北本水电站贯流式机组安装高程分析

2016-11-02王胜华

水电站机电技术 2016年2期

关键词：转轮空化水轮机

王胜华

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司机电分院，云南昆明650051）

北本水电站贯流式机组安装高程分析

王胜华

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司机电分院，云南昆明650051）

北本水电站在低水头电站中，水头较高，水头变幅大，是系统中的主力电站。在现阶段机型未定的情况下，参考国内外同类机组参数，并根据厂家研究资料，通过分析、论证确定现阶段机组参数。

空化系数；安装高程

1　电站概况

北本水电站位于湄公河（Nam Mekong）上游河段、老挝北部乌多姆赛（Oudomxay）省北本（Pak Beng）县境内，为湄公河水电开发规划的第一级水电站，电站地理座标为东经101°01′12″，北纬19° 50′45″。电站坝址在北本县城上游约14 km处，目前尚无公路到达坝址，从北本县城到坝址的交通依靠航运。

北本县城位于湄公河左岸支流南奔河（Nam Beng）与湄公河汇口的上游，是湄公河上的商贸、旅游集散地之一，距乌多姆赛省省城孟赛（M.Xai）的公路里程约143km。孟赛距老挝首都万象（Vientiane）公路里程约575km，距中国边境公路里程约112km。老挝国道13号公路贯穿万象至老挝北部，中间经孟赛连接中国境内磨憨镇。

2　电站自然条件

（1）水位

上游水库校核洪水位343.81m

上游水库正常蓄水位340.00m

上游水库死水位333.00m

16台机满发尾水位320.588m

6台机满发尾水位311.918m

最低尾水位（最小流量）307.50m

下游校核洪水位342.94m

（2）水头

最大水头28m

加权平均水头22.78m

最小水头7.5m

（3）流量

电站额定引用流量5 961m3/s

（4）泥沙

汛期（5~10月）平均过机含沙量0.49 kg/m3

年平均过机含沙量0.38 kg/m3

（5）气象

极端最高温度44.4℃

极端最低气温3.4℃

年平均最大湿度96.8%

年平均最小湿度20%

（6）坝址水位/流量（见下页表1）

（7）电站特性

装机容量912MW

多年平均发电量4.959×109 kW·h

保证出力373.5MW

年利用小时数5 438 h

（8）地震烈度：Ⅶ度

3　空化系数选择

3.1机组参数

农村土地流转是指农村家庭承包的土地通过合法的形式，保留承包权，将经营权转给其他农户或其他经济组织的行为。一般以土地承包经营权流转、集体建设用地使用权流转、宅基地使用权流转三种形式存在。

本电站采用灯泡贯流式。原型水轮机发电机基本参数如下页表2、表3。

表2　水轮机基本参数

表3　发电机基本参数表

3.2空化系数

空化系数的选择，是在安全性与经济性之间进行取舍。选取较大的装置空化系数，即选择较低的水轮机安装高程，这样虽然加大了电站的挖深，造成土建工程量相应增加，加大了电站兴建时的一次性投资，但可以减少水轮机投运后的检修次数和运行维护费用；同时采用较大的吸出高度，可以减少水轮机的压力脉动值，对提高水轮机安全稳定运行是大有益处的。反之，选取较小的装置空化系数，可以减少电站的挖深，进而减少电站的一次投资，以利于电站早日兴建运行。但机组投运后需要相对增加检修和运行维护费用。

（1）影响水轮机转轮的空化系数的因素主要有以下几个方面：

首先是比转速。比转速与转轮的空化系数成正比，随着比转速的增大，转轮的空化系数也增大，对于北本电站通过前面的分析论证，已对水轮机的比转速给出了范围，从而空化系数已基本确定。下页图1为比转速与装置空化系数的关系曲线，从曲线可以看出，对于北本电站，额定水头为18m，比转速648~707m·kW，其装置空化系数选取范围为1.2~1.4。

其次，空化系数与翼型的形状有密切的关系，通过改变翼型的形状，调节叶栅的稠密度，合理给定翼型的厚度分布规律，改变进出口环量的分布，可使转轮叶片表面的最低压力升高，使转轮内的流速分布更趋合理，从而减小空化系数。

水轮机埋入深度对空蚀的影响可以用装置空化系数与水轮机模型空化系数的比值来表示，但随着水头和转轮型号的不同，HS和σ的绝对值有很大的变化，因此，埋入深度对空化的影响可直观地用空化安全系数K来表示。

图1　比转速与装置空化系数的关系曲线

（2）贯流式水轮机的吸出高度主要基于以下方面选取：

①贯流式水轮机的出力限制主要是由空化条件来决定的。控制空化的主要措施之一，就是通过调整机组安装高程来调整装置空化系数，使得水轮机运行时满足。对于特定的电站转轮直径、额定转速一定时，允许的单位流量越大，可以多获得弃水电量。由于转桨式水轮机同样具有出力限制线，安装高程小到一定值时，再降低安装高程，电量也不再增加，这时的安装高程为临界安装高程，为水轮机选择安装高程的下限值。

②由于模型水轮机转轮直径小，在模型试验时，转轮桨叶顶部与底部之间的空化系数差别很小，故可忽略不计。但对真机，转轮直径很大，即转轮顶部到底部的垂直距离很大，空化系数的差别也随之增大，选择不同的计算点，吸出高度HS有较大的差异。在选取吸出高度时，应当予以考虑。

③考虑到尾水管出口高度（距机组水平中心线），为保证机组运行在任何工况下，尾水管出口不进气，机组的出口应有一定的淹没深度，任何工况下的尾水位均应至少高于尾水管出口足够的高度（至少0.5m），这一条件也是决定安装高程的必要条件。综合考虑以上因素，选取的吸出高度才是足够安全的。

④考虑到北本水电站的泥沙情况，为了水轮机具有良好的水力性能和抗空化性能指标，避免空蚀和泥沙磨损对通流部件的联合作用，适当降低水轮机的安装高程是有效的方法之一。

⑤根据以上分析，综合已有模型研究情况和国内相应电站的实际应用情况，本电站模型额定水头时的临界空化系数暂按0.9~1.0选取。

4　水轮机安装高程的确定

4.1各种工况下的安装高程

确定水轮机安装高程的尾水位应根据水库的运行方式、水电站运行出力范围、尾水位与流量的关系特性、初期发电的要求以及下游梯级水电的回水影响等因素。

根据水轮机的空化理论，为避免转轮桨叶发生空化，应使转轮桨叶表面的最低压力大于相应水头时水的饱和汽化压力，即通过适宜的吸出高度来控制此点的压力值。灯泡贯流式机组，由于卧轴布置，转轮压力最低点为桨叶顶点。根据GB/T15468《水轮机基本技术条件》标准中规定，机组中心线的吸出高度计算公式为：

式中：k—转轮中心处的安全系数；

灯泡贯流式机组运行工况复杂，根据该水头段的空化特性，对电站可能出现工况的安装高程和尾水管的淹没深度进行计算，计算结果如下页表4。由表4可知，本电站进行了16个工况的计算分析，安装高程不大于300.0m时，各工况均能满足空化性能的要求，同时也满足尾水管出口顶部淹没深度不小于0.5m的要求。

表4　水轮机各可能运行工况安装高程计算

表5　安装高程经济分析表

4.2经济分析对安装高程的影响

没有电量损失时的安装高程可确定为300.00m。为进一步确定安装高程，对提高安装高程进行经济分析，计算结果如下页表5。

由以上分析可知，随着安装高程的提高，电站低于要求的尾水位时不能发电，所造成电量损失逐渐增加，且幅度随安装高程的提高而增加；由于受开挖建基面的影响，投资虽然随安装高程的提高而减少，但减少的量不大。从静态经济指标看，安装高程为300.00m方案经济性较优。

4.3电站安装高程

结合经济分析成果和机组运行方式，考虑额定工况的空蚀情况和正常尾水位（按16台机组额定流量相应的尾水位320.588m），设计尾水位（按6台机组额定流量相应的尾水位311.918m），复核电站最大水头、最小流量时尾水管顶部的淹没情况及相应的吸出高度，经综合分析研究，北本电站水轮机的安装高程由下游最低水位时尾水管出口顶部淹没深度控制，确定电站安装高程为300.00m（至机组水平中心线）。