(xiàn)場對兩種工況進(jìn)行實測：工況一，新、老電站同時發(fā)電時，新電站功率1號機組907kW，2號機組903kW，老電站進(jìn)口水位83.921m，尾水水位為76.632m，老電站功率1號機組510kW，2號機組510kW，3號機組110kW；工況二，新電站停機老電站正常運行時，老電站進(jìn)口水位84.206m，尾水水位為76.637m，老電站功率1號機組560kW，2號機組560kW，3號機組120kW。

4.2 技術(shù)參數(shù)合理性分析

實測新電站進(jìn)水池水位在新電站停機后，在一定時間內(nèi)隨時間增加。約24h后，水位基本穩(wěn)定。從理論上分析，由于上游來水流量不變，新電站停機后原經(jīng)新電站的流量將溢流和通過老電站，溢流流量將增加，根據(jù)溢流量水力計算公式可得到溢洪道前的水位增加，新電站進(jìn)水池水位也在溢洪道前，所以水位也會增加，待達(dá)到新平衡后，新電站進(jìn)水池水位將穩(wěn)定在一定值。新電站進(jìn)水池實測水位變化趨勢與理論分析相符合，因此此次新電站水位實測有效。

實測老電站進(jìn)水池水位，在新電站停機后，在一定時間內(nèi)隨時間增加，約24h后，水位基本穩(wěn)定。從理論上分析，由于上游來水流量不變，新電站停機后原經(jīng)新電站的流量將溢流和通過老電站，老電站的流量將增加，老電站進(jìn)水池水位也會增加，待達(dá)到新的平衡后，老電站進(jìn)水池水位將穩(wěn)定在一定值。因此，老電站進(jìn)水池實測水位變化趨勢與理論分析相符合，此次老電站進(jìn)水池水位實測有效。

實測老電站尾水水位，在新電站停機后，先大幅度降低后再小幅度上升，約24h后，水位穩(wěn)定(與新電站停機前基本一致)。根據(jù)分析，新電站停機后，新電站的尾水量將迅速減少至零，老電站尾水水位將迅速下降，與之相通的老電站尾水水位短時內(nèi)降低；由于上游來水流量不變，待原經(jīng)新電站流量通過溢流和老電站流到下游時，下游水位將會提高，老電站尾水水位也會增加，待達(dá)到新的平衡后，老電站尾水水位將穩(wěn)定在一定值(與新電站停機前基本一致)。老電站尾水實測水位變化趨勢與理論分析相符合，因此此次老電站尾水水位實測有效。

實測老電站功率，在新電站停機后，先增加后緩慢減少，最后趨于穩(wěn)定。根據(jù)分析，老電站的發(fā)電功率在新電站停機以后，先因水位差的增大而提高，后由于水位的逐漸平穩(wěn)而逐漸降低，最終穩(wěn)定于高于新、老電站同時發(fā)電時的功率。老電站功率變化趨勢與理論分析相符合，因此此次老電功率實測有效。

因此，新、老電站的水位及功率變化情況符合基本的水動力學(xué)原理，故測量數(shù)據(jù)有效，可作為評定對老電站發(fā)電量影響的數(shù)值依據(jù)。

5 新電站對老電站影響分析

5.1 影響老電站發(fā)電因素

5.1.1 來水流量

此次評價是基于上游來水流量不變且溢洪道存在溢流的情況下進(jìn)行的。該情況下，上游來水量大于新、老電站總發(fā)電流量，不存在新電站搶老電站發(fā)電流量或來水流量不足的問題。

5.1.2 上、下游水位

新、老電站同時發(fā)電時，溢流堰水位為84.19m(此次測量值，下同)?；谏嫌蝸硭髁坎蛔儯掠挝菜粎R處的水位不變。

新電站不發(fā)電、溢流堰閘門開度不變時，溢流堰由于過流量增加，溢流堰水位升至84.39m。上游水位抬高約0.19m，老電站下游尾水水位抬高約6.50mm，從而影響老電站的發(fā)電出力；新電站不發(fā)電、溢流堰閘門開度加大時，可使溢流堰過流量增加而保持原水位84.19m。老電站上游進(jìn)水池水位不變，同時老電站尾水位在新電站發(fā)電、不發(fā)電兩種情況下也不變，因此，在此情況下，老電站的發(fā)電出力不受影響。

5.1.3 電站進(jìn)出水流流態(tài)

老電站進(jìn)水池和出水渠水流不穩(wěn)定，流態(tài)的不穩(wěn)定可能導(dǎo)致水頭損失增大。

5.2 新、老電站技術(shù)參數(shù)變化及影響分析

在新、老電站同時發(fā)電時，可從實測技術(shù)參數(shù)中得到，老電站進(jìn)水池水位為83.92m，老電站尾水水位為76.63m，老電站進(jìn)水池水位與尾水水位之差為7.29m，即毛水頭為7.29m，老電站三個機組發(fā)電功率分別為510kW、510kW、110kW，即老電站發(fā)電功率為1130kW；溢流堰閘門開度不變，在新電站不發(fā)電、老電站發(fā)電時，可以從實測技術(shù)參數(shù)中得到，老電站進(jìn)水池水位為84.21m，老電站尾水水位為76.64m，老電站進(jìn)水池水位與尾水水位之差為7.57m，即毛水頭為7.57m，老電站三個機組發(fā)電功率分別為535kW、535kW、110kW，即老電站發(fā)電功率為1180kW。

這里可以得出，新電站停機后，老電站的進(jìn)水池水位會上升，尾水水位上升很小，毛水頭增加，由水輪機出力計算公式可以得到老電站機組出力會有所增加，老電站的發(fā)電功率也會有所增加。

從老電站進(jìn)水池和尾水水位的變化和發(fā)電功率來分析，老電站毛水頭從7.29m增加到7.57m，毛水頭增加了0.28m，即老電站毛水頭增加了3.84%；老電站發(fā)電功率從1130kW增加到1180kW，增加了50kW，即老電站發(fā)電功率增加了4.42%。

因此，從監(jiān)測的結(jié)果來看，新電站發(fā)電與不發(fā)電時，老電站進(jìn)水池水位分別為83.92m和84.20m，尾水位分別為76.63m和76.64m。新電站停止發(fā)電后，老電站進(jìn)水池水位上升0.28m，尾水位基本不變。在

新電站停機，但通過控制閘門開度保持溢洪道水位不變(即新電站同時發(fā)電)的情況下，老電站上游水位也不變，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，在兩種情況下尾水位也不變，因此老電站毛水頭也不變，老電站發(fā)電功率不受新電站發(fā)電影響。