貫流式水輪機安裝高程確定的新方法

李 波

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

前 言

貫流式水輪機屬于反擊式水輪機的一種，其安裝高程為主軸中心線高程，其確定方法同樣以H s和設(shè)計尾水位來計算確定。H s和▽安的計算公式如下：

水輪機吸出高度按照式（1）計算：

針對貫流機，其水輪機安裝高程按照式（2）計算：

以上公式中：

▽——電站海拔高度（m）；

Kδ——電站裝置汽蝕系數(shù)與模型汽蝕系數(shù)之比值；

δM——水輪機模型空化系數(shù)；

▽W(xué)——設(shè)計尾水位（m）；

D1——轉(zhuǎn)輪直徑（m）；

H——水輪機工作水頭（m）。

從式（2）可以看出，當(dāng)水輪機選定后，其安裝高程的確定同其他反擊式水輪機相同，取決于設(shè)計尾水位和H s值。但是，貫流式水電站有其自身的特點，用于確定水輪機安裝高程的尾水位和H s與其他類型機組又有不同。本文就介紹一種貫流式水輪機安裝高程確定的新方法。

1 貫流式水輪機安裝高程的確定

1.1 貫流式水電站的運行特點

貫流式水電站多為徑流式，其水庫基本無調(diào)節(jié)性，機組運行水頭隨電站天然來水情況而變化。當(dāng)來流量增大時，機組運行臺數(shù)增多，下泄流量增大，下游水位隨之抬高，電站水頭隨之減??；當(dāng)來流量減小時，機組運行臺數(shù)減少，下泄流量減小，下游水位隨之降低，電站水頭隨之增大。且水位隨流量的變化比較明顯。

根據(jù)這一運行特點，水輪機工作水頭H及▽W(xué)隨電站下泄流量變化不斷變化，從式（1）和式（2）可以看出，要確定一個合適的安裝高程，就必須找到機組運行時▽W(xué)+Hs最小的工況。

1.2 安裝高程的確定方法

本文通過以下實例來介紹一種貫流式水輪機安裝高程的確定方法。

1.2.1 基本資料

某水電站設(shè)計安裝8臺30MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，電站正常蓄水位24.20m，最大水頭13.3 m，加權(quán)平均水頭8.98m，額定水頭7.5m，最小水頭3.8m；水輪機轉(zhuǎn)輪直徑7.5m，機組額定轉(zhuǎn)速68.2 r/min，額定流量 455m3/s。

1.2.2 計算方法及結(jié)果

1.2.2.1 按以往的方法計算安裝高程

水輪機額定水頭7.5m，計算其理論吸出高度H s為-3.81m，設(shè)計尾水位取2臺水輪機額定流量對應(yīng)的尾水位為12.47m；用式（2）計算得出水輪機安裝高程為4.91m。

1.2.2.2 分析計算法

通過計算最小水頭至最大水頭范圍內(nèi)，若干個凈水頭工況下的Hs和安裝高程，最終確定一個最安全的安裝高程。安裝高程計算步驟如下：

（1）水庫運行在正常蓄水位，凈水頭H=▽正-▽W(xué)-△h（△h為機組流道水力損失，根據(jù)經(jīng)驗取0.3~0.5m）。

（2）在正常蓄水位下，選取若干個凈水頭H1～Hn，通過選取的凈水頭H1，計算得出下游尾水位▽W(xué)1，根據(jù)尾水位▽W(xué)1由下游水位~流量關(guān)系曲線（為節(jié)省篇幅曲線未附）查得下泄流量Q1。依次類推計算得出其他凈水頭對應(yīng)的下泄流量Qn。

（3）計算各凈水頭下，機組發(fā)最大出力時的過流量。

（4）計算各水頭下，發(fā)最大出力的水輪機的單位流量Q11和單位轉(zhuǎn)速n11。由模型綜合特性曲線查得對應(yīng)的水輪機效率和空化系數(shù)。

（5）依據(jù)式（1）和式（2）計算各凈水頭下相應(yīng)的Hs和安裝高程。

各計算結(jié)果見附表。

附表 水輪機吸出高度及安裝高程計算結(jié)果

將附表的計算結(jié)果繪制成附圖，很容易看出吸出高度和安裝高程隨著凈水頭的變化規(guī)律。在H=(13.3~11)m區(qū)間，吸出高度和安裝高程隨著水頭減小而增大，在H=（11~7.5）m區(qū)間，吸出高度和安裝高程隨著凈水頭減小而減小，在H=（7.5~3.8）m，吸出高度和安裝高程隨著凈水頭的減小又開始增大。吸出高度和安裝高程在額定水頭7.5m時為最小值。由此，確定該電站機組安裝高程為8.7m。

對比以上兩種計算方法計算得出的安裝高程，可以看出，按以往的方法得出的安裝高程要比分析 計算法得出的安裝高程低3.79m，以此確定安裝高程則會加大工程的開挖量，增加工程投資。

附圖 吸出高度、安裝高程與凈水頭關(guān)系

所以，貫流式水輪機安裝高程應(yīng)取機組在額定水頭下，全廠滿發(fā)工況下水輪機的安裝高程。

2 影響安裝高程確定的最低尾水位

上述安裝高程的確定，是考慮機組汽蝕性能條件下理論分析計算所得，但最終確定的安裝高程，還要滿足尾水管出口頂部具有一定淹沒深度的要求。

特別是貫流式機組，其流道呈臥式布置，流道過流量及流道尺寸較大，尾水管頂部相應(yīng)較高。所以，要考慮機組在枯水期下運行時，可能出現(xiàn)的下游最低尾水位，并依此來復(fù)核安裝高程。

（1）零流量對應(yīng)的尾水位。電站在所有機組停機，電站也無其他下泄流量，即Q=0m3/s時的尾水位。這時，要以此尾水位來校核水輪機安裝高程。

（2）生態(tài)基流對應(yīng)的尾水位。有些河流在工程壩下無其他來流，電站就必須下泄一定的流量作為維持河流生態(tài)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的基本流量，即生態(tài)基流。此時，就可以用生態(tài)基流對應(yīng)的尾水位作為最低尾水位來校核水輪機安裝高程。

（3）最小通航流量對應(yīng)的尾水位。貫流式水電站多為徑流式開發(fā)電站，水頭較低，工程一般有通航功能，為達到河道設(shè)計的通航保證率，就必須要往下泄通航所需流量。則要用最小通航流量對應(yīng)的尾水位作為最低尾水位來校核安裝高程。上述實例中，電站所在河流為主航道，在95%的通航保證率下，最小通航流量對應(yīng)的下游水位為11.01m，為了保證尾水管上沿淹沒深度不小于0.5m，復(fù)核水輪機安裝高程應(yīng)為4.0m。

復(fù)核確定的安裝高程可能較理論分析確定的安裝高程低，但是這樣做，一來，可以保證機組在各個工況下安全運行不致發(fā)生嚴重汽蝕；二來，不致在枯水期下游水位太低時，出現(xiàn)尾水管淹沒深度不足甚或是尾水管部分露出水面，使機組無法安全運行而停機；或要通過閘壩泄水達到機組安全運行要求后，再開機運行，浪費了枯水期寶貴的水量。這樣確定的安裝高程，雖然增加了部分工程建設(shè)投資，但從電站的長期運行來看是經(jīng)濟的。

3 結(jié) 語

貫流式水輪機安裝高程的確定直接影響到電站的開挖和混凝土澆筑等工程量及投資，因此，確定一個合適的安裝高程，對節(jié)約投資和保證機組安全運行至關(guān)重要。

按照以往計算安裝高程的方法，所確定的安裝高程較低。按照水位～流量關(guān)系曲線通過分析計算得出的安裝高程，在滿足各運行工況下機組汽蝕性能的要求下，是最經(jīng)濟的。但是，最低尾水位對安裝高程的影響也要足夠重視。

本文介紹的安裝高程計算方法，不僅適用于徑流式開發(fā)的貫流式水電站，對于徑流式開發(fā)的軸流式水電站，其水輪機的安裝高程也可參照此方法確定。

[1]楊軍.水輪機安裝高程計算的新方法[J].水力機械技術(shù)，2007，（1）：13-16.