貴州省平寨水庫電站水輪機低于死水位運行分析

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

貴州省黔中水利樞紐工程位于貴州中部黔中地區(qū)六枝特區(qū)，工程涉及貴州3市(貴陽、安順、六盤水)、1州(黔南自治州)、1地區(qū)(畢節(jié))的10個縣(區(qū))和貴陽市區(qū)、安順市區(qū)。工程是以灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水以及改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等綜合利用的水利樞紐工程。工程分兩期建設(shè)，其中一期工程包括水源工程、一期輸配水工程。水源工程包括平寨水庫工程、平寨電站工程，平寨水庫正常蓄水位1331.00m，死水位1305.00m，總庫容10.89億m3。

平寨電站工程裝機136MW，采用壩后地面式廠房布置形式，裝設(shè)2臺單機容量為68MW的立式混流式水輪發(fā)電機組，電站年利用小時數(shù)為2505h，年平均發(fā)電量為34070萬kW·h，電站以110kV雙回路經(jīng)15km接至六枝梭嘎變電站。平寨電站水輪發(fā)電機組于2013年12月開始安裝，2016年5月完成安裝調(diào)試，平寨水庫于2015年4月下閘蓄水。由于工程安全的需要采用分期蓄水方案，一期蓄水位目前不能高于死水位1305.00m，并根據(jù)一期蓄水后監(jiān)測的各類建筑物初始值，經(jīng)分析論證確定二期蓄水計劃。為在死水位以下充分發(fā)揮工程效益，需對平寨電站低于死水位發(fā)電進行分析，提出必要的運行措施，保證機組安全穩(wěn)定運行。

2 機組基本情況

2.1 機組主要技術(shù)參數(shù)

機組主要技術(shù)參數(shù)如下：

水輪機型號：HLTF180-LJ-280；

轉(zhuǎn)輪直徑：2800mm；

額定水頭：128.00m；

最大水頭：142.47m；

最小水頭：115.01m；

額定出力：70.1MW；

最大出力：77.11MW；

額定轉(zhuǎn)速：300r/min；

額定流量：58.64m3/s；

額定效率：95.0%；

超發(fā)能力：110%Nr；

導(dǎo)葉數(shù)量：24個；

導(dǎo)葉高度：665mm；

額定點單位轉(zhuǎn)速：74.2 r/min；

額定點單位流量：0.6611m3/s；

機組安裝高程：1181.40m；

發(fā)電機型號：SF68-20/6050；

額定容量：68/80MW/MVA；

額定電壓：13.8kV；

額定電流：3347A；

額定轉(zhuǎn)速：300r/min；

飛逸轉(zhuǎn)速：547r/min；

額定效率：97.5%；

額定頻率：50Hz；

功率因數(shù)：0.85；

飛輪力矩：2400t·m2。

2.2 尾水位與流量關(guān)系

初步設(shè)計階段：

尾水校核洪水位：1204.24m；

尾水設(shè)計洪水位：1203.04m；

2臺機組運行時尾水位：1188.00m；

1臺機組運行時尾水位：1187.20m；

單機組50%出力尾水位：1186.00m。

施工圖階段復(fù)核確定：

2臺機組運行時尾水位：1188.01m；

單臺機組50%出力尾水位：1186.40m。

通過施工圖階段復(fù)核可以看出，水輪機在各工況下運行尾水位基本與初步設(shè)計階段一致，施工棄渣對河道的侵占，對尾水位影響較小。

2.3 水輪機運行特性曲線

根據(jù)平寨電站設(shè)計參數(shù)以及機組制造單位的性能保證，水輪機的運轉(zhuǎn)范圍見圖1，圖中曲線范圍包括機組的額定出力情況以及110%超發(fā)情況。

從圖1可以看出，水輪機在最低水頭時出力為65.73MW，為額定出力70.10MW的93.77%，為最大出力77.11MW的85.24%。水輪機的運行效率均達到90%以上，在整個運行范圍內(nèi)水輪機運行工況較好，效率較高，未出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象。

3 水位低于死水位對機組的影響分析

按照黔中水利樞紐一期工程初步設(shè)計報告的要求，平寨電站機組的設(shè)計運行水頭范圍為115.01～142.47m，并將該水頭范圍參數(shù)作為機組招標(biāo)采購的依據(jù)，機組制造廠家在此范圍內(nèi)對機組的安全穩(wěn)定運行作出保證。若超過此范圍則不予保證。根據(jù)貴州省黔中水利樞紐蓄水計劃，一期蓄水后水庫運行在較低的水位，勢必會在一定的時間段達不到最低運行水位1305.00的要求。

圖1 HLTF180-LJ-280水輪機運轉(zhuǎn)范圍

目前平寨水庫已經(jīng)安裝了水位監(jiān)測儀器，水庫運行在1295.00～1305.00m，廠房處尾水位監(jiān)測儀器已經(jīng)安裝，但是未調(diào)試取得監(jiān)測成果。設(shè)計單位建議現(xiàn)場實測尾水位，但未收到相關(guān)資料，暫按施工圖設(shè)計階段的參數(shù)復(fù)核，1臺機組運行時尾水位約為1187.00m，2臺機組運行時尾水位為1188.01m。初步考慮電站引水系統(tǒng)水頭損失為2.0m。根據(jù)平寨水位實測的運行水位和電站不同機組運行狀態(tài)下對應(yīng)的尾水位進行分析，得到不同的運行水頭參數(shù)，見表1。

表1 不同水庫水位下機組的運行水頭

水庫水位1301.00m，下游正常尾水位1188.01m。電站毛水頭為112.99m，計入水頭損失約2m，則水輪機的凈水頭為110.99m小于設(shè)計及機組性能保證的最小水頭115.01m。

水輪機的模型綜合特性曲線見圖2。

圖2 HLTF180-LJ-280水輪機模型綜合特性曲線

根據(jù)圖2機組的運行范圍，可以看出在低水頭范圍內(nèi)機組還有一定的潛力，運行的工況較為寬泛，可以適當(dāng)降低運行水頭。水庫水位為1295.00m、1臺機組運行時發(fā)電凈水頭為107.00m。此時水輪機轉(zhuǎn)速達到81.21r/min，若限制機組過流量，也可以保證在較好的范圍內(nèi)運行。

因此，從機組的角度來看，在平寨水庫1295.0m以上水位，若采取一定的運行措施，能夠保證機組具有較好的運行工況。

4 機組運行狀態(tài)及措施

4.1 機組在1295.00～1305.00m水位時運行狀態(tài)

在目前水庫水位1295.00～1304.00m情況下，水輪機運行水頭范圍為107～114m。機組的過流情況及出力見表2。

表2 不同水頭下水輪機的運行參數(shù)

注額定點單位流量為0.66m3/s，最大單位流量為0.75m3/s。

參照機組的綜合特性曲線，建議在水輪機轉(zhuǎn)速不高于80r/min的情況下，對應(yīng)的發(fā)電凈水頭為110.25m，機組能更好地運行。對應(yīng)的條件為平寨水庫水位在1295.00～1298.00m，運行機組臺數(shù)為1臺；水庫水位1300.00m以上，可同時運行2臺機組。

4.2 采取的措施

水輪機導(dǎo)葉開度應(yīng)不大于額定開度，對應(yīng)的單位流量為0.66m3/s，機組過流量為54.33m3/s，機組出力為50.78MW，為額定出力68MW的74.67%。水輪機模型汽蝕系數(shù)為0.049，必要的吸出高度為1.60m，電站的吸出高度為-5.60m，能滿足水輪機的汽蝕性能要求。

運行管理單位在機組運行過程中加強監(jiān)測各技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，如發(fā)電機上下機架振動、擺度，推力軸承和導(dǎo)軸承處的振動、擺度，各軸承的瓦溫、油溫，水輪機尾水管進口的壓力脈動，補氣裝置的運行情況等。

完善尾水監(jiān)測設(shè)施，加強尾水流量關(guān)系的復(fù)核，確保尾水河道在經(jīng)過改變之后能滿足設(shè)計的條件，若出現(xiàn)尾水過高情況應(yīng)及時調(diào)整運行的方案。

5 結(jié)論和建議

a.由于水輪機運行水頭低于機組保證最低水頭，建議建設(shè)單位告知設(shè)備制造單位，要求對機組在低于最低運行水頭運行時作出性能保證。

b.在平寨水庫蓄水水位低于死水位1305.00m時，機組運行需設(shè)置必要的條件，進水口應(yīng)滿足吸水，水輪機導(dǎo)葉開度不宜大于額定開度。

c.建議運行單位實測下游尾水位，復(fù)核水輪機的運行水頭及機組吸出高度。

d.建議在低于死水位1305.00m水位運行時密切監(jiān)測機組的運行狀態(tài)，并根據(jù)機組的運行狀態(tài)調(diào)整機組的運行要求。