降低攔污柵壓差在石泉水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度實(shí)踐中的應(yīng)用

鞏祥照

（大唐石泉水力發(fā)電廠,陜西 石泉 725200）

1 引言

水電站進(jìn)水口設(shè)制水電站攔污柵可以起到阻擋水下部分漂流物,從而有效的為河道清污帶來(lái)了便利,而汛期水電站機(jī)組攔污柵堵塞,造成機(jī)組出力受損或被迫停機(jī),大量損失電能,影響電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的情況,在國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)轉(zhuǎn)的水電站中屢有發(fā)生[1]。漢江石泉水庫(kù)歷年洪水調(diào)度過(guò)程中,每場(chǎng)洪水裹挾漂浮物過(guò)多、體積過(guò)大,堆積在壩前,在影響水庫(kù)水質(zhì)的同時(shí),時(shí)常導(dǎo)致機(jī)組進(jìn)水口攔污柵壓差超標(biāo),使機(jī)組出力減小。特別是當(dāng)壓差嚴(yán)重超標(biāo)時(shí),攔污柵結(jié)構(gòu)變形,損壞設(shè)備,迫使機(jī)組停機(jī),極大影響電站發(fā)電效益。日常的處置方法是,在壓差接近超標(biāo),采用機(jī)組全部停機(jī)或不停機(jī),動(dòng)水作業(yè),人工打撈漂浮物,來(lái)降低壓差值。該方法對(duì)降低壓差有效果,但效率低、電能損失多；尤其這種打撈的方法對(duì)于機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,沉渣吸附在攔污柵體導(dǎo)致壓差增大的情況無(wú)法緩解。

本文根據(jù)石泉泄洪閘門(mén)流量曲線、機(jī)組進(jìn)水口高程、水位和入庫(kù)流量的多元關(guān)系,在合適的時(shí)段調(diào)整閘門(mén)運(yùn)行方式和機(jī)組運(yùn)行方式,配合人工、機(jī)械班臺(tái)動(dòng)態(tài)打撈,使吸附在攔污柵柵體的沉渣脫離攔污柵體,隨洪水下排,保證攔污柵壓差不超標(biāo),機(jī)組出力不減少,企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益不降低。

2 攔污柵的壓差

一般水流通過(guò)攔污柵時(shí)產(chǎn)生的水頭損失即為攔污柵的壓差。攔污柵的水頭損失由兩部分組成。一是固有水頭損失,即水流在通過(guò)攔污柵時(shí),柵條對(duì)水流有局部的阻礙作用,產(chǎn)生局部水頭損失,這是不可避免的,影響這種水頭損失的因素有：柵條的幾何形狀、過(guò)柵水流的雷諾數(shù)、進(jìn)口前斷面的流速分布等；另一部分則是附加水頭損失,即攔污柵所攔截的漂浮物部分地阻塞柵孔,或水流的腐蝕作用而導(dǎo)致的銹蝕,使攔污柵原有的過(guò)流面積減小,加劇了對(duì)水流的阻礙作用,致使過(guò)柵局部水頭損失增加,本文主要分析后者對(duì)水頭損失的影響。

3 水庫(kù)及泄洪設(shè)施

石泉水庫(kù)位于漢江上游石泉縣城西一公里處,電站為漢江上游最早建設(shè)的大Ⅱ型水力發(fā)電廠和陜西電網(wǎng)調(diào)峰電廠之一,兼有灌溉、防洪、發(fā)展?jié)O業(yè)等綜合利用效益。水庫(kù)控制流域面積2.34 萬(wàn)km2,屬不完全季調(diào)節(jié),正常高水位410.00 m,死水位395.00 m。設(shè)計(jì)庫(kù)容4.7 億m3,2011 年3 月實(shí)測(cè)庫(kù)容2.738 億m3,電站大壩為混凝土空腹重力壩,壩高65 m,壩寬16 m,壩長(zhǎng)353 m,電站裝機(jī)240 MW（3×50 MW+2×45 MW）。

水庫(kù)攔河壩為混凝土重力壩,其中12號(hào)～22 號(hào)壩段為空腹重力壩段,其余為實(shí)體重力壩,壩頂高程416.00 m,防浪墻頂高程416.62 m,壩頂長(zhǎng)度353 m,共分29 個(gè)壩段。泄洪閘門(mén)有4個(gè)表孔、1個(gè)岸邊溢洪道、5個(gè)中孔、2個(gè)底孔,河床偏右布置4個(gè)表孔和岸邊溢洪道,主河床布置5個(gè)中孔,河床導(dǎo)墻內(nèi)布置一大底孔,中孔與左岸1號(hào)～3號(hào)機(jī)組發(fā)電取水口壩段之間設(shè)一沖沙底孔（小底孔）。

電站1號(hào)～3號(hào)機(jī)組引水管道布置在4～6壩段,為單元引水,每臺(tái)機(jī)組一管,共三條引水管。每條引水管長(zhǎng)55.4 m,圓管內(nèi)徑為5.5 m,單機(jī)最大引用流量為145.5 m3/s。引水管道進(jìn)水口前布置有攔污柵,設(shè)一道柵槽,柵體距進(jìn)口的距離為4 m,在平面上為三個(gè)取水口連通的直線型,取水口底坎高程為382.0 m,頂部高程392.44 m。壓差布置見(jiàn)圖1。

圖1 石泉水庫(kù)壓差位置圖

電站4號(hào)～5號(hào)機(jī)組取水位于石泉大壩左壩肩上游77 m,由引水明渠底、引水隧洞、出水岔管組成,引水明渠底寬18.60 m,長(zhǎng)24 m,底板沿水流方向由高程390.00 m平臺(tái)以1∶3的坡比接高程382.00 m平臺(tái)；引水隧洞位于石泉電站左岸山體中,分為上平段、壓力斜井段、岔管段和4號(hào)、5 號(hào)支管段,隧洞段長(zhǎng)約188.0 m,管徑9.0 m,單機(jī)最大引用流量為131 m3/s,在引水隧洞的上平段前面布設(shè)了進(jìn)水口攔污柵。

4 壓差運(yùn)行分析

電站1 號(hào)～3 號(hào)機(jī)組進(jìn)水口壓差為1 號(hào)壓差,設(shè)計(jì)值2 m,最大3 m；4 號(hào)～5 號(hào)機(jī)組進(jìn)水口壓差為2 號(hào)壓差,設(shè)計(jì)值3 m,最大達(dá)5 m；平均每米電能損失約2.6%,水庫(kù)歷年洪水調(diào)度過(guò)程中,由于洪水?dāng)y帶大量的漂浮物,經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)組進(jìn)水口攔污柵前壓差過(guò)大,水頭降低,機(jī)組出力減小等情況；甚至,壓差過(guò)大導(dǎo)致強(qiáng)迫停機(jī),直接影響電站發(fā)電效益。

受環(huán)保監(jiān)督、水電企業(yè)主體責(zé)任強(qiáng)監(jiān)管的壓力,對(duì)滯留在庫(kù)區(qū)管理范圍內(nèi)的漂浮物必須企業(yè)主體打撈,滯留時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng),影響庫(kù)區(qū)水質(zhì)。因此,電站一般多采用機(jī)組全停,作業(yè)機(jī)械班臺(tái)結(jié)合人工打撈庫(kù)區(qū)漂浮物的方式連續(xù)作業(yè),來(lái)減少水質(zhì)污染的同時(shí),進(jìn)一步降低機(jī)組進(jìn)水口壓差,提高機(jī)組發(fā)電水頭,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益；石泉水庫(kù)在調(diào)度過(guò)程中,一場(chǎng)洪水?dāng)y帶的漂浮物需要近15 個(gè)工作日以上打撈時(shí)間,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,增加企業(yè)成本的同時(shí)大大減少洪水效益電量。

例如,在2020 年汛期8 月,漢江上游流域區(qū)域性暴雨洪水多發(fā),洪水裹挾兩岸漂浮物、大型樹(shù)木、枯枝等堆積在庫(kù)面和機(jī)組進(jìn)水口柵前,造成進(jìn)水口柵前壓差持續(xù)增大,在影響環(huán)保的同時(shí),直接危及梯柵設(shè)備安全和機(jī)組運(yùn)行工況；在發(fā)生的8.17 洪水調(diào)度過(guò)程中,受長(zhǎng)歷時(shí)行洪影響,18日12時(shí),電站1 號(hào)壓差最大漲至1.1 m左右,20日22時(shí)2號(hào)壓差最大漲至2.75 m,接近壓差設(shè)計(jì)值,造成機(jī)組運(yùn)行水頭底,機(jī)組負(fù)荷帶不滿,效率下降,直接影響發(fā)電效益,見(jiàn)圖2。

圖2 壓差變化趨勢(shì)圖

5 優(yōu)化調(diào)度措施

針對(duì)洪水裹挾的漂浮物,對(duì)機(jī)組出力的負(fù)面作用,根據(jù)石泉水庫(kù)泄洪閘門(mén)流量曲線、機(jī)組進(jìn)水口高程、水位、入庫(kù)流量的多元關(guān)系,在近50年的水庫(kù)調(diào)度實(shí)踐中,特別是在洪水調(diào)度過(guò)程中,總結(jié)出以下減小壓差,實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度的具體方法。

1）2號(hào)進(jìn)水口降低壓差方式：

考慮到2號(hào)進(jìn)水口的布設(shè)位置,行洪期間,根據(jù)來(lái)水實(shí)況,保持庫(kù)水位在403.00 m及以上運(yùn)行,減緩水流坡降,防止攔污浮柵前漂浮物涌入2號(hào)進(jìn)水口攔污柵前,同時(shí)通過(guò)短時(shí)停機(jī)反沖,改變水流流態(tài)減小進(jìn)水口柵前漂浮物吸附力從而減小壓差增大的風(fēng)險(xiǎn),其次配合人工、器械班臺(tái)打撈浮渣進(jìn)一步降低壓差。

2）1號(hào)進(jìn)水口降低壓差方式：

一般而言,1號(hào)進(jìn)水口壓差增大的主要原因是洪水期機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷運(yùn)行,壩前漂浮物沉積到機(jī)組進(jìn)水口前,吸附在攔污柵柵體,進(jìn)水口水流受阻,而電站采用的抓渣器械無(wú)法進(jìn)行沉渣打撈,導(dǎo)致壓差不斷上升,短時(shí)間內(nèi)停機(jī)無(wú)法消除。

根據(jù)石泉泄洪閘門(mén)流量曲線、機(jī)組進(jìn)水口高程、水位、入庫(kù)流量分析,在壓差超過(guò)1 m,影響機(jī)組出力時(shí),且在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行情況下,提前向調(diào)度申請(qǐng)說(shuō)明,依次快速全部停機(jī),充分利用機(jī)組進(jìn)水管水流的水錘作用,將攔污柵上的堆渣部分沖入死庫(kù)容,另一部分通過(guò)調(diào)整閘門(mén)運(yùn)行方式,依靠開(kāi)關(guān)閘門(mén)水流引起的巨大汶動(dòng),使攔污柵上的吸附沉渣脫離柵體隨下泄洪水排走,降低進(jìn)水口壓差。

通常,2 號(hào)進(jìn)水口的降壓差方式叫作抬高水位法,1號(hào)進(jìn)水口降壓差方式叫停機(jī)反沖法；在實(shí)施停機(jī)反沖法的同時(shí),2號(hào)進(jìn)水口輔以人工打撈抓渣,對(duì)2 號(hào)進(jìn)水口減壓效果更為明顯[2]。

6 案例分析

“20200817”洪水調(diào)度過(guò)程中,由于受長(zhǎng)歷時(shí)行洪影響,18日12時(shí),1號(hào)壓差漲至1.2 m左右；20日22時(shí)2號(hào)壓差漲至2.75 m,逼近設(shè)計(jì)值,造成機(jī)組運(yùn)行水頭底,負(fù)荷帶不滿,直接影響發(fā)電效益。

通過(guò)停機(jī)反沖方式、輔以人工器械抓渣等方式降低壓差后。

1號(hào)壓差由1.2 m降至0.3 m,1～3 號(hào)機(jī)出力由14.8 萬(wàn)kW,提高至16.09 萬(wàn)kW,18 日13 時(shí)至29日24 時(shí)期間的平均出力為15.83萬(wàn)kW,累計(jì)多發(fā)電量275 萬(wàn)kW·h。

2號(hào)進(jìn)水口壓差由2.75 m降至0.1 m,4～5號(hào)機(jī)出力由之前的8.3 萬(wàn)kW提高至9.59 萬(wàn)kW,21 日05時(shí)至29日24時(shí)期間平均出力為9.37萬(wàn)kW,累計(jì)多發(fā)電量224 萬(wàn)kW·h,見(jiàn)圖3。

圖3 壓差出力總體變化趨勢(shì)圖

可見(jiàn),2020年“8.17”洪水,通過(guò)停機(jī)反沖、清渣降壓方式,電站合計(jì)多發(fā)電量達(dá)499萬(wàn)kW·h,而因短時(shí)停機(jī)損失電量?jī)H為60萬(wàn)kW·h。

7 結(jié)語(yǔ)

因此,在石泉水庫(kù)行洪期間,當(dāng)機(jī)組進(jìn)水口攔污柵前沉渣堆積過(guò)多,造成壓差增大影響機(jī)組發(fā)電出力時(shí),完全可以采用調(diào)整閘門(mén)和機(jī)組運(yùn)行方式,通過(guò)拉渣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)快速清渣、降壓差,提高機(jī)組運(yùn)行水頭,增加機(jī)組效率,進(jìn)而增加發(fā)電效益,減少不必要的成本支出；另一方面,通過(guò)調(diào)整閘門(mén)和機(jī)組運(yùn)行方式,可以減少進(jìn)水口攔污柵設(shè)備的損壞率,確保度汛非工程措施安全,實(shí)現(xiàn)水庫(kù)度汛安全,獲取更長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。