CCS水電站沖擊式水輪機(jī)補(bǔ)氣系統(tǒng)研究

喬中軍 李紅帥 柏楊

摘 要：CCS水電站8臺沖擊式水輪機(jī)存在尾水洞有壓工況運行（下游河道水位高于尾水洞運行水位）模式，經(jīng)對水輪機(jī)機(jī)坑內(nèi)氣泡的形成過程進(jìn)行模擬研究，結(jié)合水輪機(jī)模型試驗觀察和分析壓氣工況時水流的速度、氣泡的大小和氣泡的聚集形態(tài)，找出影響水輪機(jī)安全穩(wěn)定運行的因素，提出在尾水洞下游側(cè)設(shè)自然補(bǔ)氣和強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)，將水面降低到一定水位，形成必需的通氣高度，解決沖擊式水輪機(jī)在尾水洞有壓工況下安全穩(wěn)定運行的問題。

關(guān)鍵詞：尾水洞;沖擊式水輪機(jī);模型試驗;壓氣系統(tǒng);安全穩(wěn)定運行;CCS水電站

中圖分類號：TV734.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.021

Abstract：The 8 pelton turbines of CCS Hydropower Station have anunderpressure operation mode in tailrace tunnel（when the water level of the downstream river is higher than that of the tailrace tunnel operating level） ，from studying the formation process of bubbles in the turbine pit ，combing with observing the turbine model test and analyzing water velocity ，bubbles size and the accumulation form of the bubbles during the compressed air condition， it found out the factors that affect the safe and stable operation of the turbine and proposed a natural air supply system and forced air supply system on the downstream side of the tailrace tunnel to reduce the water surface to form the necessary ventilation height to solve the problem of safe and stable operation of the pelton turbine under pressure in the tailrace tunnel.

Key words： tailrace tunnel; pelton turbine; model test; compressed air system; safe and stable operation; CCS Hydropower Station

1 概 述

厄瓜多爾科卡科多辛克雷（Coca Codo Sinclair，簡稱CCS）水電站位于亞馬孫河二級支流可卡河上，距離首都基多130 km，水電站地下廠房內(nèi)安裝8臺沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 500 MW，是該國戰(zhàn)略性能源工程，也是目前世界上規(guī)模最大的沖擊式機(jī)組水電站。水電站設(shè)計年發(fā)電量達(dá)88億kW·h，建成后將滿足厄瓜多爾全國1/3人口的電力需求，結(jié)束該國進(jìn)口電力的歷史。該電站也是中國公司在海外獨立承擔(dān)設(shè)計的規(guī)模最大的水電工程之一。

CCS水電站由首部樞紐、引水隧洞、調(diào)蓄水庫及地下廠房等組成。該工程概念設(shè)計（相當(dāng)于國內(nèi)的可行性研究）由意大利ELC公司完成，對概念設(shè)計進(jìn)行復(fù)核時發(fā)現(xiàn)，正常工況下尾水洞是無壓洞，在較大洪水條件下（流量大于1 600 m3/s），下游河道水位抬高將導(dǎo)致8條尾水洞水位上升，尾水洞成為有壓運行模式，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室壓力降低，涌浪出現(xiàn)，水輪機(jī)效率嚴(yán)重下降，機(jī)組不能正常運行，這是概念設(shè)計及主合同均沒有提及的一種特殊工況。

在基本設(shè)計階段，考慮尾水洞出口地質(zhì)條件等因素，決定將尾水洞出口位置下移200 m左右，使得上述情況有所緩解，尾水洞成為有壓洞的洪水流量由1 600 m3/s提高到2 800 m3/s。根據(jù)水文專業(yè)的計算，電站平均每年有半個月左右時間出現(xiàn)較大洪水條件（流量大于2 800 m3/s），會導(dǎo)致水輪機(jī)短時停機(jī)，作為國家的骨干電站，一旦停機(jī)對國家電網(wǎng)沖擊較大，為避免這種工況出現(xiàn)，曾提出過抬高水輪機(jī)安裝高程（抬高4 m）并相應(yīng)抬高調(diào)蓄水庫高程（提高上游水位）方案，但因投資大、工程實施困難大等因素而擱淺。經(jīng)與水輪機(jī)廠家充分交流，提出在尾水洞下游側(cè)設(shè)自然補(bǔ)氣系統(tǒng)和強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)，其中強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)將水面降低至一定水位，形成必需的通氣高度，解決了沖擊式水輪機(jī)在尾水洞有壓工況下安全穩(wěn)定運行的難題。自然補(bǔ)氣系統(tǒng)和強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)已在2012年5月瑞士洛桑水輪機(jī)模型試驗中得到驗證，為后期項目實施提供了可靠的依據(jù)及技術(shù)支撐。

一般為了獲得最大可能的工作水頭，應(yīng)使沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪盡量布置在靠近最高尾水位的地方，避開機(jī)組變負(fù)荷時尾水洞內(nèi)的涌浪，保證通風(fēng)，避免轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)輪與尾水頂部的泡沫接觸而引起效率損失，轉(zhuǎn)輪與最高尾水位之間需要有一個最小距離，即水輪機(jī)排出高度。與反擊式水輪機(jī)相比，這部分水頭未能被利用，因此也稱為“水頭丟失”。當(dāng)水輪機(jī)正常運行后水流離開水斗落入尾水坑的過程中會大量摻氣，因而將空氣帶走，若尾水洞（渠）通氣高度不夠，從水中分離出來的空氣不能全部返回機(jī)殼，使機(jī)殼內(nèi)出現(xiàn)真空，則會造成水輪發(fā)電機(jī)組效率下降和機(jī)組振動加劇。為了避免機(jī)殼內(nèi)出現(xiàn)不良的條件，必須采取補(bǔ)氣的方法使機(jī)殼內(nèi)的壓力與大氣壓力保持平衡。

沖擊式水輪機(jī)在尾水洞有壓工況下運行，目前中國還沒有先例，世界上僅有少數(shù)幾個電站存在這種工況，且是下游河道水位常年高于尾水洞水位，不存在工況轉(zhuǎn)化問題，均采取強(qiáng)迫補(bǔ)氣壓水措施，將尾水洞水位降低到能保證水輪機(jī)安全運行的高度，使得轉(zhuǎn)輪能在空氣中運轉(zhuǎn)，確保水輪機(jī)安全穩(wěn)定運行。CCS的8臺水輪機(jī)大多數(shù)時間處于正常運行工況，只有在大洪水條件下尾水洞才成為有壓洞，因此其運行工況、邊界條件、機(jī)組結(jié)構(gòu)形式方面均較為特殊。

2 補(bǔ)氣系統(tǒng)

沖擊式水輪機(jī)的補(bǔ)氣系統(tǒng)可分為氣泡的形成過程和空氣回收過程兩個獨立的過程。其中泡沫的形成過程為復(fù)雜的兩相流問題，目前研究還不夠深入，重要參數(shù)的研究才剛剛起步。因此，這里以水輪機(jī)模型試驗為依據(jù)，并結(jié)合少量已運行的類似電站對空氣回收系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

當(dāng)下游河道水位正常時，氣泡被尾水洞（渠）的水流帶入下游河道中。為了減少這部分空氣的損失量，彌補(bǔ)機(jī)殼內(nèi)的氣壓損失，有必要設(shè)置空氣回收系統(tǒng)，尤其是當(dāng)氣泡分布峰荷正好在水輪機(jī)機(jī)坑出口處高程時空氣的損失量更大，空氣回收系統(tǒng)的設(shè)置顯得更加重要。

為了解決無壓狀態(tài)下水輪機(jī)工作水頭與能量效率以及安全穩(wěn)定運行之間的矛盾，在尾水洞內(nèi)設(shè)置自然補(bǔ)氣管，利用尾水洞內(nèi)的壓差，自動把水流落入尾水坑過程中摻入的空氣通過補(bǔ)氣管道再送回機(jī)殼內(nèi)，從而破壞機(jī)殼出現(xiàn)的真空，維持機(jī)組效率，減少機(jī)組振動。為了保證水輪機(jī)機(jī)殼內(nèi)的最優(yōu)補(bǔ)氣，補(bǔ)入的空氣應(yīng)從水輪機(jī)機(jī)殼的中心部位補(bǔ)入，空氣的大部分應(yīng)能直接補(bǔ)入機(jī)殼中。因此，有必要對水斗式水輪機(jī)無壓工況運行時自然補(bǔ)氣系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

沖擊式水輪機(jī)尾水氣體含量隨著出力的增大而增加，更多的水從斗葉甩出會產(chǎn)生更多的泡沫，擠壓氣泡的間距。由于尾水洞（渠）進(jìn)口處水流高度紊動，氣泡不會合并，另外氣體在尾水渠的垂直方向分布非常不均勻，因此集群氣泡的逸出速度在渠道的進(jìn)口和接近表面處最小。為了有效利用尾水洞內(nèi)的空氣，需要在合適的位置設(shè)置擋氣坎回收空氣，這樣在離機(jī)組中心線下游約14倍轉(zhuǎn)輪直徑的尾水洞（渠）處自由氣泡的比例基本可達(dá)100%。

3 補(bǔ)氣系統(tǒng)的水輪機(jī)模型試驗

2012年5月21日至5月25日，在瑞士的洛桑安德里茨水力實驗室進(jìn)行了水輪機(jī)模型驗收試驗。該試驗臺配有高精度的測量設(shè)備，其中流量測量誤差為±0.162%，水力比能測量誤差為±0.112%，力矩測量誤差為±0.100%，轉(zhuǎn)速測量誤差為±0.050%，模型效率誤差為±0.232%，綜合效率誤差為±0.246%，滿足IEC有關(guān)要求。

模型試驗臺的主要參數(shù)：最高水頭320 m，最大流量0.3 m3/s，最大功率940 kW。模型水輪機(jī)的主要參數(shù)：轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑361.5 mm，斗葉寬度90.1 mm，噴嘴直徑35.8 mm，水斗數(shù)22，原模型比尺為9.264 7∶1。根據(jù)合同要求對水輪機(jī)進(jìn)行了效率試驗、出力試驗、飛逸試驗、自然補(bǔ)氣和強(qiáng)迫補(bǔ)氣試驗、折向器推力測量試驗以及模型尺寸檢查試驗等。

針對CCS水電站存在的壓氣運行工況（尾水洞有壓工況），對試驗臺尾水渠及末端進(jìn)行改造，在整個尾水段裝設(shè)觀察口（透明玻璃），尾水出口安裝了擋氣坎及一個高位水箱（涌高水位），對整個水流流態(tài)進(jìn)行了模擬，并進(jìn)行了自然補(bǔ)氣和強(qiáng)迫補(bǔ)氣試驗。根據(jù)相似定律確定了水輪機(jī)流道并設(shè)置了相應(yīng)的自然補(bǔ)氣系統(tǒng)和強(qiáng)迫壓氣系統(tǒng)，在模型試驗臺上，進(jìn)行了額定凈水頭為604.1 m、額定出力為188.266 MW時各種工況的模擬，記錄了在尾水流道鼻端后水位不同時水輪機(jī)效率、氣流量和氣壓的變化情況，并通過原模型效率、氣流量和氣壓的換算得到原型水輪機(jī)的補(bǔ)氣試驗參數(shù)，補(bǔ)氣試驗曲線見圖1。

在自然補(bǔ)氣試驗中，通過圖1可以發(fā)現(xiàn)，在鼻端尾水位高于607.8 m時，水輪機(jī)效率隨尾水位的抬高下降得非?？?，而在低于607.8 m時，水輪機(jī)的效率幾乎不隨尾水位的變化而變化，在尾水位達(dá)到607.3 m時水輪機(jī)的效率不受尾水位的影響，很顯然自然補(bǔ)氣試驗的結(jié)果是滿足要求的。在強(qiáng)迫補(bǔ)氣試驗中，一是要檢驗壓縮空氣對水輪機(jī)效率的影響程度，二是要驗證在尾水位變化時所選用的空壓機(jī)容量是否能夠滿足壓氣要求。隨著尾水位不斷升高，甚至達(dá)到609.6 m極端尾水位時，在保證機(jī)殼內(nèi)的氣壓及空壓機(jī)排氣量的前提下，水輪機(jī)效率受尾水位的影響極小。當(dāng)然，隨著機(jī)殼內(nèi)氣壓的增大，機(jī)殼內(nèi)的空氣密度也在增大，這就導(dǎo)致了轉(zhuǎn)輪的風(fēng)損增大，水輪機(jī)的效率微弱地下降，也證明了強(qiáng)迫壓氣及補(bǔ)氣系統(tǒng)設(shè)計合理、可靠，擋氣坎位置選擇正確。

4 工程應(yīng)用

CCS水電站沖擊式水輪機(jī)的排出高度為3.8 m，尾水支洞通氣高度為1 m，尾水洞水位允許的最高運行水位為607.3 m，如超過這個水位，需要投入壓縮空氣，將水位壓到607.3 m以下水輪機(jī)才能運行。水輪機(jī)壓氣系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)和空氣回收系統(tǒng)組成，通常包括注入機(jī)殼的壓縮空氣和對應(yīng)設(shè)置在尾水支洞內(nèi)的擋氣坎來回收空氣。

4.1 空氣回收系統(tǒng)

CCS水電站從機(jī)殼到尾水洞埋有供氣管道，管道離機(jī)殼有足夠的距離。管道的供氣量為水輪機(jī)最大流量的20%～30%，進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)的氣流速度不宜太高，空氣流速控制在20～30 m/s，每個噴嘴設(shè)置獨立的管道系統(tǒng)，自然補(bǔ)氣系統(tǒng)共布置8根補(bǔ)氣管路，其中：15%的氣量從2根口徑250 mm管路為中心體補(bǔ)氣，空氣口的位置位于尾水洞的進(jìn)口處以及距離水輪機(jī)中心線52 m處;85%的氣量從6根口徑350 mm管路為機(jī)殼內(nèi)補(bǔ)氣，空氣口的位置位于尾水洞的進(jìn)口處以及距離水輪機(jī)中心線20 m的鼻端處，分散在不同的角度。自然補(bǔ)氣的管路布置見圖2。

4.2 壓氣運行系統(tǒng)

4.2.1 壓氣系統(tǒng)

在壓氣運行系統(tǒng)中，供氣系統(tǒng)和空氣回收系統(tǒng)之間達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)組合非常重要。CCS水電站供氣系統(tǒng)在高程608.0 m設(shè)置了2臺75 kW鼓風(fēng)機(jī)（一主一備）用于向水輪機(jī)機(jī)殼內(nèi)注入壓縮空氣，壓氣系統(tǒng)見圖3。

根據(jù)計算，CCS水電站在尾水支洞離機(jī)組中心線下游約56 m處自由氣泡的比例達(dá)到100%，因此參考類似電站的運行經(jīng)驗，在距機(jī)組中心線56 m的位置設(shè)置擋氣坎用于回收尾水支洞內(nèi)的氣體。

4.2.2 壓氣系統(tǒng)管路

空壓機(jī)的氣量偏小，一根管子就能夠滿足要求。根據(jù)模型試驗結(jié)果，為了確保足夠的補(bǔ)氣量，空壓機(jī)所連接的管路直徑確定為400 mm。在模型水輪機(jī)中，管路的位置背對尾水洞，以確保有足夠的壓力進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)。在原型水輪機(jī)中，其位置和模型水輪機(jī)保持一致。

4.2.3 壓氣系統(tǒng)自動控制

在每條尾水支洞前后兩個斷面各設(shè)置了2個微壓傳感器，共4個微壓傳感器，通過壓差計算出尾水支洞內(nèi)的水位，用于控制2臺鼓風(fēng)機(jī)啟停。

4.2.4 壓氣系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

當(dāng)尾水洞處于有壓狀態(tài)時，需投入壓氣運行系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)迫壓氣，經(jīng)過上述選型計算，壓氣運行系統(tǒng)所需設(shè)備主要參數(shù)見表1。

5 結(jié) 論

對沖擊式水輪機(jī)機(jī)坑內(nèi)氣泡的形成過程進(jìn)行模擬研究，采取在尾水洞下游側(cè)設(shè)自然補(bǔ)氣和強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)的措施，并通過水輪機(jī)模型試驗得到驗證，CCS水電站8臺水輪機(jī)在發(fā)生較大洪水條件下能安全穩(wěn)定運行，確保了電網(wǎng)安全與穩(wěn)定。根據(jù)水文專業(yè)的計算，每年出現(xiàn)較大洪水天數(shù)按15 d考慮，每天按20 h計算，由此每年可以多發(fā)電45 000萬kW·h。

CCS水電站8臺機(jī)組于2016年11月全部投產(chǎn)發(fā)電，至今水輪機(jī)運行穩(wěn)定，效率較高，完全滿足合同要求，已產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前還沒有發(fā)生過大洪水，現(xiàn)場配置的壓氣系統(tǒng)還沒有投入運用，但已做好調(diào)試運行工作，隨時可以投入運行。

【責(zé)任編輯 張華巖】