黄花寨水电站额定水头选取及稳定性分析

2012-10-24葛曦

黑龙江水利科技 2012年11期

关键词：补气转轮水轮机

葛曦

( 贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳550002)

1 概述

贵州蒙江黄花寨水电站是红水河左岸一级支流蒙江干流规划开发的第三级水电站，位于贵州省黔南布依族苗族自治州长顺县境内，地处蒙江干流河段上格凸河下游。电站交通条件较好，工程区距长顺县城75 km，距贵阳市150 km。

黄花寨电站投产后并入主网，无近区供电。电站主要任务是发电。

电站采用“无人值班”(少人值守)的计算机监控运行方式。

本电站厂房为坝后式地面厂房，引水发电系统为“一洞一管两机”布置形式。最高水头为90.47 m，加权平均水头为77.68 m，最低水头为59.48 m，装机容量2 ×30 MW。

2 额定水头的选择

本电站水头变幅较大，Hmax/Hmin=1.52，水头变幅过大的的电站，水轮机的运行稳定性和转轮裂纹问题都比较突出，如塔贝拉、潘家口常规机组、小浪底、岩滩等电站，因此在选型设计中应加以重视，提高机组的运行稳定性。

混流式水轮机的运行稳定性与设计水头有很大的关系，电站的运行水头如果偏离设计水头的幅度越大，那么机组的稳定性就越差，因此，在机组选型时，应尽量使运行水头接近设计水头，对于水头变幅大的电站，则应选择“鸭蛋”较长的综合特性曲线。额定水头的选取与水能利用、机组设备投资、机组稳定运行、土建投资、发电量等多种因素息息相关，在装机容量确定之后，若选取的额定水头偏高，则机组出力受阻会更明显，反之，若选取的额定水头偏低，受阻容量就较小，但是机组投资又会增大。因此需要从电站实际情况出发，以水头出现频率为基础，充分分析水头比重后，结合厂房开挖等因素综合考虑，以确定一个经济合理的额定水头，从而平衡机组出力与机组运行稳定性之间的关系。

水轮机的水力性能包括了能量、气蚀、稳定性三大性能，其中，以稳定性为重，再好的能量指标和气蚀性能首先需要良好的稳定性才能得以体现。若机组的稳定性差，压力脉动、机组振动等不稳定因素往往会导致转轮叶片开裂，止漏环脱落，尾水管的金属里衬损坏，轴承、密封等松动损坏等现象，有些稳定性差的电站，机组无法并入电网运行。

额定水头Hr的选择涉及到水能利用、机组设备投资、机组稳定运行等多种因素，因此工作水头( Hmax、Hr、Hmin) 应在合理范围内，一般Hr=(0.95 ～1.0) Hav。黄花寨电站联合运行死水位770 m 不同水头不同出力出现机率见表1。

表1 不同水头不同出力出现机率表

续表1

由表1 可见，本电站在高水头段运行机率较大，85m 水头以上为35.1%，75 m 水头以上为63.6%。通过以72、75、77.5 m 作额定水头比较可以得出，额定水头越高，机组尺寸越小和厂房土建投资减小。

就本电站水头特性而言，电站在高水头段运行频率较高，据表1 统计，电站在90.32－85 m 水头段，90% ＜N≤100%Nr出现的几率较多，因此在选择额定水头时，应充分考虑高水头段运行的空蚀性能和稳定性以及机组的加权平均效率，若额定水头选取太低，则在高水头工况时，机组的导叶开度过小，如此时开度低于全开度的70%，水力稳定性能就比较差，负荷的调节范围也很小，这对机组稳定运行非常不利。一般为了保证高水头工况的稳定运行，同时提高高水头工况的负荷调节能力，在额定水头选取时应尽可能接近加权平均水头。

另外，统计国内外水电站发现，当水轮机的水头比Hmax/Hmin≤1.5、Hmax/Hr≤1.2 或Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15，其水轮机运行稳定性都比较好，如伊泰普电站( Hmax/Hmin=1.53，Hmax/Hr= 1. 122) 、萨彦舒申斯克电站( Hmax/Hmin=1.257，Hmax/Hr=1.134) 、麦卡( Hmax/ Hmin=1.39，Hmax/Hr=1.08) 及国内的李家峡( Hmax/Hmin=1.184，Hmax/Hr=1.11) 、天生桥二级( Hmax/ Hmin= 1. 172，Hmax/Hr= 1. 159) 、二滩( Hmax/Hmin= 1. 4，Hmax/Hr= 1. 145) 、乌江渡( Hmax/Hmin=1.42，Hmax/Hr=1.118);当水轮机的水头比Hmax/Hmin＞1.6，Hmax/Hr＞1.2 时运行稳定性都较差，如大古力Ⅲ和五强溪等。

本电站Hmax/Hmin=1.5，Hmax/Hr=1.165，因此黄花寨水电站按77.5 m 额定水头进行水轮机选型设计是合适的。

3 提高运行稳定性的措施

就本电站而言，水头变幅过大，结合工程实际，可采取以下措施以提高机组运行的稳定性:

1) 水轮机参数的选择。通过对已运行电站的统计可以看出，水轮机运行的最稳定区域是在最优工况点和无涡区，由表1 可见，本站在90.32 ～85 m 水头段，90% ＜N≤100%Nr时运行的几率最大，为11.8%，因此，水轮机在参数选择时，应重点考虑将90.32 ～85 m 水头段时30 MW 出力位于最优工况点和无涡区。

2) 吸出高度的控制。水轮机的水力稳定与吸出高度有很大的关系，吸出高度最终反映在机组安装高程上，安装高程过低将会增加厂房土建开挖工程量，如过高，则水轮机的气蚀性能降低，不利于机组的稳定运行。据统计，吸出高度裕量大的电站( 即安装高程低) ，运行稳定性普遍较好。

3) 稳定运行的水头范围。通过对已运行的电站进行统计和分析表明，当电站实际运行水头H 与水轮机设计水头H0的关系如下时:(0.6 ～0.65) H0≤H≤(1.1 ～1.15) H0，机组是能够稳定运行的。而且随着运行水头H 偏离H0越大就越不稳定。水头过低常常会导致叶片进水边的正面产生脱流空化涡带，水头过高也会导致叶片进水边的背面产生脱流空化涡带和叶道涡，相比而言，背面产生的脱流空化涡带和叶道涡更为严重。

4) 适当的补气方式。通过补气能降低涡带压力脉动，目前较常见的补气方式有大轴中心孔补气、顶盖补气、尾水管补气。需根据机组实际情况进行确定，补气效果好的大轴中心孔补气需要机组主轴的直径满足要求才能布置，顶盖补气效果也很好。

5)避振运行。极低负荷区:转轮出口的水流具有正环量，此时虽然振动不大，但机组效率太低，除空载工况外，一般限制在该区域运行;部分负荷区:该区域压力脉动幅值较大，频率低，这与转轮下方的旋转涡带有关，如不采取有效的补气措施，大轴中心孔和顶盖补气效果较好，不建议在该区域长期运行;高部分负荷区:大部分ns≥200 m·kW 的混流式水轮机，在各水头下最优流量的60% ～90%工况下有高于转频的压力脉动出现;最优效率区:水轮机在该区域效率高，转轮下方无旋转涡带，机组运行最稳定，一般也称之为无涡区，可长期运行;满负荷区:转轮下方有柱状的涡带，但机组运行还是比较稳定的;超负荷区:水轮机的压力脉动较大，同时空蚀加剧，部分转轮在此时会出现第二振动区。

6) 过流部件材质及加工工艺。提高水轮机顶盖、座环、主轴等主要部件的刚度、强度，转轮采用抗空蚀、抗磨蚀和具有良好焊接性能的不锈钢材料制造，叶片采用坐标镗床数控加工，提高机组制造、安装质量。