低水位運行對水工建筑物和機組運行的影響

王永春，邵錫福

(吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林 白山 134500)

低水位運行對水工建筑物和機組運行的影響

王永春，邵錫福

(吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林 白山 134500)

1 雙溝電站及其生態(tài)流量泄放工程概況

1.1 雙溝電站概況

松江河梯級水電站由小山、雙溝、石龍3座水電站及松山引水工程組成。其中雙溝水電站為松江河梯級電站第2級電站，距上游小山水電站37 km。該電站安裝2臺單機容量為140 MW的混流半傘式水輪發(fā)電機組。水庫正常蓄水位為585 m，死水位為567 m，為多年調(diào)節(jié)水庫，是一座引水式電站。該電站是以發(fā)電為主，兼有防洪任務(wù)的大(Ⅱ)型水利水電工程。

1.2 雙溝電站生態(tài)流量泄放流工程概況

雙溝電站生態(tài)流量泄放流工程是在河道左岸溢洪道堰前100 m處，布置內(nèi)徑為2 m的生態(tài)泄水隧洞。隧洞主要由進口引水段、豎井消能段及后部導(dǎo)流明渠出水段3部分組成。在豎井內(nèi)設(shè)置檢修閘門和弧門各1套，通過控制弧形閘門開度以保證生態(tài)泄放流量為4.4 m3/s。為配合雙溝生態(tài)泄放流工程施工，詳細分析了水庫低水位運行對機組、水工建筑物和發(fā)電量的影響，并制定了施工及運行的控制措施。

2 低水位運行對水工建筑物的影響分析

雙溝水電站生態(tài)流量泄放工程進水口前緣底高程為564.1 m，為確保生態(tài)流量泄放工程引水洞進水口巖體能在水面上開挖施工，需將水庫水位降低至564.1 m以下。同時，在施工期間還要通過引水發(fā)電隧洞繼續(xù)發(fā)電。在引水發(fā)電過程中，為避免進口產(chǎn)生吸氣漏斗，防止隧洞內(nèi)發(fā)生氣蝕破壞，引水發(fā)電隧洞的發(fā)電流量應(yīng)小于相應(yīng)水位對應(yīng)的流量。

經(jīng)計算，引水發(fā)電隧洞在水位降至563.5 m時，進口淹沒深度為6.6 m，隧洞發(fā)電流量為221.19 m3/s。因此，在隧洞水位降至563.5 m時，為防止發(fā)生氣蝕破壞，隧洞發(fā)電流量應(yīng)小于221.19 m3/s。

按照上述所要求的流量進行引水發(fā)電，不會對水工建筑物產(chǎn)生影響。

3 低水位運行對機組安全運行的影響分析

3.1 上游水位降低后的水頭分析

上游水位按563 m，單臺機流量Q按149 m3/s計算，下游水位為478.4 m，此時的水頭損失為：△h=1.033 37×104×Q2=2.29 m。

則水輪機運行水頭為：

Hmin=563-478.4-2.29=82.31 m。

3.2 水頭變幅分析

采用(Hmax-Hmin)/Hd，Hmax/Hd，Hmin/Hd來表征混流式水輪機的水頭變幅與水輪機設(shè)計水頭的關(guān)系。一般工程要求(Hmax-Hmin)/Hd不宜超過30 %～40 %。低水頭時取大值，高水頭時取小值。

3.3 上游水位降低后對壓力脈動的影響

水輪機運行水頭的降低，最高單位轉(zhuǎn)速由81.35 r/min增至82.67 r/min。從模型試驗結(jié)果看，最高單位轉(zhuǎn)速增加后，尾水管、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前和頂蓋的壓力脈動相對幅值會略有增大，但增加的幅度很小，不會對機組的安全穩(wěn)定運行造成影響。

對雙溝電站，模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速為73 r/min，設(shè)計水頭Hd為105.6 m，此時(Hmax-Hmin)/Hd= 21.3 %，Hmin/Hd=0.805。

當(dāng)上游水位降低至563 m時，根據(jù)計算，(Hmax-Hmin)/Hd=23.85 %， Hmin/Hd=0.779。

因此，當(dāng)上游水位降低至563 m時，水頭變幅在水輪機穩(wěn)定運行的經(jīng)驗范圍內(nèi)。

3.4 上游水位降低后水輪機運行吸出高度復(fù)核

下游水位為478.4 m，此時的吸出高度Hs= 473.8-478.4=-4.6 m，裝置空化系數(shù)為0.17。從模型試驗結(jié)果可知，對應(yīng)單位轉(zhuǎn)速82.67 r/min，單位流量1.024 m3/s時的臨界空化系數(shù)為0.105，初生空化系數(shù)約0.19，則安全系數(shù)K=0.17/0.105= 1.62。如果只按1臺機組運行，則下游尾水位為477.7 m，裝置空化系數(shù)為0.162，安全系數(shù)K=1.54。

雙溝電站在額定水頭97 m，額定出力142.9 MW，1臺機組運行時，水輪機吸出高度Hs=-4 m，臨界空化系數(shù)為0.102，初生空化系數(shù)約為0.167，裝置空化系數(shù)為0.138 9，安全系數(shù)K=0.138 9/0.102=1.36。雖然裝置空化系數(shù)未能大于初生空化系數(shù)，機組不能完全在無空化狀態(tài)下運行，但水輪機的空化系數(shù)大于額定水頭工況，因此，水輪機的空化情況在上游水位降低后好于額定水頭工況。

可見，水位在563 m時，單臺機組最大保證出力為111.5 MW，流量為149 m3/s。此時水頭變幅在水輪機安全運行的經(jīng)驗范圍內(nèi)；尾水管、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前和頂蓋壓力脈動相對幅值會增大，但增加幅度很小，不會對機組安全運行造成影響；水輪機空化情況好于額定水頭工況，機組可以安全運行。

4 低水位運行施工限制及安全運行控制措施

(1) 施工限制。施工期間，雙溝水庫水位控制在563.5 m以下運行。

(2) 流量限制。水位在563.5 m時，發(fā)電流量要低于221.19 m3/s。

(3) 出力限制。水位在563.5 m，引水流量低于220 m3/s的情況下，電站最大出力可以達到167.6 MW；2臺機組平均最大出力可以達到83.8 MW；單機最大出力可以達到110 MW。

(4) 加強機組日常維護檢查，尤其是水輪機部分的螺栓緊固情況，確保在壓力脈動相對幅值增大情況下，機組安全穩(wěn)定運行。

(5) 加強運行監(jiān)視和控制。做好汛期來水預(yù)測和短期洪水預(yù)報，在上述長期計劃的基礎(chǔ)上，合理安排短期發(fā)電調(diào)度計劃，單臺機組出力要限制在110 MW以下運行，電站最大出力要限制在167.6 MW以下，2臺機最大流量要限制在220 m3/s及以下運行。

雙溝電站機組在水位降低后嚴(yán)格按照上述措施執(zhí)行，機組運行穩(wěn)定。生態(tài)流量泄放工程施工完成后，在機組檢修中對引水隧洞進行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常，說明施工期的控制措施可行。

2013-06-17。

王永春(1973-)，男，工程師，主要從事水輪發(fā)電機組運行工作。

邵錫福(1973-)，男，高級工程師，主要從事生產(chǎn)技術(shù)部門水機管理工作。