混流式水輪發(fā)電機低水頭運行穩(wěn)定性分析

劉陽東，牟 明，王新亮，劉持源

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

某電站位于吉林省東南部長白山山區(qū)，是松江河梯級電站中的第2級電站；水庫正常蓄水位為585 m，死水位為567 m，總庫容為3.92億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力；安裝2臺單機容量為140 MW的混流式水輪發(fā)電機組，多年平均發(fā)電量為3.868億kWh，于2009年4月雙機投產(chǎn)發(fā)電。

該電站生態(tài)放流工程于2013-04-15開始施工，為了滿足施工要求， 6月10日—7月6日，需將該電站水庫水位維持在563.50 m以下。在此期間，庫區(qū)來水需要靠混流式水輪發(fā)電機組的發(fā)電流量進行泄流，機組能否在此水位下安全、穩(wěn)定運行是保證生態(tài)放流工程順利開展的關(guān)鍵。

1 水輪發(fā)電機主要參數(shù)

該電站混流式水輪發(fā)電機的最大水頭為107.5 m，加權(quán)平均水頭為101.9 m，額定水頭為97.0 m，最小水頭為85.0 m。水輪機型號為HLA883-LJ-400，轉(zhuǎn)輪直徑為4 m，額定轉(zhuǎn)速為187.5 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為360 r/min，水輪機額定功率為142.9 MW，額定流量為162.87 m3/s，吸出高度為-4.0 m。水輪機導(dǎo)葉機構(gòu)中心線高程為473.8 m。

2 水頭變幅分析

當(dāng)混流式水輪機運行水頭偏離設(shè)計水頭時，在大出力對應(yīng)的大開度下，水流會對轉(zhuǎn)輪進口產(chǎn)生負(fù)沖角，從而引起轉(zhuǎn)輪進口正壓面的脫流；當(dāng)負(fù)沖角過大時，還會造成葉片空蝕。低水頭工況偏離最優(yōu)工況遠(yuǎn)近程度，可以用最低水頭Hmin與設(shè)計水頭Hd的比值來表示。Hmin/Hd的比值越小，則低水頭工況偏離最優(yōu)工況越遠(yuǎn)。而在混流式水輪機的水頭變幅設(shè)計中，一般要求Hmin/Hd≥0.65。

對于該電站，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速為73 r/min，設(shè)計水頭Hd為105.6 m，此時Hmin/Hd=0.805。當(dāng)上游水位降低至563.0 m時，Hmin/Hd=0.779。由此可見，當(dāng)上游水位降低至563.0m時，水頭變幅處于水輪機穩(wěn)定運行的經(jīng)驗范圍內(nèi)。

3 上游水位降低的影響

3.1 對機組出力的影響

若上游水位按563.5 m考慮，則單臺機流量Q在運轉(zhuǎn)特性圖中查出為149.4 m3/s，此時對應(yīng)的下游水位為478.1 m，計算出水頭損失為2.31 m，凈水頭為563.5-478.1-2.31=83.09 m?？梢郧蟮?臺機的水輪機最大值出力為113 MW，發(fā)電機單機出力約為110 MW。

在實際運行中，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，發(fā)電引水隧洞棄水需滿足流量要求，即隧洞的發(fā)電流量應(yīng)小于相應(yīng)水位對應(yīng)的流量。因此當(dāng)上游水位為563.5 m時，2臺機組運行時總引水流量不得超過221.9 m3/s。此時下游水位為478.1 m，水頭損失為1.27 m，凈水頭為563.5-478.1-1.27=84.13 m，則平均單機水輪機出力為85.52 MW，機組單機出力約為83.8 MW。

綜上所述，該電站水位低于563.5 m運行時，單機運行負(fù)荷不得超過110 MW。2臺機組運行引水流量不得超過220 m3/s，即2臺機組運行時每臺機所帶負(fù)荷不得超過83 MW，2臺機總負(fù)荷不得超過166 MW。

3.2 對壓力脈動的影響

隨著水輪機運行水頭的降低，水輪機最高轉(zhuǎn)速由原81.35 r/min增至82.67 r/min，從模型試驗的結(jié)果看，對應(yīng)的尾水管壓力脈動ΔH/H由0.99 %增加到1.121%，仍滿足合同設(shè)計要求，不會對機組的安全穩(wěn)定運行造成影響。

3.3 對水輪機空化的影響

當(dāng)電站2臺機組運行，下游尾水位為478.4 m時，此時吸出高度Hs=473.8-478.4=-4.6 m，裝置空化系數(shù)為0.17。由于對應(yīng)于轉(zhuǎn)速82.67 r/min、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)約為0.19，則安全系數(shù)K=0.17/0.105=1.62。若只按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。

該電站在額定水頭97.0 m，額定出力142.9 MW，1臺機組運行時，水輪機的吸出高度Hs=-4.0 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0.1389，安全系數(shù)K=0.1389/0.101=1.36。

在上游水位降低后，雖然裝置空化系數(shù)未能大于初生空化系數(shù)，機組不能在完全空化狀態(tài)下運行，但此時水輪機的空化系數(shù)大于額定水頭工況下的空化系數(shù)，因此水輪機的空化情況在上游水位降低后仍好于額定水頭工況。

4 機組在低水頭下的運行情況分析

從機組在死水位565.16～563.01 m之間的運行情況來看，各部軸承瓦溫度與死水位以上時的溫度相比，增加不大，符合相關(guān)要求。另外，由于壓力脈動是引起機組各部位振擺的主要原因，從單機在不同水位(565.16～563.01 m)下帶負(fù)荷10.5 MW時測量的振擺值來看，隨著水頭的降低，除推力軸向振動和下導(dǎo)擺度稍微增大外，其余均未有較大變化；與在正常運行水頭(583.2～573.88 m)范圍內(nèi)的振擺值相比，所增加的幅度也在機組正常運行的允許范圍內(nèi)。在這種情況下的壓力脈動相對幅值增大對機組運行時穩(wěn)定性影響不大。

5 結(jié)束語

通過上述分析，說明該電站混流式水輪發(fā)電機組在低水頭時能夠安全、穩(wěn)定運行。今后可加大該電站水庫消落深度，以增加調(diào)節(jié)庫容，充分發(fā)揮該電站在整個松江河梯級電站中“承上啟下”的作用，使梯級水庫群獲得更大的效益。