老渡口水电站引水系统水力损耗分析

廖焕华，任思琪，余海龙

(1. 国电长源电力股份有限公司，湖北 武汉 430062； 2. 国电长源广水风电有限公司，湖北 武汉 430062；3. 武汉珞珈天成水力电力技术有限公司，湖北 武汉 430072)

水电站引水系统运行在不同工况时，发电用水流量、流速不同，水力损耗差别很大，对电站运行经济性有明显影响。建设期间，水电站设计单位依据设计规范及流体力学方法，对电站引水系统的水力损耗进行了计算，但这种计算主要是针对额定工况的水力学理论计算，缺少其他工况下的损耗数据，对生产运营的指导性较差。电站投产后，除少数大型水电站外，极少有运行单位对引水系统损耗进行实际测量，而且传统的引水系统水力损耗试验，耗时长、费用高，在中小型水电站中无法推广，大部分水电站，除监测拦污栅前后差压外，对引水系统整体损耗监测手段非常有限。

1 基本概况

老渡口水电站位于湖北省恩施市境内，电站装机2×50 MW，水轮机及发电机由东风电机厂制造，水轮机型号为HLA801-LJ-296，设计水头73.00 m。在每台机组蜗壳前侧设置有蜗壳压力传感器，用于监测水轮机蜗壳进口水压。

蜗壳压力传感器型号：麦克MPM480 0-1.0 MPa传感器精度±0.25%，传感器每年进行试验校验，其精度符合应用要求。压力传感器安装处，蜗壳入口直径4.0 m，流道截面积12.56 m2。

电站监控系统为南瑞公司提供的NC2000水电监控系统，蜗壳压力等信号上传后，在监控系统中做历史数据及历史曲线分析，本次建模分析的数据来自于南瑞监控系统记录的蜗壳压力传感器历史曲线。

2 数据选择

2.1 数据选择原则

本次分析，共采集9个代表性时段，经过对比选择，最终选择了以2010-05-21日至05-22日历史数据为主要分析对象，主要原因为：

1)该时段内，电站机组运行工况变化多样，数据多样性较好；

2)并且每一种工况，都有较长的运行时间，负荷、压力数据持续稳定；

3)采样期间，水库水位变化较小，可以近似为恒定水头状态，流道内的流量与机组功率直接相关，有助于减少模型复杂程度。

2.2 分析数据选择

电站2台机组蜗壳前侧均安装了相同的压力传感器，2个压力传感器均可作为数据源。本次数据分析，采用2号机组蜗壳压力测量数据作为分析对象，其历史曲线波形示例如图1。

本次分析，主要围绕该曲线中的各种工况进行。

图1 2号机组蜗壳压力测量数据历史曲线波形

3 量测系统精度分析

3.1 测量精度复核方法

用于分析的2支传感器均进行了校验，其精度满足1.0 MPa±0.25%，为确保包含传感器、测压管路、旋塞等整体量测系统满足数据分析要求，仍需对传感器数据进行核对性分析，其方法是在流道流量不变情况下(机组导叶开度不变)，经过一段时间后，记录压力传感器的测值变化，对比库区实际水位变化，确认量测系统精度满足分析要求，主要是：

1)传感器测量值与实际水位变化值一致，误差不大于0.25%；

2)传感器测量的水位曲线变化趋势较为平滑，无突变及异常变化。

3.2 测量精度复核

3.2.1 传感器精度复核

采样时间：2010-05-21T00:00至05-21T11:47(见图1)；

机组状态：期间双机满发，未进行负荷调整(绿色曲线为机组负荷)；

压力测值：传感器显示压力由0.639 MPa下降为0.634 MPa，降低0.005 MPa；

实际水位：由467.85 m变为467.34 m，下降0.51 m。

传感器显示的水位变化值与实际水位变化相同，传感器测量误差<0.25 m，且传感器记录的压力曲线变化较为平滑，无明显异常及突变。验证结论：量测系统测量精度满足分析需要。

3.2.2 传感器精度复核

采样时间：2010-05-06T12:00至05-08T12:00；

机组状态：机组全停，未发电；

压力测值：传感器显示压力由0.669 MPa上升为0.688 MPa，升高0.019 MPa；

实际水位：由464.67 m变为466.59 m，上升1.92 m。

传感器显示的水位变化值(压力)与实际水位变化相同，传感器测量误差<0.25 m，且传感器记录的压力曲线变化较为平滑，无明显异常及突变。验证结论：量测系统测量精度满足分析需要。

3.2.3 传感器精度复核

采样时间：2010-05-10T12:00至05-11T12:00；

机组状态：期间机组全停，未发电；

压力测值：传感器显示压力由0.700 MPa上升为0.706 MPa，升高0.006 MPa；

实际水位：由467.80 m变为468.34 m，上升0.54 m。

传感器显示的水位变化值(压力)与实际水位变化相同，传感器测量误差<0.25 m，且传感器记录的压力曲线变化较为平滑，无明显异常及突变。验证结论：量测系统测量精度满足分析需要。

3.2.4 传感器精度复核结论

本次分析，随机选择了23个时段数据，采用同样的分析方法，对量测系统精度进行了复核，复核结论均为测量误差<0.25 m，满足分析需要。

3.3 量测系统压力损失分析

用于分析的2支传感器均进行了校验，其精度满足1.0 MPa±0.25%，为确保包含传感器、测压管路、旋塞等整体量测系统，满足数据分析要求，仍需对传感器数据进行核对性分析，其方法为：

3.3.1 量测系统压力损失分析

采样时间：2010-05-08T12:00；

机组状态：机组全停；

压力测值：0.688 MPa(=68.80 m)；

实际水位：466.59 m；

传感器安装高程：395.50 m；

量测系统压力损失：466.59-68.80-395.50=2.29 m。

3.3.2 量测系统压力损失分析

采样时间：2010-05-10T12:00；

机组状态：机组全停；

压力测值：0.700 MPa(=70.00 m)；

实际水位：467.80 m；

传感器安装高程：395.50 m；

量测系统压力损失：467.80-70.00-395.50=2.30 m。

3.3.3 量测系统压力损失分析

采样时间：2010-05-21T22:00；

机组状态：机组全停；

压力测值：0.695 MPa(=69.50 m)；

实际水位：467.26 m；

传感器安装高程：395.50 m；

量测系统压力损失：467.26-69.50-395.50=2.26 m。

量测系统压力损失，经过75次抽样计算，其测值分布在2.49～2.21 m，平均值约为2.29 m左右，本次分析时，我们采用2.30 m做为计算基础。

4 引水系统损耗分析[1-3]

4.1 双机工况分析1

采样时间：2010-05-21T04:00；

机组状态：双机发电82 MW；

压力测值：0.672 MPa(=67.20 m)；

实际水位：467.61 m。

根据特性曲线估算双机流量140.60 m3/s，每台机用水量约70.30 m3/s，蜗壳测压处水流流速为5.597 m3/s，按照能量守恒公式，计算蜗壳处的动能对应的势能水头为h=v2/2g=1.598 m。

引水隧洞及拦污栅总水头损耗：467.61-67.20-2.30-395.5-1.598=1.03 m。

4.2 双机工况分析2

采样时间：2010-06-11T10:53；

机组状态：双机发电97.9 MW；

压力测值：0.745 MPa(=74.50 m)；

实际水位：475.48 m；

根据特性曲线估算双机流量150.60 m3/s，每台机用水量约75.30 m3/s，蜗壳测压处水流流速为5.995 m3/s，按照能量守恒公式，计算蜗壳处的动能对应的势能水头为h=v2/2g=1.884 m。

引水隧洞及拦污栅总水头损耗：475.48-74.50-2.30-395.50-1.884=1.30 m。

4.3 双机工况分析3

采样时间：2010-05-21T15:00；

机组状态：双机发电60.0 MW；

压力测值：0.679 MPa(=67.90 m)；

实际水位：467.34 m。

根据特性曲线估算双机流量105.40 m3/s，每台机用水量约52.70 m3/s，蜗壳测压处水流流速为4.196 m3/s，按照能量守恒公式，计算蜗壳处的动能对应的势能水头为h=v2/2g=0.897 m。

引水隧洞及拦污栅总水头损耗：467.34-67.9-2.30-395.5-0.897=0.74 m。

4.4 单机工况分析1

采样时间：2010-05-22T03:00；

机组状态：单机发电40.5 MW；

压力测值：0.672 MPa(=67.20 m)；

实际水位：467.19 m。

根据特性曲线估算过机流量70.30 m3/s，蜗壳测压处水流流速为5.597 m3/s，按照能量守恒公式，计算蜗壳处的动能对应的势能水头为h=v2/2g=1.598 m。

引水隧洞及拦污栅总水头损耗：467.19-67.2-2.30-395.5-1.598=0.59 m。

4.5 数据分析成果[4]

根据监测数据可以拟合得到引水流量与水头损耗关系如图2，发电负荷与水头损耗关系如图3。

5 结论及建议[5]

根据数据分析成果，老渡口电站单机满发与双机满发两种工况比较，引水系统水力损耗0.60～0.70 m，尾水水位相差0.70～1.20 m，即：双机满负荷发电时，其总水头损失相差1.30～1.90m，约占设计水头73.00 m的1.78%～2.60%。

图2 引水流量与水头损耗关系曲线图

图3 发电负荷与水头损耗关系曲线图

近5年来，老渡口电站枯水期年均发电量近7 000万kWh，大部分时间均为双机满发工况，若单机满发时间占比增加50%，枯水期年可增加发电量60～90万kWh。

电站伏旱期、平水期等来水较少时期，也可以适当减少双机满发工况，增加单机满发时间，减少引水水力损失，预计可增加发电量50万kWh以上。

建议水电运营单位，在梯级流域联合调度、AGC及水库优化调度系统建设时，引水水力损耗也应作为重要的约束条件之一，以充分利用水能资源。