石门坪水电站发电效益提高的措施与分析

牛喜贵

(甘肃电投大容电力有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

1 概 述

石门坪水电站隶属于甘肃电投大容电力有限责任公司，位于甘肃省舟曲县两河口以东约3 km处的白龙江南岸，是1座低坝引水式小型水电站，距兰州市公路里程约390 km；设计引水流量130 m3/s，总装机容量15 MW，单机额定出力5 MW，年发电量8 026万kW·h。电站于2005年4月6日开工建设，2006年4月28日首台机组并网发电，9月2日3台机组全部投产发电。电站从项目开工建设到首台机组并网发电仅用了1 a时间，开创了干流主河床上一年建设投产的新记录，向社会展示了项目建设的“甘肃电投速度”。

2 基本情况及存在的问题

2.1 基本情况

石门坪水电站由首部枢纽、引水明渠、压力前池、发电厂房、尾水池、尾水排水明渠6部分组成。枢纽水库库容16万m3，无调节能力，设计年发电量为8 026万kW·h。

2.2 基本参数

电站前池水位1 222.80 m，尾水水位1 206.7 m，额定水头14.1 m，最大水头15.67 m，最小水头13.97 m，额定流量41.12 m3/s，额定转速187.5 r/min，飞逸转速465 r/min；水轮机型号为ZDJP502—LH—260，发电机型号为SF—5000—32/2450。

2.3 存在的问题

电站自2006年9月投产发电，截至改造前，机组出力最大为4.57 MW，总的出力最大在14.15 MW左右，未达到设计要求。改造前年发电量仅为5 135万kW·h，远远小于设计年发电量8 026万kW·h。

3 解决方案

3.1 基本思路

造成机组出力不足的原因有外在原因和内部原因两大类，根据N=9.81ηQH可知，外部原因主要是水头、流量两大因素；内部原因则主要是机组效率。

针对以上出力不足的问题，从根本原因查找分析，主要有3点：

一是电站引用流量不足，无法达到设计数值，导致机组出力不够。

二是电站水头不够，不能满足设计需要，无法达到额定出力。

三是机组效率不足引起出力不够。

3.2 原因分析

(1)电站上游是舟曲县城，河流经过县城和村庄，河道内有大量生活垃圾，垃圾会缠绕在前池的拦污栅上；尤其是汛期，大量的生活垃圾随着水流被带到引水前池，缠绕在拦污栅的栅条上。垃圾不能得到及时清理，会导致进水口面积减少，对机组进口流量产生影响。

虽然电站自动化程度不高，无法准确测量过机流量，但是汛期在同样来水量的情况下，清理拦污栅后机组出力明显增加，详见图1、图2。

图1 拦污栅栅体上的大量垃圾

图2 工作人员手工清理栅体上的垃圾

另外，电站在前池设计的拦污栅只有1套，当垃圾增多时，要清污就必须停机提起拦污栅清理垃圾。在主汛期，机组停机清污，也给电站带来一定量的发电损失。

(2)3台机组同时运行时，总过机流量达到最大值。在检查尾水排水明渠时发现，水流在尾水明渠末端进入河道时存在跌水现象及有0.5 m左右的水位差，0.5 m的水头损失占到有效水头的3.55%。

(3)机组为轴流定桨式水轮机，转轮叶片不能随流量的变化而改变角度，机组的最优工况区偏小，适应性不强。

3.3 解决方案

(1)及时清理拦污栅栅条上附着的生活垃圾。电站前池每孔进水口都设计有1组拦污栅，日常使用时，水流流经拦污栅，污物被拦污栅拦截至栅前；被拦截的污物较多时，栅前后会形成水位差，当水位差达到1.0 m时，需要停机提起栅体，人工清理栅体上的污物。清理完毕后，将栅体调入栅槽，重新开机，之后进行下一台拦污栅清理工作。这种操作方法在上游来水水质较好、河道内污物不多的电站较为适用。石门坪水电站上游居住着大量的居民，生活垃圾较多，尤其是在主汛期，需要24 h不间断的连续清污，清污效率低下；并且清污时，清污人员距离孔口近，有掉落的危险，存在一定的安全隐患。通过调研发现采用自动回转式清污机能有效解决上述问题。

(2)处理尾水水位跌落问题。机组发电后的尾水经尾水池、尾水明渠进入天然河道，在尾水明渠与天然河道交接处，河道内的沙石高于尾水明渠底部高程，水流流经此处时受到阻力，形成0.5 m左右的跌水即水位差。解决这一问题，主要是将河道内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，让水流平顺的进入河道。

(3)增加机组大流量时的效率，更加有效地利用水能。对于轴流定桨式机组，机组最优区域较窄，当机组偏离最优运行区域时，水流已非平顺的状态扰流叶片，叶片头部、背面脱流以及尾水涡带等都将影响水轮机效率。水流流量一定时，为最大限度的提高机组效率，需要找到机组在此流量下的最优叶片角度，使得机组效率达到最大值。

4 实施步骤

4.1 拦污栅改造

(1)将原有拦污栅拆除，利用原拦污栅槽作为清污机栅体边梁支撑。

(2)将原有拦污栅1.5 m宽工作孔口去除一部分混凝土工作面，使得孔口宽度达到1.85 m，以确保上下游齿耙回转和污物被清上时通过。

(3)清污机为垂直安装形式。清污机设计深度为9.5 m，孔口净宽7.0 m，栅条净间距为100 mm。

(4)清污机上部机架依靠栅体作为主要支撑，根据现场条件加固。

(5)由于受条件所限，清污机采用前池原拦污栅的吊装工具安装(包括现有的电动葫芦为2×160 kN)。

(6)栅体分段制造，以减轻吊装重量和方便运输。

(7)栅体和机头架安装固定完成后，安装清污机驱动部份和牵引链条、清污齿耙等。

(8)安装完毕后进行无水调试，检查回转齿耙与栅体之间、回转齿耙与底部副栅之间有无干涉，齿耙在整个回转过程中是否有卡阻现象。

(9)无水调试合格后，进行渠道放水，开启机组，进行有水调试，检查清污效果，详见图3、图4。

图3 安装自动回转式清污机

图4 调试清污机

4.2 尾水河道疏浚

(1)利用冬季枯水期来水量较小、清污机改造机组停机的时期，组织挖掘机对尾水河道内高于尾水明渠的部分进行挖掘清理。

(2)挖掘机由下游河道地势较平缓处进入河道，在距离尾水明渠出口上游侧5 m的地方开始清理，清理至明渠下游10 m的地方，清理深度大约为1 m，保证尾水明渠地面高程不低于河道内沙石高度。

(3)在尾水明渠出口上游侧5 m处设置1道拦沙导流坎，将上游侧来流所冲刷下来的沙石导入左侧河道，防止泥沙再次在尾水明渠出口段堆积，影响机组尾水排水。

4.3 增加机组效率

(1)经过计算，在汛期机组流量为41.12 m3/s时，单位流量为1.619 9 m3/s，单位转速为127.83 r/min；对应的机组效率在转轮叶片为+7°时达到最大值92.7%，比叶片在+5°时高出2个百分点，机组出力达到5.14 MW。

(2)为更加有效的利用水能，将原有的转轮叶片由+5°调整至+7°，增加机组效率。

(3)将机组分解，吊出主轴与转轮。

(4)分解主轴与转轮间的把合螺栓，将转轮放置在专用的安放工具之上。

(5)拆除叶片与转轮间的M36×2把合螺栓以及A30×70定位销。

(6)使用叶片吊具缓缓将叶片进行顺时针旋转，使得叶片出水边顶部与出水边下部在半径为1 292.2 mm处的对应两点高程达到835.6 mm，固定叶片位置。

(7)采用断续焊接的方式，将叶片枢轴根部与转轮体焊接为一体。焊接时在同一部位连续焊接长度不得超过5 mm，并且采用先焊上侧、再焊接下侧，然后焊接左侧，最后焊接右侧，4个点沿着顺时针方向交替进行的方式进行焊接固定。

(8)在焊接过程中，使用小锤对焊接部位进行敲击，以消除焊接所产生的应力。

(9)按照(6)及(7)的方法将转轮的5个叶片逐一调整并固定。

(10)使用封焊的方式将叶片原有的螺塞孔及销钉孔进行封堵，外侧与叶片枢轴表面平齐。

(11)按照检修工艺要求回装转轮，机组盘车数据合格，转轮叶片与转轮室之间间隙满足图纸要求。

5 实施效果

安装完自动回转式清污机后，不但解决了及时清污的问题，增加了过机流量，而且消除了清污过程中的安全隐患。

工作人员只需在控制箱处定期启动清污机，清污机电机会带动链条、齿耙，自动对栅体上的垃圾进行清理；随后，工作人员只需将垃圾转运至垃圾集中处理地方即可。工作人员远离孔口，消除了坠落的不安全隐患。同时，在清污过程中，清污机自动运行，链条带动齿耙自下而上的对拦污栅上附着的垃圾进行清理，拦污栅始终在水面以下，不需提起，机组不需要停机。

另一方面，通过对电站尾水疏浚工作，解决了尾水跌水问题，有效提高了机组的实际运行水头。而转轮叶片的改造则有效提高了机组主汛期单机发电量，提高了机组运行效率，使得3台机组同时运行时单台机组出力增加到5.14 MW，总出力达到15.14 MW。电站在同等来水流量的情况下，发电量显著增加，对比数据如表1所示。

表1 负荷对比表(以全年来水量最多的9月份数据进行对比)

近几年来，通过技术改造，使得电站累计发电量增加6 465万kW·h，详见表2。

表2 近几年增发电量及增加收入对比表

6 结 语

通过技术改造，不仅增加了主汛期单机的出力值，而且提高了电站年度发电量指标，近几年来由增发电量带来的直接经济效益达到149.7万元。

技术改造总体投入共计124.3万元，到目前不仅已收回投资成本，而且人工清污费用节省近30万元，收益额达到55.4万元。

近年来，白龙江年度来水量进入枯水年，收益额受到一定限制。在下一个丰水年，此项工作还将长期发挥作用，持续为电站带来经济收益。