贵州省平寨水库电站水轮机低于死水位运行分析
2018-09-05
(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)
1 工程概况
贵州省黔中水利枢纽工程位于贵州中部黔中地区六枝特区，工程涉及贵州3市(贵阳、安顺、六盘水)、1州(黔南自治州)、1地区(毕节)的10个县(区)和贵阳市区、安顺市区。工程是以灌溉、城市供水为主，兼顾发电、乡镇供水以及改善区域生态环境等综合利用的水利枢纽工程。工程分两期建设，其中一期工程包括水源工程、一期输配水工程。水源工程包括平寨水库工程、平寨电站工程，平寨水库正常蓄水位1331.00m，死水位1305.00m，总库容10.89亿m3。
平寨电站工程装机136MW，采用坝后地面式厂房布置形式，装设2台单机容量为68MW的立式混流式水轮发电机组，电站年利用小时数为2505h，年平均发电量为34070万kW·h，电站以110kV双回路经15km接至六枝梭嘎变电站。平寨电站水轮发电机组于2013年12月开始安装，2016年5月完成安装调试，平寨水库于2015年4月下闸蓄水。由于工程安全的需要采用分期蓄水方案，一期蓄水位目前不能高于死水位1305.00m，并根据一期蓄水后监测的各类建筑物初始值，经分析论证确定二期蓄水计划。为在死水位以下充分发挥工程效益，需对平寨电站低于死水位发电进行分析，提出必要的运行措施，保证机组安全稳定运行。
2 机组基本情况
2.1 机组主要技术参数
机组主要技术参数如下：
水轮机型号：HLTF180-LJ-280；
转轮直径：2800mm；
额定水头：128.00m；
最大水头：142.47m；
最小水头：115.01m；
额定出力：70.1MW；
最大出力：77.11MW；
额定转速：300r/min；
额定流量：58.64m3/s；
额定效率：95.0%；
超发能力：110%Nr；
导叶数量：24个；
导叶高度：665mm；
额定点单位转速：74.2 r/min；
额定点单位流量：0.6611m3/s；
机组安装高程：1181.40m；
发电机型号：SF68-20/6050；
额定容量：68/80MW/MVA；
额定电压：13.8kV；
额定电流：3347A；
额定转速：300r/min；
飞逸转速：547r/min；
额定效率：97.5%；
额定频率：50Hz；
功率因数：0.85；
飞轮力矩：2400t·m2。
2.2 尾水位与流量关系
初步设计阶段：
尾水校核洪水位：1204.24m；
尾水设计洪水位：1203.04m；
2台机组运行时尾水位：1188.00m；
1台机组运行时尾水位：1187.20m；
单机组50%出力尾水位：1186.00m。
施工图阶段复核确定：
2台机组运行时尾水位：1188.01m；
单台机组50%出力尾水位：1186.40m。
通过施工图阶段复核可以看出，水轮机在各工况下运行尾水位基本与初步设计阶段一致，施工弃渣对河道的侵占，对尾水位影响较小。
2.3 水轮机运行特性曲线
根据平寨电站设计参数以及机组制造单位的性能保证，水轮机的运转范围见图1，图中曲线范围包括机组的额定出力情况以及110%超发情况。
从图1可以看出，水轮机在最低水头时出力为65.73MW，为额定出力70.10MW的93.77%，为最大出力77.11MW的85.24%。水轮机的运行效率均达到90%以上，在整个运行范围内水轮机运行工况较好，效率较高，未出现明显的振动现象。
3 水位低于死水位对机组的影响分析
按照黔中水利枢纽一期工程初步设计报告的要求，平寨电站机组的设计运行水头范围为115.01～142.47m，并将该水头范围参数作为机组招标采购的依据，机组制造厂家在此范围内对机组的安全稳定运行作出保证。若超过此范围则不予保证。根据贵州省黔中水利枢纽蓄水计划，一期蓄水后水库运行在较低的水位，势必会在一定的时间段达不到最低运行水位1305.00的要求。
图1 HLTF180-LJ-280水轮机运转范围
目前平寨水库已经安装了水位监测仪器，水库运行在1295.00～1305.00m，厂房处尾水位监测仪器已经安装，但是未调试取得监测成果。设计单位建议现场实测尾水位，但未收到相关资料，暂按施工图设计阶段的参数复核，1台机组运行时尾水位约为1187.00m，2台机组运行时尾水位为1188.01m。初步考虑电站引水系统水头损失为2.0m。根据平寨水位实测的运行水位和电站不同机组运行状态下对应的尾水位进行分析，得到不同的运行水头参数，见表1。
表1 不同水库水位下机组的运行水头
水库水位1301.00m，下游正常尾水位1188.01m。电站毛水头为112.99m，计入水头损失约2m，则水轮机的净水头为110.99m小于设计及机组性能保证的最小水头115.01m。
水轮机的模型综合特性曲线见图2。
图2 HLTF180-LJ-280水轮机模型综合特性曲线
根据图2机组的运行范围，可以看出在低水头范围内机组还有一定的潜力，运行的工况较为宽泛，可以适当降低运行水头。水库水位为1295.00m、1台机组运行时发电净水头为107.00m。此时水轮机转速达到81.21r/min，若限制机组过流量，也可以保证在较好的范围内运行。
因此，从机组的角度来看，在平寨水库1295.0m以上水位，若采取一定的运行措施，能够保证机组具有较好的运行工况。
4 机组运行状态及措施
4.1 机组在1295.00～1305.00m水位时运行状态
在目前水库水位1295.00～1304.00m情况下，水轮机运行水头范围为107～114m。机组的过流情况及出力见表2。
表2 不同水头下水轮机的运行参数
注额定点单位流量为0.66m3/s，最大单位流量为0.75m3/s。
参照机组的综合特性曲线，建议在水轮机转速不高于80r/min的情况下，对应的发电净水头为110.25m，机组能更好地运行。对应的条件为平寨水库水位在1295.00～1298.00m，运行机组台数为1台；水库水位1300.00m以上，可同时运行2台机组。
4.2 采取的措施
水轮机导叶开度应不大于额定开度，对应的单位流量为0.66m3/s，机组过流量为54.33m3/s，机组出力为50.78MW，为额定出力68MW的74.67%。水轮机模型汽蚀系数为0.049，必要的吸出高度为1.60m，电站的吸出高度为-5.60m，能满足水轮机的汽蚀性能要求。
运行管理单位在机组运行过程中加强监测各技术参数指标，如发电机上下机架振动、摆度，推力轴承和导轴承处的振动、摆度，各轴承的瓦温、油温，水轮机尾水管进口的压力脉动，补气装置的运行情况等。
完善尾水监测设施，加强尾水流量关系的复核，确保尾水河道在经过改变之后能满足设计的条件，若出现尾水过高情况应及时调整运行的方案。
5 结论和建议
a.由于水轮机运行水头低于机组保证最低水头，建议建设单位告知设备制造单位，要求对机组在低于最低运行水头运行时作出性能保证。
b.在平寨水库蓄水水位低于死水位1305.00m时，机组运行需设置必要的条件，进水口应满足吸水，水轮机导叶开度不宜大于额定开度。
c.建议运行单位实测下游尾水位，复核水轮机的运行水头及机组吸出高度。
d.建议在低于死水位1305.00m水位运行时密切监测机组的运行状态，并根据机组的运行状态调整机组的运行要求。
