黃花寨水電站額定水頭選取及穩(wěn)定性分析

葛 曦

( 貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng)550002)

1 概 述

貴州蒙江黃花寨水電站是紅水河左岸一級(jí)支流蒙江干流規(guī)劃開(kāi)發(fā)的第三級(jí)水電站，位于貴州省黔南布依族苗族自治州長(zhǎng)順縣境內(nèi)，地處蒙江干流河段上格凸河下游。電站交通條件較好，工程區(qū)距長(zhǎng)順縣城75 km，距貴陽(yáng)市150 km。

黃花寨電站投產(chǎn)后并入主網(wǎng)，無(wú)近區(qū)供電。電站主要任務(wù)是發(fā)電。

電站采用“無(wú)人值班”(少人值守)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控運(yùn)行方式。

本電站廠房為壩后式地面廠房，引水發(fā)電系統(tǒng)為“一洞一管兩機(jī)”布置形式。最高水頭為90.47 m，加權(quán)平均水頭為77.68 m，最低水頭為59.48 m，裝機(jī)容量2 ×30 MW。

2 額定水頭的選擇

本電站水頭變幅較大，Hmax/Hmin=1.52，水頭變幅過(guò)大的的電站，水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)輪裂紋問(wèn)題都比較突出，如塔貝拉、潘家口常規(guī)機(jī)組、小浪底、巖灘等電站，因此在選型設(shè)計(jì)中應(yīng)加以重視，提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

混流式水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)水頭有很大的關(guān)系，電站的運(yùn)行水頭如果偏離設(shè)計(jì)水頭的幅度越大，那么機(jī)組的穩(wěn)定性就越差，因此，在機(jī)組選型時(shí)，應(yīng)盡量使運(yùn)行水頭接近設(shè)計(jì)水頭，對(duì)于水頭變幅大的電站，則應(yīng)選擇“鴨蛋”較長(zhǎng)的綜合特性曲線。額定水頭的選取與水能利用、機(jī)組設(shè)備投資、機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行、土建投資、發(fā)電量等多種因素息息相關(guān)，在裝機(jī)容量確定之后，若選取的額定水頭偏高，則機(jī)組出力受阻會(huì)更明顯，反之，若選取的額定水頭偏低，受阻容量就較小，但是機(jī)組投資又會(huì)增大。因此需要從電站實(shí)際情況出發(fā)，以水頭出現(xiàn)頻率為基礎(chǔ)，充分分析水頭比重后，結(jié)合廠房開(kāi)挖等因素綜合考慮，以確定一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的額定水頭，從而平衡機(jī)組出力與機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性之間的關(guān)系。

水輪機(jī)的水力性能包括了能量、氣蝕、穩(wěn)定性三大性能，其中，以穩(wěn)定性為重，再好的能量指標(biāo)和氣蝕性能首先需要良好的穩(wěn)定性才能得以體現(xiàn)。若機(jī)組的穩(wěn)定性差，壓力脈動(dòng)、機(jī)組振動(dòng)等不穩(wěn)定因素往往會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片開(kāi)裂，止漏環(huán)脫落，尾水管的金屬里襯損壞，軸承、密封等松動(dòng)損壞等現(xiàn)象，有些穩(wěn)定性差的電站，機(jī)組無(wú)法并入電網(wǎng)運(yùn)行。

額定水頭Hr的選擇涉及到水能利用、機(jī)組設(shè)備投資、機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行等多種因素，因此工作水頭( Hmax、Hr、Hmin) 應(yīng)在合理范圍內(nèi)，一般Hr=(0.95 ～1.0) Hav。黃花寨電站聯(lián)合運(yùn)行死水位770 m 不同水頭不同出力出現(xiàn)機(jī)率見(jiàn)表1。

表1 不同水頭不同出力出現(xiàn)機(jī)率表

續(xù)表1

由表1 可見(jiàn)，本電站在高水頭段運(yùn)行機(jī)率較大，85m 水頭以上為35.1%，75 m 水頭以上為63.6%。通過(guò)以72、75、77.5 m 作額定水頭比較可以得出，額定水頭越高，機(jī)組尺寸越小和廠房土建投資減小。

就本電站水頭特性而言，電站在高水頭段運(yùn)行頻率較高，據(jù)表1 統(tǒng)計(jì)，電站在90.32－85 m 水頭段，90% ＜N≤100%Nr出現(xiàn)的幾率較多，因此在選擇額定水頭時(shí)，應(yīng)充分考慮高水頭段運(yùn)行的空蝕性能和穩(wěn)定性以及機(jī)組的加權(quán)平均效率，若額定水頭選取太低，則在高水頭工況時(shí)，機(jī)組的導(dǎo)葉開(kāi)度過(guò)小，如此時(shí)開(kāi)度低于全開(kāi)度的70%，水力穩(wěn)定性能就比較差，負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍也很小，這對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行非常不利。一般為了保證高水頭工況的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)提高高水頭工況的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，在額定水頭選取時(shí)應(yīng)盡可能接近加權(quán)平均水頭。

另外，統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外水電站發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水輪機(jī)的水頭比Hmax/Hmin≤1.5、Hmax/Hr≤1.2 或Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15，其水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性都比較好，如伊泰普電站( Hmax/Hmin=1.53，Hmax/Hr= 1. 122) 、薩 彥 舒 申 斯 克 電 站( Hmax/Hmin=1.257，Hmax/Hr=1.134) 、麥卡( Hmax/ Hmin=1.39，Hmax/Hr=1.08) 及國(guó)內(nèi)的李家峽( Hmax/Hmin=1.184，Hmax/Hr=1.11) 、天生 橋 二 級(jí)( Hmax/ Hmin= 1. 172，Hmax/Hr= 1. 159) 、二 灘( Hmax/Hmin= 1. 4，Hmax/Hr= 1. 145) 、烏江渡( Hmax/Hmin=1.42，Hmax/Hr=1.118);當(dāng)水輪機(jī)的水頭比Hmax/Hmin＞1.6，Hmax/Hr＞1.2 時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定性都較差，如大古力Ⅲ和五強(qiáng)溪等。

本電站Hmax/Hmin=1.5，Hmax/Hr=1.165，因此黃花寨水電站按77.5 m 額定水頭進(jìn)行水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)是合適的。

3 提高運(yùn)行穩(wěn)定性的措施

就本電站而言，水頭變幅過(guò)大，結(jié)合工程實(shí)際，可采取以下措施以提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性:

1) 水輪機(jī)參數(shù)的選擇。通過(guò)對(duì)已運(yùn)行電站的統(tǒng)計(jì)可以看出，水輪機(jī)運(yùn)行的最穩(wěn)定區(qū)域是在最優(yōu)工況點(diǎn)和無(wú)渦區(qū)，由表1 可見(jiàn)，本站在90.32 ～85 m 水頭段，90% ＜N≤100%Nr時(shí)運(yùn)行的幾率最大，為11.8%，因此，水輪機(jī)在參數(shù)選擇時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮將90.32 ～85 m 水頭段時(shí)30 MW 出力位于最優(yōu)工況點(diǎn)和無(wú)渦區(qū)。

2) 吸出高度的控制。水輪機(jī)的水力穩(wěn)定與吸出高度有很大的關(guān)系，吸出高度最終反映在機(jī)組安裝高程上，安裝高程過(guò)低將會(huì)增加廠房土建開(kāi)挖工程量，如過(guò)高，則水輪機(jī)的氣蝕性能降低，不利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，吸出高度裕量大的電站( 即安裝高程低) ，運(yùn)行穩(wěn)定性普遍較好。

3) 穩(wěn)定運(yùn)行的水頭范圍。通過(guò)對(duì)已運(yùn)行的電站進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析表明，當(dāng)電站實(shí)際運(yùn)行水頭H 與水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭H0的關(guān)系如下時(shí):(0.6 ～0.65) H0≤H≤(1.1 ～1.15) H0，機(jī)組是能夠穩(wěn)定運(yùn)行的。而且隨著運(yùn)行水頭H 偏離H0越大就越不穩(wěn)定。水頭過(guò)低常常會(huì)導(dǎo)致葉片進(jìn)水邊的正面產(chǎn)生脫流空化渦帶，水頭過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致葉片進(jìn)水邊的背面產(chǎn)生脫流空化渦帶和葉道渦，相比而言，背面產(chǎn)生的脫流空化渦帶和葉道渦更為嚴(yán)重。

4) 適當(dāng)?shù)难a(bǔ)氣方式。通過(guò)補(bǔ)氣能降低渦帶壓力脈動(dòng)，目前較常見(jiàn)的補(bǔ)氣方式有大軸中心孔補(bǔ)氣、頂蓋補(bǔ)氣、尾水管補(bǔ)氣。需根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況進(jìn)行確定，補(bǔ)氣效果好的大軸中心孔補(bǔ)氣需要機(jī)組主軸的直徑滿足要求才能布置，頂蓋補(bǔ)氣效果也很好。

5)避振運(yùn)行。極低負(fù)荷區(qū):轉(zhuǎn)輪出口的水流具有正環(huán)量，此時(shí)雖然振動(dòng)不大，但機(jī)組效率太低，除空載工況外，一般限制在該區(qū)域運(yùn)行;部分負(fù)荷區(qū):該區(qū)域壓力脈動(dòng)幅值較大，頻率低，這與轉(zhuǎn)輪下方的旋轉(zhuǎn)渦帶有關(guān)，如不采取有效的補(bǔ)氣措施，大軸中心孔和頂蓋補(bǔ)氣效果較好，不建議在該區(qū)域長(zhǎng)期運(yùn)行;高部分負(fù)荷區(qū):大部分ns≥200 m·kW 的混流式水輪機(jī)，在各水頭下最優(yōu)流量的60% ～90%工況下有高于轉(zhuǎn)頻的壓力脈動(dòng)出現(xiàn);最優(yōu)效率區(qū):水輪機(jī)在該區(qū)域效率高，轉(zhuǎn)輪下方無(wú)旋轉(zhuǎn)渦帶，機(jī)組運(yùn)行最穩(wěn)定，一般也稱(chēng)之為無(wú)渦區(qū)，可長(zhǎng)期運(yùn)行;滿負(fù)荷區(qū):轉(zhuǎn)輪下方有柱狀的渦帶，但機(jī)組運(yùn)行還是比較穩(wěn)定的;超負(fù)荷區(qū):水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)較大，同時(shí)空蝕加劇，部分轉(zhuǎn)輪在此時(shí)會(huì)出現(xiàn)第二振動(dòng)區(qū)。

6) 過(guò)流部件材質(zhì)及加工工藝。提高水輪機(jī)頂蓋、座環(huán)、主軸等主要部件的剛度、強(qiáng)度，轉(zhuǎn)輪采用抗空蝕、抗磨蝕和具有良好焊接性能的不銹鋼材料制造，葉片采用坐標(biāo)鏜床數(shù)控加工，提高機(jī)組制造、安裝質(zhì)量。

4 結(jié) 論

通過(guò)招標(biāo)后的水輪機(jī)主要參數(shù)為:

通過(guò)機(jī)組參數(shù)合理選擇、額定水頭的合理選取、機(jī)組機(jī)型及結(jié)構(gòu)型式的合理設(shè)計(jì)、機(jī)組過(guò)流部件采用數(shù)控加工工藝、通過(guò)水庫(kù)調(diào)節(jié)避開(kāi)低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行等措施，至2010年發(fā)電以來(lái)，機(jī)組一直穩(wěn)定運(yùn)行，為電站帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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