Thaukyegat(2)電站混流式水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性方案的研究

李子鳳

（東方電氣集團(tuán) 東風(fēng)電機(jī)有限公司，四川 樂山 614000）

0 引 言

混流式水輪機(jī)的重要指標(biāo)之一——穩(wěn)定性，其本質(zhì)是機(jī)組能否保持長期、高效地運(yùn)行。若該性能指標(biāo)較好，則可在使用壽命內(nèi)，減少檢修次數(shù)，提高發(fā)電的效率，最大程度地提升機(jī)組的使用率。然而，受電站現(xiàn)場條件的影響（如負(fù)荷較高、水力性能欠佳等），機(jī)組在運(yùn)行中很難達(dá)到理論上所要求的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，檢修的次數(shù)往往較多，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，進(jìn)一步完善機(jī)組的穩(wěn)定性措施，對整機(jī)的性能具有重要的影響。本文以Thaukyegat（2）水電站為例，以電站的實(shí)際條件為依據(jù)，提出了相應(yīng)的提高穩(wěn)定性措施。

1 電站條件

1.1 電站基本參數(shù)

Thaukyegat（2）水電站位于緬甸境內(nèi),其壩址距Taungoo 城較近。電站總裝機(jī)容量120 MW，安裝3 臺單機(jī)容量40 MW 的混流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。由于電站裝機(jī)臺數(shù)少（3 臺）、保證出力?。殡娬狙b機(jī)容量的26.9%），電站的引水系統(tǒng)較長，沒有調(diào)壓井，只在電站引水管路的入口處設(shè)有一閘閥兼做調(diào)壓井，要求電站應(yīng)盡可能通過日調(diào)節(jié)方式，在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰負(fù)荷。部分電站基本參數(shù)如表1 所示（水輪機(jī)型號為HLA883-LJ-294）。

1.2 電站運(yùn)行特點(diǎn)

如表1 所示：本電站水頭變幅大，其變幅接近巖灘、五強(qiáng)溪和皂市水電站，最大水頭與最小水頭的比值Hmax/Hmin=80.3/43.1=1.86、Hmax/Hr=80.3/65=1.23、Hmin/Hr=43.1/65=0.66，水輪機(jī)運(yùn)行水頭范圍很寬。同時(shí)，從電站給出的加權(quán)因子（如表2 所示）可看出：水輪機(jī)在高水頭部分負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)間較長。

表1 電站基本參數(shù)

表2 電站加權(quán)因子

2 穩(wěn)定性運(yùn)行措施的提出

水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性在混流式電站主要表現(xiàn)為軸系的擺度、頂蓋和導(dǎo)軸承的垂直和徑向振動、水輪機(jī)機(jī)坑內(nèi)和尾水管進(jìn)人門處的噪聲、機(jī)組出力擺動以及轉(zhuǎn)輪的裂紋等。特別是中、高比速混流式水輪機(jī)中的裂紋現(xiàn)象早已在世界各國屢見不鮮。因此針對道耶坎水電站水頭變幅大（最大水頭與最小水頭的比值高達(dá)1.86）、高水頭部分負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)間長的特點(diǎn)，我們在電站水輪機(jī)參數(shù)水平選擇、水輪機(jī)模型試驗(yàn)研究到原型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)等過程中，從各方面采取措施，以確保機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，延長機(jī)組的使用壽命。

2.1 轉(zhuǎn)輪的選擇

該電站的轉(zhuǎn)輪模型擬選擇A883 模型。其最大使用水頭為89.2 m，對于本電站最大水頭為80.3 m（毛），其強(qiáng)度是足夠的。同時(shí)，本電站的轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)和葉片都是采用抗汽蝕性能良好的ZG0Cr13Ni4Mo 材料，增加了轉(zhuǎn)輪其自身的性能。

2.2 轉(zhuǎn)輪模型流場分析

轉(zhuǎn)輪模型確定后，根據(jù)電站的實(shí)際運(yùn)行情況，擬對模型的兩個(gè)工況下：1）=70.3 r/min（對應(yīng)最大水頭Hmax=80.3 m）；2）a0=24 mm、=94.5 r/min 時(shí)（對應(yīng)最小水頭Hmin=43.1 m）轉(zhuǎn)輪的下環(huán)、中間流面和上冠的速度場進(jìn)行計(jì)算。其仿真結(jié)果如圖1～圖6 所示。

圖1、圖3、圖5為在a0=16 mm=70.3 r/min 的結(jié)果，圖2、圖4、圖6 為a0=24 mm=94.5 r/min 的結(jié)果。從圖表中可以看出：在工況1 的時(shí)候，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動順暢，流態(tài)良好；而在工況2 時(shí)，卻已經(jīng)出現(xiàn)了回流。

圖1 工況1 下環(huán)流態(tài)

圖2 工況2 下環(huán)流態(tài)

圖3 工況1 中環(huán)流態(tài)

圖4 工況2 中環(huán)流態(tài)

2.3 補(bǔ)氣措施的采取

由于混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片固定在上冠與下環(huán)之間，不可調(diào)節(jié)。在進(jìn)行轉(zhuǎn)輪流道和葉片翼型水力設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮滿足水流在設(shè)計(jì)工況（最優(yōu)效率工況）下具有良好的流動狀態(tài)。在偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，必然會產(chǎn)生尾水管渦帶。當(dāng)偏離設(shè)計(jì)工況較遠(yuǎn)時(shí)，還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)輪葉片頭部的正、背面空化脫流和葉道渦。這些非穩(wěn)定流態(tài)是引起水輪機(jī)水力振動的主要因素，是混流式水輪機(jī)的固有特性，不可消除。為此，我們在對該電站水輪機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用了以下幾種補(bǔ)氣方式。

1）為消除尾水管渦帶，首先在發(fā)電機(jī)主軸的上端采用大軸中心孔自然補(bǔ)氣，設(shè)置了一個(gè)DN250 的真空破壞閥，其補(bǔ)氣量按水輪機(jī)額定流量的2%來考慮。其次在尾水管邊壁上也預(yù)留了補(bǔ)氣口。在尾水管的邊壁上設(shè)有一環(huán)形進(jìn)氣腔，外接一根DN100 的進(jìn)氣管，在進(jìn)氣管的外端接DN100 的真空破壞閥，在錐管壁上對應(yīng)環(huán)形腔的位置均勻地開了16-DN50 的進(jìn)氣孔以便需要時(shí)使用。

2）在最大水頭Hmax=80.3 m（毛）時(shí)，其單位轉(zhuǎn)速為=70.3 r/min，其運(yùn)行范圍在不補(bǔ)氣的情況下有可能會出現(xiàn)葉片頭部背面脫流。為預(yù)防萬一，我們在頂蓋上導(dǎo)葉后的位置設(shè)有6-DN20 的強(qiáng)迫補(bǔ)氣口，由6 根軟管引出，接至一根DN50 的環(huán)管上，再從環(huán)管上引出總管接至機(jī)坑里襯，以便外接補(bǔ)氣源。

圖5 工況1 上冠流態(tài)

圖6 工況2 上冠流態(tài)

3）在最小水頭Hmax=43.1 m（毛）=94.5 r/min 時(shí)，在不補(bǔ)氣的情況下，盡管從水輪機(jī)綜合特性曲線上沒有看到葉片頭部正面脫流線，且此工況運(yùn)行的時(shí)間也非常少，但從此工況的速度場來看，已經(jīng)出現(xiàn)了回流。為預(yù)防萬一，在頂蓋上對應(yīng)轉(zhuǎn)輪上冠的位置設(shè)有2-DN32 的強(qiáng)迫補(bǔ)氣口，并分別引至機(jī)坑里襯，以便外接補(bǔ)氣源。同時(shí)考慮有壓氣源及其控制，當(dāng)機(jī)組在高、低水頭極端狀態(tài)需要引用投入工作。同時(shí)也分別提供了6-DN20 和2-DN32 的塞子，如果機(jī)組在經(jīng)過一定時(shí)間的運(yùn)行，確認(rèn)不需要強(qiáng)迫補(bǔ)氣，就把頂蓋上的補(bǔ)氣口堵塞住。

3 結(jié) 論

由于機(jī)組運(yùn)行水頭變幅很大，同時(shí)負(fù)荷變化也較大，對機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行來說本身就是一個(gè)巨大的考驗(yàn)，而目前要開發(fā)一個(gè)完全適應(yīng)該電站所有工況的轉(zhuǎn)輪很難，因此我們采取了各種補(bǔ)氣措施。與此同時(shí)，電站也應(yīng)從引水系統(tǒng)、調(diào)速器的性能、合理選擇運(yùn)行工況等手段盡可能地提高穩(wěn)定性，共同來解決該機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性問題。

［1］ 石清華，許巍巍，龔莉.低水頭混流式水輪機(jī)葉道渦引起的噪音及其消除［C］//.第十六次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會論文集，2007：156-164.

［2］ 宋文武.水利機(jī)械及工程設(shè)計(jì)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2005.

［3］ Piller M，Nobile E，Thomas J.DNS Study of Turbulent Transport at Low Reynolds Numbers in a Channel Flow［J］.Journal of Fluid Mechanics，2002（458）：419-441.