石門坪水電站發(fā)電效益提高的措施與分析

牛喜貴

(甘肅電投大容電力有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

1 概 述

石門坪水電站隸屬于甘肅電投大容電力有限責任公司，位于甘肅省舟曲縣兩河口以東約3 km處的白龍江南岸，是1座低壩引水式小型水電站，距蘭州市公路里程約390 km；設(shè)計引水流量130 m3/s，總裝機容量15 MW，單機額定出力5 MW，年發(fā)電量8 026萬kW·h。電站于2005年4月6日開工建設(shè)，2006年4月28日首臺機組并網(wǎng)發(fā)電，9月2日3臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電。電站從項目開工建設(shè)到首臺機組并網(wǎng)發(fā)電僅用了1 a時間，開創(chuàng)了干流主河床上一年建設(shè)投產(chǎn)的新記錄，向社會展示了項目建設(shè)的“甘肅電投速度”。

2 基本情況及存在的問題

2.1 基本情況

石門坪水電站由首部樞紐、引水明渠、壓力前池、發(fā)電廠房、尾水池、尾水排水明渠6部分組成。樞紐水庫庫容16萬m3，無調(diào)節(jié)能力，設(shè)計年發(fā)電量為8 026萬kW·h。

2.2 基本參數(shù)

電站前池水位1 222.80 m，尾水水位1 206.7 m，額定水頭14.1 m，最大水頭15.67 m，最小水頭13.97 m，額定流量41.12 m3/s，額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速465 r/min；水輪機型號為ZDJP502—LH—260，發(fā)電機型號為SF—5000—32/2450。

2.3 存在的問題

電站自2006年9月投產(chǎn)發(fā)電，截至改造前，機組出力最大為4.57 MW，總的出力最大在14.15 MW左右，未達到設(shè)計要求。改造前年發(fā)電量僅為5 135萬kW·h，遠遠小于設(shè)計年發(fā)電量8 026萬kW·h。

3 解決方案

3.1 基本思路

造成機組出力不足的原因有外在原因和內(nèi)部原因兩大類，根據(jù)N=9.81ηQH可知，外部原因主要是水頭、流量兩大因素；內(nèi)部原因則主要是機組效率。

針對以上出力不足的問題，從根本原因查找分析，主要有3點：

一是電站引用流量不足，無法達到設(shè)計數(shù)值，導(dǎo)致機組出力不夠。

二是電站水頭不夠，不能滿足設(shè)計需要，無法達到額定出力。

三是機組效率不足引起出力不夠。

3.2 原因分析

(1)電站上游是舟曲縣城，河流經(jīng)過縣城和村莊，河道內(nèi)有大量生活垃圾，垃圾會纏繞在前池的攔污柵上；尤其是汛期，大量的生活垃圾隨著水流被帶到引水前池，纏繞在攔污柵的柵條上。垃圾不能得到及時清理，會導(dǎo)致進水口面積減少，對機組進口流量產(chǎn)生影響。

雖然電站自動化程度不高，無法準確測量過機流量，但是汛期在同樣來水量的情況下，清理攔污柵后機組出力明顯增加，詳見圖1、圖2。

圖1 攔污柵柵體上的大量垃圾

圖2 工作人員手工清理柵體上的垃圾

另外，電站在前池設(shè)計的攔污柵只有1套，當垃圾增多時，要清污就必須停機提起攔污柵清理垃圾。在主汛期，機組停機清污，也給電站帶來一定量的發(fā)電損失。

(2)3臺機組同時運行時，總過機流量達到最大值。在檢查尾水排水明渠時發(fā)現(xiàn)，水流在尾水明渠末端進入河道時存在跌水現(xiàn)象及有0.5 m左右的水位差，0.5 m的水頭損失占到有效水頭的3.55%。

(3)機組為軸流定槳式水輪機，轉(zhuǎn)輪葉片不能隨流量的變化而改變角度，機組的最優(yōu)工況區(qū)偏小，適應(yīng)性不強。

3.3 解決方案

(1)及時清理攔污柵柵條上附著的生活垃圾。電站前池每孔進水口都設(shè)計有1組攔污柵，日常使用時，水流流經(jīng)攔污柵，污物被攔污柵攔截至柵前；被攔截的污物較多時，柵前后會形成水位差，當水位差達到1.0 m時，需要停機提起柵體，人工清理柵體上的污物。清理完畢后，將柵體調(diào)入柵槽，重新開機，之后進行下一臺攔污柵清理工作。這種操作方法在上游來水水質(zhì)較好、河道內(nèi)污物不多的電站較為適用。石門坪水電站上游居住著大量的居民，生活垃圾較多，尤其是在主汛期，需要24 h不間斷的連續(xù)清污，清污效率低下；并且清污時，清污人員距離孔口近，有掉落的危險，存在一定的安全隱患。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)采用自動回轉(zhuǎn)式清污機能有效解決上述問題。

(2)處理尾水水位跌落問題。機組發(fā)電后的尾水經(jīng)尾水池、尾水明渠進入天然河道，在尾水明渠與天然河道交接處，河道內(nèi)的沙石高于尾水明渠底部高程，水流流經(jīng)此處時受到阻力，形成0.5 m左右的跌水即水位差。解決這一問題，主要是將河道內(nèi)高于尾水明渠地板高程的沙石清理并且不高于尾水明渠底部高程，讓水流平順的進入河道。

(3)增加機組大流量時的效率，更加有效地利用水能。對于軸流定槳式機組，機組最優(yōu)區(qū)域較窄，當機組偏離最優(yōu)運行區(qū)域時，水流已非平順的狀態(tài)擾流葉片，葉片頭部、背面脫流以及尾水渦帶等都將影響水輪機效率。水流流量一定時，為最大限度的提高機組效率，需要找到機組在此流量下的最優(yōu)葉片角度，使得機組效率達到最大值。

4 實施步驟

4.1 攔污柵改造

(1)將原有攔污柵拆除，利用原攔污柵槽作為清污機柵體邊梁支撐。

(2)將原有攔污柵1.5 m寬工作孔口去除一部分混凝土工作面，使得孔口寬度達到1.85 m，以確保上下游齒耙回轉(zhuǎn)和污物被清上時通過。

(3)清污機為垂直安裝形式。清污機設(shè)計深度為9.5 m，孔口凈寬7.0 m，柵條凈間距為100 mm。

(4)清污機上部機架依靠柵體作為主要支撐，根據(jù)現(xiàn)場條件加固。

(5)由于受條件所限，清污機采用前池原攔污柵的吊裝工具安裝(包括現(xiàn)有的電動葫蘆為2×160 kN)。

(6)柵體分段制造，以減輕吊裝重量和方便運輸。

(7)柵體和機頭架安裝固定完成后，安裝清污機驅(qū)動部份和牽引鏈條、清污齒耙等。

(8)安裝完畢后進行無水調(diào)試，檢查回轉(zhuǎn)齒耙與柵體之間、回轉(zhuǎn)齒耙與底部副柵之間有無干涉，齒耙在整個回轉(zhuǎn)過程中是否有卡阻現(xiàn)象。

(9)無水調(diào)試合格后，進行渠道放水，開啟機組，進行有水調(diào)試，檢查清污效果，詳見圖3、圖4。

圖3 安裝自動回轉(zhuǎn)式清污機

圖4 調(diào)試清污機

4.2 尾水河道疏浚

(1)利用冬季枯水期來水量較小、清污機改造機組停機的時期，組織挖掘機對尾水河道內(nèi)高于尾水明渠的部分進行挖掘清理。

(2)挖掘機由下游河道地勢較平緩處進入河道，在距離尾水明渠出口上游側(cè)5 m的地方開始清理，清理至明渠下游10 m的地方，清理深度大約為1 m，保證尾水明渠地面高程不低于河道內(nèi)沙石高度。

(3)在尾水明渠出口上游側(cè)5 m處設(shè)置1道攔沙導(dǎo)流坎，將上游側(cè)來流所沖刷下來的沙石導(dǎo)入左側(cè)河道，防止泥沙再次在尾水明渠出口段堆積，影響機組尾水排水。

4.3 增加機組效率

(1)經(jīng)過計算，在汛期機組流量為41.12 m3/s時，單位流量為1.619 9 m3/s，單位轉(zhuǎn)速為127.83 r/min；對應(yīng)的機組效率在轉(zhuǎn)輪葉片為+7°時達到最大值92.7%，比葉片在+5°時高出2個百分點，機組出力達到5.14 MW。

(2)為更加有效的利用水能，將原有的轉(zhuǎn)輪葉片由+5°調(diào)整至+7°，增加機組效率。

(3)將機組分解，吊出主軸與轉(zhuǎn)輪。

(4)分解主軸與轉(zhuǎn)輪間的把合螺栓，將轉(zhuǎn)輪放置在專用的安放工具之上。

(5)拆除葉片與轉(zhuǎn)輪間的M36×2把合螺栓以及A30×70定位銷。

(6)使用葉片吊具緩緩將葉片進行順時針旋轉(zhuǎn)，使得葉片出水邊頂部與出水邊下部在半徑為1 292.2 mm處的對應(yīng)兩點高程達到835.6 mm，固定葉片位置。

(7)采用斷續(xù)焊接的方式，將葉片樞軸根部與轉(zhuǎn)輪體焊接為一體。焊接時在同一部位連續(xù)焊接長度不得超過5 mm，并且采用先焊上側(cè)、再焊接下側(cè)，然后焊接左側(cè)，最后焊接右側(cè)，4個點沿著順時針方向交替進行的方式進行焊接固定。

(8)在焊接過程中，使用小錘對焊接部位進行敲擊，以消除焊接所產(chǎn)生的應(yīng)力。

(9)按照(6)及(7)的方法將轉(zhuǎn)輪的5個葉片逐一調(diào)整并固定。

(10)使用封焊的方式將葉片原有的螺塞孔及銷釘孔進行封堵，外側(cè)與葉片樞軸表面平齊。

(11)按照檢修工藝要求回裝轉(zhuǎn)輪，機組盤車數(shù)據(jù)合格，轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室之間間隙滿足圖紙要求。

5 實施效果

安裝完自動回轉(zhuǎn)式清污機后，不但解決了及時清污的問題，增加了過機流量，而且消除了清污過程中的安全隱患。

工作人員只需在控制箱處定期啟動清污機，清污機電機會帶動鏈條、齒耙，自動對柵體上的垃圾進行清理；隨后，工作人員只需將垃圾轉(zhuǎn)運至垃圾集中處理地方即可。工作人員遠離孔口，消除了墜落的不安全隱患。同時，在清污過程中，清污機自動運行，鏈條帶動齒耙自下而上的對攔污柵上附著的垃圾進行清理，攔污柵始終在水面以下，不需提起，機組不需要停機。

另一方面，通過對電站尾水疏浚工作，解決了尾水跌水問題，有效提高了機組的實際運行水頭。而轉(zhuǎn)輪葉片的改造則有效提高了機組主汛期單機發(fā)電量，提高了機組運行效率，使得3臺機組同時運行時單臺機組出力增加到5.14 MW，總出力達到15.14 MW。電站在同等來水流量的情況下，發(fā)電量顯著增加，對比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 負荷對比表(以全年來水量最多的9月份數(shù)據(jù)進行對比)

近幾年來，通過技術(shù)改造，使得電站累計發(fā)電量增加6 465萬kW·h，詳見表2。

表2 近幾年增發(fā)電量及增加收入對比表

6 結(jié) 語

通過技術(shù)改造，不僅增加了主汛期單機的出力值，而且提高了電站年度發(fā)電量指標，近幾年來由增發(fā)電量帶來的直接經(jīng)濟效益達到149.7萬元。

技術(shù)改造總體投入共計124.3萬元，到目前不僅已收回投資成本，而且人工清污費用節(jié)省近30萬元，收益額達到55.4萬元。

近年來，白龍江年度來水量進入枯水年，收益額受到一定限制。在下一個豐水年，此項工作還將長期發(fā)揮作用，持續(xù)為電站帶來經(jīng)濟收益。