石門坪水電站發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，年發電量8 026萬kW·h。電站于2005年4月6日開工建設，2006年4月28日首臺機組并網發電，9月2日3臺機組全部投產發電。電站從項目開工建設到首臺機組并網發電僅用了1 a時間，開創了干流主河床上一年建設投產的新記錄，向社會展示了項目建設的“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，無調節能力，設計年發電量為8 026萬kW·h。

2.2 基本參數

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，額定轉速187.5 r/min，飛逸轉速465 r/min；水輪機型號為ZDJP502—LH—260，發電機型號為SF—5000—32/2450。

2.3 存在的問題

電站自2006年9月投產發電，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，未達到設計要求。改造前年發電量僅為5 135萬kW·h，遠遠小于設計年發電量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部原因兩大類，根據N=9.81ηQH可知，外部原因主要是水頭、流量兩大因素；內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，無法達到設計數值，導致機組出力不夠。

二是電站水頭不夠，不能滿足設計需要，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，河流經過縣城和村莊，河道內有大量生活垃圾，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，會導致進水口面積減少，對機組進口流量產生影響。

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現，水流在尾水明渠末端進入河道時存在跌水現象及有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，轉輪葉片不能隨流量的變化而改變角度，機組的最優工況區偏小，適應性不強。

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計有1組攔污柵，日常使用時，水流流經攔污柵，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較好、河道內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。通過調研發現采用自動回轉式清污機能有效解決上述問題。

(2)處理尾水水位跌落問題。機組發電后的尾水經尾水池、尾水明渠進入天然河道，在尾水明渠與天然河道交接處，河道內的沙石高于尾水明渠底部高程，水流流經此處時受到阻力，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，機組最優區域較窄，當機組偏離最優運行區域時，水流已非平順的狀態擾流葉片，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和污物被清上時通過。

(3)清污機為垂直安裝形式。清污機設計深度為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，根據現場條件加固。

(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，安裝清污機驅動部份和牽引鏈條、清污齒耙等。

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

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

圖3 安裝自動回轉式清污機

圖4 調試清污機

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沙石高度。

(3)在尾水明渠出口上游側5 m處設置1道攔沙導流坎，將上游側來流所沖刷下來的沙石導入左側河道，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，單位轉速為127.83 r/min；對應的機組效率在轉輪葉片為+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，將原有的轉輪葉片由+5°調整至+7°，增加機組效率。

(3)將機組分解，吊出主軸與轉輪。

(4)分解主軸與轉輪間的把合螺栓，將轉輪放置在專用的安放工具之上。

(5)拆除葉片與轉輪間的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，使得葉片出水邊頂部與出水邊下部在半徑為1 292.2 mm處的對應兩點高程達到835.6 mm，固定葉片位置。

(7)采用斷續焊接的方式，將葉片樞軸根部與轉輪體焊接為一體。焊接時在同一部位連續焊接長度不得超過5 mm，并且采用先焊上側、再焊接下側，然后焊接左側，最后焊接右側，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，以消除焊接所產生的應力。

(9)按照(6)及(7)的方法將轉輪的5個葉片逐一調整并固定。

(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，外側與葉片樞軸表面平齊。

(11)按照檢修工藝要求回裝轉輪，機組盤車數據合格，轉輪葉片與轉輪室之間間隙滿足圖紙要求。

5 實施效果

安裝完自動回轉式清污機后，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。而轉輪葉片的改造則有效提高了機組主汛期單機發電量，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，發電量顯著增加，對比數據如表1所示。

表1 負荷對比表(以全年來水量最多的9月份數據進行對比)

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

表2 近幾年增發電量及增加收入對比表

6 結 語

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

技術改造總體投入共計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揮作用，持續為電站帶來經濟收益。