低水位运行对水工建筑物和机组运行的影响

王永春，邵锡福

(吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林 白山 134500)

低水位运行对水工建筑物和机组运行的影响

王永春，邵锡福

(吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林 白山 134500)

1 双沟电站及其生态流量泄放工程概况

1.1 双沟电站概况

松江河梯级水电站由小山、双沟、石龙3座水电站及松山引水工程组成。其中双沟水电站为松江河梯级电站第2级电站，距上游小山水电站37 km。该电站安装2台单机容量为140 MW的混流半伞式水轮发电机组。水库正常蓄水位为585 m，死水位为567 m，为多年调节水库，是一座引水式电站。该电站是以发电为主，兼有防洪任务的大(Ⅱ)型水利水电工程。

1.2 双沟电站生态流量泄放流工程概况

双沟电站生态流量泄放流工程是在河道左岸溢洪道堰前100 m处，布置内径为2 m的生态泄水隧洞。隧洞主要由进口引水段、竖井消能段及后部导流明渠出水段3部分组成。在竖井内设置检修闸门和弧门各1套，通过控制弧形闸门开度以保证生态泄放流量为4.4 m3/s。为配合双沟生态泄放流工程施工，详细分析了水库低水位运行对机组、水工建筑物和发电量的影响，并制定了施工及运行的控制措施。

2 低水位运行对水工建筑物的影响分析

双沟水电站生态流量泄放工程进水口前缘底高程为564.1 m，为确保生态流量泄放工程引水洞进水口岩体能在水面上开挖施工，需将水库水位降低至564.1 m以下。同时，在施工期间还要通过引水发电隧洞继续发电。在引水发电过程中，为避免进口产生吸气漏斗，防止隧洞内发生气蚀破坏，引水发电隧洞的发电流量应小于相应水位对应的流量。

经计算，引水发电隧洞在水位降至563.5 m时，进口淹没深度为6.6 m，隧洞发电流量为221.19 m3/s。因此，在隧洞水位降至563.5 m时，为防止发生气蚀破坏，隧洞发电流量应小于221.19 m3/s。

按照上述所要求的流量进行引水发电，不会对水工建筑物产生影响。

3 低水位运行对机组安全运行的影响分析

3.1 上游水位降低后的水头分析

上游水位按563 m，单台机流量Q按149 m3/s计算，下游水位为478.4 m，此时的水头损失为：△h=1.033 37×104×Q2=2.29 m。

则水轮机运行水头为：

Hmin=563-478.4-2.29=82.31 m。

3.2 水头变幅分析

采用(Hmax-Hmin)/Hd，Hmax/Hd，Hmin/Hd来表征混流式水轮机的水头变幅与水轮机设计水头的关系。一般工程要求(Hmax-Hmin)/Hd不宜超过30 %～40 %。低水头时取大值，高水头时取小值。

3.3 上游水位降低后对压力脉动的影响

水轮机运行水头的降低，最高单位转速由81.35 r/min增至82.67 r/min。从模型试验结果看，最高单位转速增加后，尾水管、导叶后转轮前和顶盖的压力脉动相对幅值会略有增大，但增加的幅度很小，不会对机组的安全稳定运行造成影响。

对双沟电站，模型最优单位转速为73 r/min，设计水头Hd为105.6 m，此时(Hmax-Hmin)/Hd= 21.3 %，Hmin/Hd=0.805。

当上游水位降低至563 m时，根据计算，(Hmax-Hmin)/Hd=23.85 %， Hmin/Hd=0.779。

因此，当上游水位降低至563 m时，水头变幅在水轮机稳定运行的经验范围内。

3.4 上游水位降低后水轮机运行吸出高度复核

下游水位为478.4 m，此时的吸出高度Hs= 473.8-478.4=-4.6 m，装置空化系数为0.17。从模型试验结果可知，对应单位转速82.67 r/min，单位流量1.024 m3/s时的临界空化系数为0.105，初生空化系数约0.19，则安全系数K=0.17/0.105= 1.62。如果只按1台机组运行，则下游尾水位为477.7 m，装置空化系数为0.162，安全系数K=1.54。

双沟电站在额定水头97 m，额定出力142.9 MW，1台机组运行时，水轮机吸出高度Hs=-4 m，临界空化系数为0.102，初生空化系数约为0.167，装置空化系数为0.138 9，安全系数K=0.138 9/0.102=1.36。虽然装置空化系数未能大于初生空化系数，机组不能完全在无空化状态下运行，但水轮机的空化系数大于额定水头工况，因此，水轮机的空化情况在上游水位降低后好于额定水头工况。

可见，水位在563 m时，单台机组最大保证出力为111.5 MW，流量为149 m3/s。此时水头变幅在水轮机安全运行的经验范围内；尾水管、导叶后转轮前和顶盖压力脉动相对幅值会增大，但增加幅度很小，不会对机组安全运行造成影响；水轮机空化情况好于额定水头工况，机组可以安全运行。

4 低水位运行施工限制及安全运行控制措施

(1) 施工限制。施工期间，双沟水库水位控制在563.5 m以下运行。

(2) 流量限制。水位在563.5 m时，发电流量要低于221.19 m3/s。

(3) 出力限制。水位在563.5 m，引水流量低于220 m3/s的情况下，电站最大出力可以达到167.6 MW；2台机组平均最大出力可以达到83.8 MW；单机最大出力可以达到110 MW。

(4) 加强机组日常维护检查，尤其是水轮机部分的螺栓紧固情况，确保在压力脉动相对幅值增大情况下，机组安全稳定运行。

(5) 加强运行监视和控制。做好汛期来水预测和短期洪水预报，在上述长期计划的基础上，合理安排短期发电调度计划，单台机组出力要限制在110 MW以下运行，电站最大出力要限制在167.6 MW以下，2台机最大流量要限制在220 m3/s及以下运行。

双沟电站机组在水位降低后严格按照上述措施执行，机组运行稳定。生态流量泄放工程施工完成后，在机组检修中对引水隧洞进行检查，没有发现异常，说明施工期的控制措施可行。

2013-06-17。

王永春(1973-)，男，工程师，主要从事水轮发电机组运行工作。

邵锡福(1973-)，男，高级工程师，主要从事生产技术部门水机管理工作。