水电站出力不足的原因分析及解决办法

Cause Analysis and Solution to Output Deficiency of a Hydropower Station

黄少敏 Huang Shaoming

（福建水利电力职业技术学院 福建永安 366000）

(Fujian Institute of Hydraulic and Electric Technology, Yong’an, 366000)

【摘 要】本文是按照运行中的一座水电站出现出力不足的现象，针对该水电站出力不足现象的原因进行分析，并提出适合实际需要的解决办法。

【Abstract】Based on the output deficiency phenomena of a hydropower station observed during operation, the underlying reasons for output deficiency of the station are analyzed in this paper,

and a practical solution is suggested to deal with this problem。

【关键词】水电站；出力不足；原因分析；解决办法；

【Keywords】Hydropower Station；Output deficiency；Cause analysis；Solution； 永安亿泉发电有限公司位于文川溪中上游河段，是永安境内文川溪梯级工程中，装机规模最大、具有调节库容的龙头电站，能对下游各梯级电站起调节作用。坝址上游流域面积为541平方千米，水库总库容为×108 m3。水电站正常蓄水位为 m，死水位为 m，设计洪水位为 m，校核洪水位为 m；调洪库容为×106 m3，调节库容×106 m3。

水电站装设两台2×5000 KW的立式水轮发电机组，连年平均年发电量为×107kwh，年利用小时数为4130h，连年平均年利用小时数为3560h；保证出力为9800 KW，水轮机型号为HL250—LJ—140，额定转速为375 r/min，单机额定流量为s，最大水头，额定水头为 m，最小水头 m；发电机型号为SF5000-16/3250，额定容量为5000 KW，额定转速为375转/分。

1．问题的提出

该水电站在开始投入运行时，2台机同时运行时能够满发，有时还能够超发100～200 KW。可是在近期运行进程中，即便1台机同时运行且水头、流量知足要求时，机组最多只能带4800～4900KW；若2台机同时运行，即便在水头、流量知足要求的情形下，仍然无法达到正常出力，而且出力还会下降。可是在机组运行进程中，没有出现机组振动的现象。

2．存在问题的原因分析

针对上述的现象分析，能够初步判断引发上述现象的原因有三个方面：一是水轮机转轮的过流表面刚度、强度不足，造成转轮抗空蚀和抗磨能力不足，使得水轮机在运行时转轮叶

片的表面出现空蚀磨损现象，造成水轮机转轮的效率下降；二是引水道当中存在堵塞物，如树木、淤泥等，减小了流道的过水断面，使得流量不足。上述二种原因就是造成机组出力不足的主要因素。

3．存在问题的解决办法

3．1 针对引水道当中存在堵塞物的问题

由于上坂水库电站位于河道的中间，河道两边树木繁茂，不可避免的有许多树枝和树叶落到水库当中；而这些树枝和树叶会顺着水流流道进入引水道入口处，在入口处拦污栅前形成堵塞现象，如此在入口处拦污栅前形成水头落差，无形之间降低了水轮机的工作水头；同时也有一些石头、淤泥之类的会在水流流道中淤积，也会造成流道中过水面积的减少；所以需要对拦污栅前和水流流道中的淤积物进行清理，以保证水流流动顺畅。

3．2 针对转轮的过流表面刚度、强度不足的问题

转轮的过流表面刚度、强度不足，是造成抗空蚀和抗磨能力不足的主要原因。针对那个现象，能够从几个方面进行改良：一是在转轮的过流表面和其它过流部件表面易空蚀磨损的部位铺焊不锈钢，以提高抗空蚀磨损的效果；二是在转轮的制造进程中，需要采用刚度和强度较高的钢材，按如实际需要采用对应的办法，在一些重要的部位需要利用较好的钢材，其它部位能够采用一般的钢材。

3．3 针对水轮机转轮型号不适合的问题

HL250型转轮目前较少利用，因为原来该机组能够满发，有时还能够超发100～200 KW，因此针对水轮机转轮型号不适合的问题，能够有几种做法：一是在知足转轮的强度、刚度的基础上，从头改换一个HL250型转轮，如此能够保证有关过流部件的结构尺寸（主如果导叶方面）不用改变，有利于减少机组技术改造的投资本钱；二是从头选择一个各方面性能更为优良的转轮，如此可能会使得有关过流部件的结构尺寸（主如果导叶方面）发生改变，这种做法就会增加机组的投资本钱。

若是采用第一种方案，咱们能够寻求能够生产HL250型转轮的相关生产厂家进行生产；主要要求生产厂家在知足转轮的强度、刚度的基础上，从头生产一个HL250型转轮，如此能够保证有关过流部件的结构尺寸（主如果导叶方面）不用改变，有利于减少机组的投资本钱；可是据了解，目前国内尚未HL250型转轮型号。

若是采用第二种方案，按照该水电站的实际情形，咱们选择了二种型号的转轮与HL250型转轮进行比较。有关不同转轮型号的参数计算结果见表1。

按照表1的数据和计算结果，咱们能够看出，HLF13的各类参数与HL250的参数相差

较大，尤其是导叶相对高度较HL250的相差较大；而HLA551C的各类参数与HL250的参数比较接近，导叶相对高度只是相差，因此初步决定采用HLA551C型转轮。

表1 3种型号的转轮各类参数的比较

Q转轮型号 3，1n，10 m rns r/min ηb/D1 M0ηMηmax△△△η % % % η1 % η2 % η % % /s /min 84 83 HL250 HLA551C HLF13 300 （注：Q1，—转轮工况点单位流量，n10，—模型转轮最优单位转速，ns—模型转轮比转速，ηM0—模型转轮最高效率，ηM—模型转轮工况点效率，ηmax—原型转轮最高效率，

△η1—原、模型转轮的效率差，△η2—原、模型转轮加工误差，ηs—原型转轮额定点实际效率）

按照选定的HLA551C型转轮，咱们对HL250型转轮和HLA551C型转轮的各类效益参数指标进行计算比较；表2中HL250机组的出力依照业主提供目前机组的实际出力参数为准，年利用小时数以连年平均年利用小时数为3560h为准。计算结果见表2。

表2 HL250与HLA551C型的机组的收益差的比较

H Q s ηfη % fN kw 4900 6107 5w 2×Nf k△转轮 型号 E △E W ×106元 W ×106元 m m3/s % kwh kwh HL250 HLA551C HLA 9800 12214 10×107 ×107 ×107 ×107 ×107 551C HLA551C 400 5200 800 10400 ×107 ×107 （注：H—额定水头，Q—额定流量，ηs—原型水轮机额定点效率，ηf—发电机效率，Nf—发电机实际出力，E—机组年发电量，按运行3560h计算；△E—HLA551C与 HL250机组的年发电量差，W—不同水头下HLA551C与 HL250型的年收益，△W—不同水头下HLA551C与 HL250型的年收益差）

从表2的数据能够看出，与HL250—LJ—140型的水轮发电机组的发电量相较较，若是改换一个新的HLA551C型转轮，同时发电机不要进行改造，只是对导水机构的拐臂进行更换，在流道的条件能够知足流量的前提下，水头为的时候，每一年能够增发×107 kwh的电能，该水电站的上网电价是元/kwh，通过计算，每一年经济收入能够增加×106元（由于机组出力达到6107kw，发电机也要进行改换，如此会增加机组改造的费用，咱们能够通过控制导叶开度来对机组出力进行调节，将机组但机出力控制在发电性能够经受的范围）；水头为的时候，每一年能够增发×107 kwh的电能，每一年经济收入能够增加×106元；水头为的时候，每一年能够增发×107 kwh的电能，经济收入能够增加×106元。

4.改换转轮的费用和经济效益比较 4．1转轮改换及相关导水机构的费用

制造厂家提出了3种方案，一是整个转轮(上冠、叶片和下环)为不锈钢材料；二是上冠为碳钢材料,叶片和下环为不锈钢材料；三是整个转轮(上冠,叶片和下环)为碳钢材料。而整个转轮为不锈钢材料的，其运行寿命是碳钢材料的3～5倍。有关各类方案的转轮和相关配套的技术改造项目的价钱见表3。

从表3中能够看出，加上引水流道入口清理费用，方案一的总费用为54万元，方案二的总费用为50万元，方案三的总费用为42万元。

4．2 转轮改换及相关导水机构转变与转轮改换后的费用和经济效益比较

从表2和表3的数据能够看出，改换一个新的HLA551C型转轮，同时发电机不需要进行改造，只是对导水机构的拐臂进行更改，水头为的时候，每一年能够增发×107 kwh的电能，每一年经济收入能够增加×107元；当水头为的时候，每一年经济收入能够增加×107元；当水头为的时候，每一年经济收入能够增加×107元。

表3 HLA551C-LJ-144转轮改换费用

材方案 材料 料及 加工 1 全不锈钢（万元） 半不锈钢（万元） 全碳钢（万元） 42 测绘 （万元） 拐臂更换 （万元） 转轮与主轴配合带锥度内径的测量（万元） 引水流道进口清理费用（万元） 2 2 38 2 2 2 6 3 30 2 这三种水头下的年发电量所取得的经济效益，除去方案1（方案二、方案3）技术改造的费用，其收益与技术改造费用差见表4。

表4 三种水头下方案一、二、3收益与技术改造费用差的比较

H W ×106元 △W 转轮 型号 改造费用 方案1 方案2 方案3 收益与技术改造费用差 ×107元 m ×10元 7HL250 HLA551C HLA551C HLA551C 1 2 3 54 50 42 54 50 42 54 50 42 （注：表4中的收益与技术改造费用差采用四舍五入的计算方式）

从表4中能够看出，三种水头下方案一、二、3收益与技术改造费用差别离是×107（×107、×107）元、×107（×107、×107）元和×107（×107、×107）元；因此，那个技术改造完成后，能够在第二年就可以够将技术改造的费用回收回来，而且还有大量的盈余。

5．结论

通过业主与制造厂家的联系与商谈，作者以为作为业主和制造厂家能够通过协商，从以下几方面考虑执行转轮的技术改造：

从技术方面比较，在转轮的改换上面不存在任何问题；而从经济方面比较，不同水头下方案一、二、3收益与技术改造费用差都比较大，因此改造的次年就可以够将改造费用回收；其中方案1的改造涉及发电机改造的问题，咱们能够通过控制导叶开度来对机组出力进行调节；从利用寿命来分析，建议采用全不锈钢转轮，因为全不锈钢转轮与叶片和上冠采用碳钢、下环采用不锈钢转轮的价钱相较，只是相差4万元；而上冠采用碳钢的转轮，其上冠的耐磨性能和抗空蚀性能都比不锈钢的差；与全碳钢的价钱相较，只是相差10万元；而利用寿命则是全碳钢的3～4倍；

转轮与相关需要改换的设备的生产周期是3个月，从时刻上来讲是完全能够知足要求的。因此转轮的改换能够利用机组在枯水期大修的时刻进行改换。

参考资料：

一、《水电站机电设计手册》——〈水力机械〉分册，水电站机电设计手册编写组，中国水利电力出版社，1983年11月第一版；

二、《水力学》（P111～141），刘亚坤主编，中国水利水电出版社，2008年8月第一版； 作者简介：

一、黄少敏，男，19年5月—，福建古田人，副教授、工程师；大学本科，工程硕士，现从事教学、设计和技术服务工作。