摘要：云峰厂仅1990年至今就有80多亿立方米弃水，据多年来水量统计有增加机组的的可能性。同时可提高运行的灵活性，经济性，和可靠性。本文仅对采用一洞三机的特殊运行方式的可行性做简单探讨。
关键词：一洞三机；隧洞；压力钢管；调压井；水轮发电机；厂房；吊车；变压器；输电线路；辅助设备
引言
云峰电厂是坐落在鸭绿江上的一座老厂，系国际电站。2000年四台机组分别进行增容改造。每台机组的容量由原来的10万千瓦时增至11.5万千瓦时。根据一九九零年至今的水文资料，仍要大量弃水，要有80多亿立方米。在资源的充分利用方面仍不尽人意。在则由于朝方电力匮乏等原因，系统频率严重偏离额定工况60Hz，经常运行在45—50Hz之间甚至低于45Hz.尤其在汛期大发电期间，60Hz机组负荷高于7万千瓦时则震动异常，经常发生过速、跳闸、定子穿心螺杆折断、系统管路破坏等不安全现象，严重影响安全生产，增加维修量。若汛期来水不在短期内消耗，必要大量弃水，造成浪费。在则云峰厂四台机组均为11.5万千瓦时，通常在枯水期带小量负荷，例如1—5万千瓦时。此时若有小的新机组投入运行，则即减少维护量又能提高供电的可靠性和灵活性，大大降低运行成本。
据以上原因可增加两台容量五万千瓦时的机组。在此仅对增加一台作以说明。即在一号机组西侧增加一台5万千瓦时的机组。为说明方便，暂命名为5号机。
1.5号机组取水口的解决
根据原始资料记载，一号隧洞长约700米。其衬砌后的内径为8.6米进口中心线的高程为272.5米。隧洞末端设有调压井一座，衬砌后的内径21.4米，升管直徑与隧洞直径相同为8.6米。调压井高度为58.7米。调压井之后接两条平行的压力管道，其中心间距18米，衬砌后的内径为5.3米压力管道长约200米，蝴蝶阀设在压力管道上水平段。阀室设有50t桥式起重机。隧洞沿途断层地质条件很好。可保证厂房和变电站安全。隧动末端中心线高程为267.75米。原设计采用一洞四机运行方式。考虑多种因素，采用了一洞二机的运行方式。
由以上数据可得结论：
一号隧洞内径D=8.6m，则其过流面积S为：
S隧洞=1/4πD2=0.25×3.14×8.62=58.0586m2
一号机钢管内径d1=5.3m，则钢管的过流面积S为：
S1钢管=1/4πd12=0.25×3.14×5.32=22.05m2
同样S2钢管=1/4πd22=0.25×3.14×5.32=22.05m2
所以S隧洞-S1钢管-S2钢管=58.0586-22.05-22.05=14.0 m2
由此得出隧洞过流面积与其所带的两条压力钢管过流面积之和的差为14.0m.
将节余的14m2的过流面积换算为新钢管的直径D余得：
D余= √S余钢管/1/4π=4.22 m
因此若由一号隧洞再引一条不大于4.22m的钢管，即5号机钢管，不会影响隧洞供给各条钢管的流量，不会造成空腔，也不会影响升管为8.6 m的调压井的正常运行。因此可在中心高程为267.75米处，1号隧洞西侧进行接口取水。
2.5号机组出力及压力管道直径和走向的确定。
初步设定5号机组5万千瓦时
钢管直径的d5可按彭德舒公式计算；
其中Qmax—最大工作流量和H—设计水头89没
根据公式N=9.81QH ŋ水轮机发电机总效率取0.9
Qmax=N/9.81H ŋ=50000/9.81×89×0.9=63.6=64m3/s则；
=3.96=4.0m
因此5号机组钢管直径可选4.0米
5号压力管道可选择与一号压力管道平行的方式。由西侧开挖仍采用隧洞式压力管道。外壁焊接刚性环，与岩石之间回填混凝土并进行压力灌浆，这样运行起来安全可靠。
3.主阀室布置
5号机组仍可采用蝴蝶阀在阀室西侧向外开挖，阀室吊车轨道可延长。附属设备可采用相应的就近合理布置或进行必要的改造如风系统，油系统的管路。
4.水轮机，发电机的布置
水轮机的选型可进一步论证对厂房西侧作相应的扩建，变频机及部分配电设备作相应的移位或改动。同时对吊车进行轨道的延伸等处理。
5.附属设备的运用
油、水、风三大系统可采用合理配置或就近取用。
6.变压器的布置及输电线路的改造
由于厂房的改动，对21B.23B及51B.53B做相应的移位.合理布置.同时对云卧线，云水线做相应改造。
7.安装5号机组对1号隧洞及1、2号压力钢管的影响
安装5号机后，因一号隧洞总流量增加，所以一号隧洞的流速必然增加难免要增加一定的水头损失。1、2号机的效率会有一定变化。在此仅以设计水头89米的情况做简单计算：
安装5号机组之前1号隧洞流速V隧洞，1号钢管流速V1钢管，2号钢管流速V2钢管分别为：
其中已知Q1= Q2=135m3/s（规程中已列出）
则：
V1钢管=V2钢管= Q1/S1=135/1/4πd12 =135/22.05=6.1m/s
V隧洞=（ Q1+ Q2）/S隧洞=（135+135）/1/4πD2=270/58.0586=4.65m/s
安装5号机组之后，计算如下：
其中5号机组设计流量Q5=64 m3/s（前已算过）
则： V1钢管= V2钢管=6.1m/s
V隧洞=（ Q1+ Q2 + Q5）/S隧洞=（135+135+64）/58.0586=5.75m/s
V5钢管= Q5/S5钢管=64/12.56=5.1m/s
由计算得知安装5号机组后隧洞流速由4.65m/s增至5.75 m/s，增加了1.10m/s .1号，2号钢管流速不变.
8.1号隧洞流速增加1.10 m/s对1、2号机组出力的影响（以1号机组为例）
隧洞沿程水头损失的计算：
安装5号机组之前：
由达西--魏斯巴哈公式 hf=λ×l/d×V2/2g计算隧洞沿程水头损失。
由曼宁公式C=1/n×R1/6其中隧洞糙率值n=0.013.水力半径R=1/4D=0.25×8.6=2.15米
则C=1/0.013×2.151/6=1.13607×76.923=87.3899米1/2/s
由公式λ=8g/C2得：
λ=（8×9.8）/87.38992=0.010
所以 hf前=λ×l/d×V2/2g=0.010×700/8.6×4.652/19.6=0.8979m
安装5号机后：
hf后=0.010×700/8.6×5.752/19.6=1.373m
安装5号机前后隧洞沿程水头损失差为：
hf后- hf前=1.373-0.8979=0.475m
安装5号机前后隧洞入口处局部水头损失差为：
入口处局部水头损失可安公式hJ=£× V2/2g 因进口采用完全修圆故局部水头损失系数£ 取0.05则：
hJ前=£×V12/2g=0.05×4.652/19.6=0.055m
hJ后=£×V22/2g=0.05×5.752/19.6=0.0843m
所以：
hJ后-hJ前=0.0843-0.055=0.0293m
因此安装5号机后所增加的水头损失为：
∑hf=0.475+0.0293=0.5043m
由公式N=9.81QHŋ=（Q=135m3/s H=89 N=100000kwh）得：
ŋ=N/9.81QH=100000/117867.15=0.84841281
当H=89-0.5043=88.4957时
则：N=9.81×135×88.4957×0.84841281=99433.37kwh
所以机组出力减少值为：
N减=100000-99433.37=566.63kwh
ŋ后=N/9.81QH=99433.37/117867.15=0.8436
所以效率下降值为：
ŋ降=ŋ-ŋ后=0.84841281-0.843605449=0.0048=0.48﹪
通过以上计算结果说明，在安装5号机组后，在设计水头下1、2、5号三台机组同时满发1、2号机组的效率要下降0.48﹪.当然从装设5号机的综合意义上讲所造成的负面影响与其正面作用相比利远大于弊.况且三台机组同时满发只能在汛期发生.
9.安装5号机组的经济性及优越性
①.利用原始设计的压力隧洞。减小隧洞开挖的大量工程和时间同时在水工建筑方面，不用另设取水闸门，不用安装大坝吊车，不需要单独对大坝水工建筑的维护.调压井可共同使用。
②.主阀室不需另建厂房无需另设阀室吊车。只需对主阀室进行一定的扩充便可以。阀室内的油、风系统及厂用电可并接使用而且维护方便，大量节约开支。
③.主厂房稍做扩充改造，对小部分设备稍做移位。就可于其它机组共同使用厂房吊车。厂用电、空压机、深井泵、集水井等附属设备。
④.尾水部分的开挖也可大减工程，与其它机组一样共同使用尾水门吊车。
⑤.配电室及变电站做相应的扩充和改动，5号机组便可就近并入系统。
⑥.若按每年讯期4~10月期间五号机满发，电价按0.15元/千瓦时计算则得到这样一个结果（按设计水位计算）：
50000千瓦时×24小时×7个月×30天×0.15元=37800000元。此即为年超发电毛利润。
⑦.提高运行的灵活性。冬季我厂多数以带小负荷调频为主。通常负荷5万千瓦时以下。这时候启动小的新机组，大机组备用，既减少维护量，又提高安全系数，也提高工作效率。
⑧.汛期时，因朝方机组高负荷时震动强烈。而来水量又大，此时5号机更能发挥它的积极作用.充分利用水利资源。
⑨.可作备用机组。
结语
通过以上简单说明,希望能得到各级领导的支持。同时希望4号机组东侧6号机组的安装早日实现。
论文作者:王恒文
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/13
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