纪村电站运行水头长时间低于设计水头原因分析

陈新立

（大唐陈村水力发电厂，安徽 泾县 242500）

1 电站概况

大唐陈村水电厂纪村水电站位于安徽泾县青弋江灌区总干渠末端，为青弋江综合利用配套工程，距泾县县城5 km。利用陈村水电站尾水，在溪口引水通过40 km的青弋江灌区总干渠到纪村，拦引徽水和区间水筑坝壅水，利用干渠末端与青弋江河道之落差发电。

纪村水电站装机2台，容量2×17 MW，均为轴流转桨式机组，压力前池正常挡水位54.81 m，相应库容21.7万m3，电站保证出力（90%）5 700 kW，年发电量1.65亿kW·h。

纪村站2台机于1976年投产运行，至今已运行40多年。由于多种原因，电站2台机组实际运行水头长期达不到额定水头，导致机组运行效率偏低。

2 机组基本参数

纪村水电站是引水式水电站，引水总干渠长度40.8 km，设计流量160 m3/s，水深5.6 m，比降1/20 000，边坡1∶2.5；压力前池正常挡水位54.81 m，相应库容21.7万m3，面积3.45万m2；东干渠渠首开挖后前池容积约增至30万m3，具有日调节能力。电站设计平均毛水头28.82 m，2台机发电设计尾水位26.3 m，发电最大引用流量144 m3/s，装机2×17 MW，装机利用小时5 070 h，电站水轮机为轴流转桨式，发电机为悬吊式，机组主要技术参数见表1所示。

表1 机组主要设备技术参数一览表

3 机组运行数据

2012年2台机发电时每小时运行水位（03月18日～11月05日），见表2所示。

表2 每小时运行水位

2012年2台机发电时毛水头水位（03月18日～11月05日），见表3所示。

表3 毛水头水位

2012年2台机发电时拦污栅差压（03月18日～11月05日，每天记录2次），见表4所示。

表4 拦污栅差压

2012年2台机发电时净水头（03月18日～11月05日），见表5所示。2012年03月～11月2台机每月发电运行时长，见表6所示。

表5 发电时净水头

表6 每月发电运行时长 单位：h

4 数据分析

2012年纪村站总发电量1.56亿kW·h，是继2000年以来发电量最多的一年。但是从上述数据可以看出，在2012年2台机长期发电运行期间，上游水位53.80～54.20 m时长，占全年运行比重的83.41%；下游水位26.20～26.60 m时长，占全年比重的82.58%；1号机净水头大于27.1 m时长仅占4.94%，1号机净水头时长25.9～27.1 m则占全年比重的85.154%；2号机净水头大于27.1 m时长仅占1.51%，净水头25.9～27.1 m时长则占全年比重的87.51%。也就是说2台机发电期间运行水头远远低于其设计的额定水头28.5 m，根据2010年纪村电站效率测试报告，1号机水头每降低1.5 m，出力减少约1 300 kW，效率降低约1%；2号机水头每降低1.5 m，出力减少约1 000 kW，效率降低约1%。按2012年1号机运行时长为5 388 h，2号机运行时长为6 364 h进行计算，损失电量1号机约为700万kW·h，2号机约为620万kW·h。综上所述，纪村电站每年因水头低造成损失电量约为1 320万kW·h。

5 原因分析

5.1 设计原因

纪村水电站是一个运行几十年的老电站。设计单位原水电部第十四工程局设计处，当时由于部分机构变动、设计人员分散调动，在红层地基上筑坝缺乏经验，初步设计深度不足。在施工过程中进行了大量的补充勘测和设计修改工作，补充的地质勘探、试验的工作量为初设阶段工作量的一倍以上；坝基开挖施工中，未按设计要求进行，在设计和施工方面存在一些问题。纪村水电站初步设计中确定坝型为混凝土重力坝，后经研究选用了中部7个坝段为混凝土重力坝，两岸则以均质土坝分别与笠帽山以及东干渠渠堤相接。技施阶段，根据天津发电设备厂技术说明书及同类型机组其他电站的安装情况，水轮机吸出高程原定-2.9 m更改为-3.9 m，水轮机安装高程改为22 m，比初设降低1 m。

纪村所用的水轮机为我国60～70年代的产品，不仅设计制造水平较落后，而且由于当时可选择的转轮型谱极少，选型时往往是就近套用，机组运行效率低，运行工况差。由于电站已运行几十年，机组设备在性能和结构方面都已陈旧、检修频繁。特别是转轮、导叶等部件由于空蚀和磨损，叶型遭到破坏，间隙增加而使效率下降。就纪村电站，转轮叶片与转轮室内壁气蚀严重，每年需要结合检修对气蚀部位进行补焊打磨处理。转轮叶片在多次修补后线型变化加剧，转轮室多个部位内壁已经脱空至混凝土层，补焊困难，影响了机组的安全运行与电厂的经济效益。

5.2 拦污栅的影响

纪村1号、2号机拦污栅均为栅格式拦污栅，栅格间距符合国家标准，清污方式为停机时手动清污。另外，纪村水电站以上，陈村水库以下、溪口拦河坝以上和总干渠右岸所控制的区间面积约600 km2，支流徽水在黄村拦河坝以上约1 000 km2。引水渠道穿过高清技术开发区及大量生活区，存在大量的生产生活垃圾；特别是汛期大量的枯树枝和生产生活垃圾顺流而下，造成拦污栅堵塞严重，使拦污栅前后水压差大大超过设计值。从上述数据可以看出，1号机拦污栅差压0.7～1.3 m时长，占全年比重的75.21%；2号机拦污栅差压0.7～1.3 m时长，占全年比重的82.03%。此外2台机运行时间方面，2012年最长的月份为7月份，但是当月因为清污，1号机停机2次累计3 h，2号机停机2次累计4 h。也就是说因为拦污栅清污需要，每月最少要停机2次，因停机清污损失电量每月最少约为20万kW·h。

5.3 尾水的影响

两台机发电设计尾水位26.3 m。但从上述数据可以看出尾水高于26.4 m时长占全年比重的52.46%，也就是说纪村电站2台机发电运行时下游尾水位超过一半时间是高于设计水位的。究其原因，其一是电站下游存在大量的采砂场，严重破坏了下游河床，不但抬高了下游水位，影响了水轮机出口流速，而且加大了尾水涡带，间接加大了机组振动；其二是电站设计时未充分考虑到自然条件及周围生产生活条件的变化，电站下游与青弋江主河道相连，当大量降雨或溪口闸发生弃水时，就会抬高纪村电站下游水位。

5.4 渠道的影响

由于纪村电站上游存在大量耗水量大的农业企业，工农业用水量突飞猛进。另外，随着人们生活质量的提高，生活用水、环境用水、生态用水等过去设计电站时忽略的部分消耗也一天比一天增多。最明显的就是纪村上游东干渠每年要进行开闸泄水，以满足附近居民的生活生产需要。再加上渠道的水平高度有很长一段高于县城，为了满足多方面需求，渠道在建成后，一直无法达到设计水位，导致纪村站水轮机长期低于额定水头运行。

6 解决建议

6.1 水轮机转轮改型

由于纪村水电站是一个在60～70年代边勘测、边设计、边施工的“三边”工程。轮机转轮的设计制造与使用条件相脱节。造成水轮机转轮效率低，与90年代国内外先进转轮相比，差距很大，真机效率约低2%～5%以上，造成可利用资源的巨大浪费。另外，由于机电设备落后、技术老化、机组设计水平低、制造工艺差、技术参数低，以及部件老化机组出力受阻和自然条件的变化，已不能充分利用已开发的水力资源，从而造成水力资源的再度浪费。再加上电力资源的迫切需要，有必要对水轮机进行改型，以提高机组效率，改善机组运行的安全稳定性。

从经济角度分析，进行水轮机转轮的改造与新建电站相比，投资较少，见效很快，经济效益很高。从技术角度来看，近年来计算机技术、流体机械三维流动分析与设计理论、通讯与传感器技术、现代控制理论和机械加工技术等都已取得了很大的进步，使得现代转轮的设计、测试和制造方面都取得了长足进步。新的设计方法可以针对某一电站进行专门的设计与制造，可以保证电站选出适合自己电站条件的最优水轮机类型，从而达到最佳运行效果，取得最大经济效益。另外，同梯级的陈村电站3号机的技术改造的成功，为纪村电站的水轮机改型积累了不少经验，为纪村电站的改型成功奠定了基础。

6.2 采用新的拦污栅清污方式

为减轻进水口拦污栅的排污压力，纪村上游设有浮箱拦污，可以在不停机的情况下，利用溢洪道向下游泄流时将污物引至下游，一定程度上减少了停机次数。但其清污效果并不是特别理想，很多时候还要停机清污。因此为提高清污效果，减少停机时间，可以考虑采用电动或手动清污装置，如耙斗式、曲臂式或回转式清污机等。

6.3 陈纪优化调度

由于自然条件、民众生活、多部门协调困难等多种因素影响，使纪村上游渠道、下游尾水的改变成为不可能。为尽可能降低渠道水位低造成的损失，电站专门制定了陈纪联合优化调度政策，分析区间来水和陈村尾水情况，随时监视黄村与溪口水位变化，及时联系溪口闸调节闸门，控制渠道流量，保证纪村充分利用每一方水。另外，电站有关部门积极与地方政府协调，尽可能地抬高渠道水位。

7 结束语

纪村电站长时间低于设计水头运行，是由于机组选型不合理、拦污栅堵塞严重、渠道长时间低于额定水位运行、下游水位高等多方面因素造成的。要解决这一现状最主要的方法是对水轮机转轮进行改型，因为水轮机转轮是水电站的主要设备之一，其性能的优劣对合理开发水能、提高水电站运行可靠性和经济学有着巨大影响。其次是更改拦污栅清污方式，采用自动清污机，尽量减少因停机清污造成的损失。最后积极执行现行的优化调度政策，探索最优化的调度方案，充分利用区间来水与陈村尾水。