贯流式水轮机安装高程确定问题探讨

李泽同

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

贯流式水轮机在30m水头段以下,转轮效率、发电量、过流量、土建开挖量、建设周期及投资额等均比立式轴流水轮机更具优势。为加大贯流式水轮机在我国平原河流、潮汐等低水头水力资源开发中的推广应用,必须加强水轮机安装高程确定,以避免空蚀、机组振动超标等现象,为机组安全稳定运行提供保证。

1 问题的提出

贯流式水轮机以主轴中心线高程为机组安装高程,根据《水电站机电设计手册》相关规定,水轮机吸出高度可根据下式确定:

(1)

式中:HS为水轮机吸出高度;Kδ为水电站装置气蚀系数和模型气蚀系数之比;δM为水轮机模型空化系数;H为水轮机工作水头;▽为水电站海拔高度。

对于管贯流式水轮机而言,其安装高程应满足以下公式:

(2)

式中:▽安为贯流式水轮机安装高程;▽W为设计尾水位;D1为水轮机转轮直径。

由式(2)可知,对于贯流式水轮机而言,安装高程的确定与反击式水轮机一致,均与水轮机吸出高程和设计尾水位有关[1]。然而,贯流式水轮机运行特征与其他反击式水轮机不同,其吸出高程和设计尾水位也与其他类型机组存在差异。贯流式水电站属于径流式,水电站机组运行水头随着天然来水量的变化而变化,当来水量增大时,机组运行台数增多,下泄流量随之增大,下游水位抬高,电站水头则相应减小;而当来水量减小时,机组运行台数相应减少,下泄流量减小,电站水头增大。结合贯流式水轮机的这一运行特点,随着下泄流量的变化,其工作水头和设计尾水位随之变化,由式(1)和式(2)看出,机组运行时▽W+HS最小工况是确定水轮机安装高程的关键。故文章以8×30MW的某水电站灯泡贯流式水轮发电机组为例,展开贯流式水轮机安装高程的确定与探讨。该水轮机最大、最小水头及额定水头分别位13.4m、3.8m、7.5m,正常蓄水位24.2m;水轮机转轮直径7.5m,机组额定流量和额定转速分别为455m3/s、68.2r/min。

2 贯流式水轮机安装高程计算

2.1 常规计算法

目前,中国《水电站机电设计手册》、《水轮机设计手册》及美国土木工程师学会《Civil Engineering Guidelines for Planning and Designing Hydroelectric Developments:Volume 3 Powerhouses and Related Topics》中均给出了贯流式水轮机安装高程计算方法。

2.1.1 根据《水轮机设计手册》计算

根据哈大所编制的《水轮机设计手册》,贯流式水轮机空化基准面主要位于转轮叶片最高处,故其水轮机安装高程与《水电站机电设计手册》中规定的安装高程计算公式一致;吸出高程则按下式确定:

(3)

式中:σ为模型空化系数;△σ为水轮机气蚀系数修正值。贯流式水轮机气蚀系数修正值变化趋势,见图1;其余参数含义同前。

图1 贯流式水轮机气蚀系数修正值变化趋势

根据图中所示,设计水头越小,则贯流式水轮机气蚀系数修正值越大。式(3)计算贯流式水轮机吸出高程时,既考虑了水轮机气蚀系数的修正,又预留出1m的气蚀余量。例如当该水电站额定水头10m,电站海拔高程为100m,且临界空化系数取1.55,安全系数取1.05,则应用公式(1)和公式(3)所计算出的吸出高程分别为-6.39m和-7.42m,后者比前者小1.03m,取值较为保守,故应在水电站水轮机安装高程设计阶段采用[2]。

2.1.2 根据美国土木工程师学会标准计算

美国土木工程师学会编写的《Civil Engineering Guidelines for Planning and Designing Hydroelectric Developments:Volume 3 Powerhouses and Related Topics》设计导则规定,应根据立轴机组相关控制参数确定贯流式水轮机卧式机组安装高程,且应将卧式水轮机净吸出高程HS计算至转轮中心线位置,水轮机安装高程,见图2,图中D为转轮直径,以转轮轮毂处为水轮机空化基准面,也可以上叶片顶部为空化基准面进行桩基高程推算。

图2 水轮机安装高程

按照该设计导则相关规定,贯流式水轮机安装高程以及吸出高程按以下公式计算:

Z=ZW+HS

(4)

HS=Ha-Hv-σHcr

(5)

式中:Z为贯流式水轮机安装高程;ZW为下游设计尾水位;Ha为大气压;Hv为饱和蒸汽压力;Hcr为吸出高度计算用水头,将其转换为国内设计习惯,为额定水头;其余参数含义同前。

2.2 分析计算法

基于以上分析,提出一种确定贯流式水轮机安装高程的新方法,即在计算最大、最小水头范围内若干净水头工况下安装高程及吸出高程的基础上,进行最安全安装高程的确定[4]。分析计算步骤如下:

1)当水库在正常蓄水位运行时,净水头H=▽正-▽W-△h,△h为机组运行期间流道水力损失值,在0.3～0.5m内取值;▽正为正常蓄水位。

2)选择若干净水头用H1～Hn表示,并计算出净水头H1对应的下游尾水位▽w1,查下游水位～流量关系曲线,得出下泄流量Q1;按照以上方法依次计算出其余净水头所对应的下泄流量。

3)确定不同净水头下发电机组最大出力对应的过流量以及水轮机单位流量、单位转速,查模型综合特征曲线,得出相应的空化系数和水轮机效率。

4)应用式(1)和(2)计算不同净水头下贯流式水轮机安装高程及吸出高程。按照以上步骤所得出的水电站灯泡贯流式水轮发电机组安装高程结果。安装高程计算结果,见表1。

表1 安装高程计算结果

由表中计算结果可知,该水电站贯流式水轮机安装高程及吸出高程均随净水头变化而表现出一定的规律性。当净水头在12.3～11.1m之间时,随着水头减小,安装高程和吸出高程均呈增大趋势;而在净水头取11.1～7.5m时,随着净水头减小,安装高程和吸出高程均减小;在净水头取7.5～3.7m时,安装高程和吸出高程均增大。当净水头为7.5m时,贯流式水轮机安装高程和吸出高程均取最小,故应将该机组安装高程确定为8.5m。

3 贯流式水轮机安装高程的影响因素

3.1 空化基准面

根据《水轮机基本技术条件GB/T15468-2020》的规定,卧轴反击式水轮机转轮叶片最高点处为空化基准面;而《水轮机蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验GB/T15613.1-2018》等规范认为,空化基准面的数量可多于1个,可在转轮下方与转轮叶片顶部相距0.2D处、转轮叶片顶部、转轮轮毂处均可。美国土木工程师学会设计导则及国内贯流式水轮机相关书籍均以叶片顶部为空化计算基准面展开安装高程推算。结合对该水电站贯流式水轮机转轮叶片最小压力分布情况的分析,叶片顶部是水轮机转轮叶片空化最不利点,也就是说,转轮顶部不出现空化,则其余部位也必定不会出现严重空化。为简化模型及真机空化系数换算的繁琐过程,并保证水轮机安全运行,笔者建议,应以转轮叶片顶部为贯流式水轮机空化基准面。

3.2 空化系数

贯流式水轮机安装高程和吸出高程结果的合理性受空化系数取值合理性的影响,空化吸出和比转速关系,见图3。结合大型贯流式水轮机选型实践,可参考图3中的空化吸出与比转速关系曲线进行模型空化系数初选。在可行性研究及设计阶段,贯流式水轮机选型时如果存在模型转轮参数,则直接以模型转轮临界值或初生空化参数为空化系数。如果无模型转轮参数,则可直接采用表2中装置空化系数σp统计公式展开计算,并比较选定结果与计算结果,综合选用。

表2 装置空化系数

图3 空化吸出和比转速关系

3.3 空化安全系数

根据《水力发电厂机电设计规范DL-T 5186-2018》,吸出高程计算公式中的空化安全系数应根据水轮机工作水头、模型临界空化系数、转轮材质等综合选取。如果模型空化系数取σ0,则空化安全系数应取小值;相反,若模型空化系数取σ1,则空化安全系数应取大值。对于多泥沙流域水轮机组,空化安全系数应在1.3～1.8之间取值;对于水质清澈流域水轮机组,空化安全系数应取小值应在1.1～1.6间取值。

结合相关文献,灯泡贯流式水轮机转轮桨叶运行期间仅1/12～1/8的时间处于严重空化状态,1/6～1/4的时间处于轻度空化状态,1/6～1/4的时间以及1/12～1/4的时间分别处于较轻空化、无空化状态。老挝北本水电站、老挝萨拉康水电站水轮机安装高程计算时空化安全系数均按照临界空化系数取值。综合以上分析,大型贯流式水轮机空化安全系数不能盲目根据规范及设计手册取值,必须结合运行实际,在综合考虑设计深度、空化基准面、空化系数类型等的基础上合理取值。笔者建议,贯流式水轮机安装高程确定时,若泥沙含量少、工作水头小、以叶片顶部位模型及原型转轮空化基准面或在详细设计阶段,空化系数应按临界空化系数在0.15～1.10之间取值;而当泥沙含量高、工作水头大、未以叶片顶部位模型及原型转轮空化基准面,则空化系数应取1.10及以上。

3.4 设计尾水位

贯流式水轮机安装高程确定过程中还必须根据水库运行方式、发电要求、下游水电站运行水位、尾水为～流量关系特性等,选择合适的设计尾水位。贯流式水电站基本属于径流式,且不存在调节库容,一旦其天然流量比满发流量小,机组便会因流量不足而无法满发,实际工作点空化系数也将低于设计工作点空化系数;但当天然流量超出弃水流量,水电站便会出现弃水,下游水位随之抬高,空化系数等相关参数改变。为此,贯流式水轮机应以水电站发足装机容量的流量对应的下游水位为设计尾水位,而不是仅依据流量、机组运行台数展开选择。

4 结 论

综上所述,贯流式水轮机安装高程的确定直接决定着水电站开挖工程量、混凝土浇筑工程量及投资额,采用了文章所提出的方法确定出的水轮机组安装高程科学合理,在节省投资、保证机组运行安全方面发挥了重要作用。应用结果表明,按照常规方法得到的安装高程均较低,而根据水位～流量关系曲线分析计算得出的安装高程既能满足不同运行工况机组汽蚀性能,又最具经济性。同时也说明,该水电站贯流式水轮机组安装高程确定时,空化基准面、空化系数、空化安全系数、设计尾水位等参数取值较为合理。