大朝山水電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造中額定水頭的分析選擇

石佳磊

（國(guó)投云南大朝山水電有限公司，云南 昆明 650213）

1 電站概況

云南大朝山水電站位于云南省臨滄市云縣和普洱市景東縣交界的瀾滄江上，該電站為瀾滄江中下游河段規(guī)劃建成投產(chǎn)的第四級(jí)電站，水庫(kù)正常蓄水位為899.0 m，水庫(kù)總庫(kù)容為 9.4 億m3，為季調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站以發(fā)電為主要目的，共安裝 6 臺(tái)單機(jī)容量 225 MW 的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 350 MW，在上游小灣電站投產(chǎn)前多年平均發(fā)電量為59.31 億 kW·h，小灣電站投產(chǎn)后多年平均發(fā)電量為70.21 億 kW·h，向云南電網(wǎng)和西電東送工程輸送強(qiáng)大電流，是云南電網(wǎng)主要調(diào)峰調(diào)頻電廠之一。

為了滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)供不應(yīng)求狀態(tài)的需求，大朝山水電站原轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)偏向于獲得更高的水輪機(jī)效率，過(guò)多的注重水輪機(jī)的能量性能而忽視了水力穩(wěn)定性。2008 年以后，由于云南電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，機(jī)組運(yùn)行方式多變且需經(jīng)常在運(yùn)行工況相對(duì)惡劣的低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行，這使得水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題變得越來(lái)越突出。低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)壓力脈動(dòng)、振動(dòng)、擺度及噪音均較大，多項(xiàng)指標(biāo)超出主機(jī)合同及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求值，轉(zhuǎn)輪裂紋現(xiàn)象非常嚴(yán)重且頻繁出現(xiàn)，僅靠局部修復(fù)已很難從根本上解決問(wèn)題。為從根本解決水輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的問(wèn)題，大朝山水電站從2022 年開(kāi)始對(duì)水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪展開(kāi)了更新改造。

表1 水輪機(jī)主要參數(shù)

2 額定水頭的選擇

額定水頭（rated head）是指“水輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下，輸出額定功率時(shí)所需的最小水頭?！彼啓C(jī)額定水頭的選擇將直接影響水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑、加權(quán)平均效率和水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。選擇一個(gè)合理的額定水頭并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)、合理匹配各項(xiàng)水力參數(shù)，可以減少壓力脈動(dòng)、振動(dòng)和空化帶來(lái)的破壞，保證機(jī)組運(yùn)行安全，并獲得更為優(yōu)秀的運(yùn)行效率。

大朝山水電站新轉(zhuǎn)輪改造項(xiàng)目中在維持原轉(zhuǎn)輪尺寸與額定出力基本不變的情況下，需要對(duì)機(jī)組的額定水頭進(jìn)行復(fù)核選擇。

2.1 運(yùn)行現(xiàn)狀分析

大朝山水電站原設(shè)計(jì)最高水頭在小灣電站投產(chǎn)前（以下簡(jiǎn)稱(chēng)前期）為85.63 m，小灣電站投產(chǎn)后（簡(jiǎn)稱(chēng)后期）為82.90 m，最低水頭前期為53.02 m，后期為59.07 m，加權(quán)平均水頭前期為71.11 m，后期為75.43 m，最低水頭提升了約6 m，加權(quán)平均水頭提升約4 m。后期最高水頭與最低水頭之比為1.403，水頭變幅較大。

從表2 及圖1 大朝山水電站2004～2017 年采集的水文數(shù)據(jù)來(lái)看，電站月平均毛水頭基本上在64 m以上，特別是2011 年小灣電站建成全部投產(chǎn)后月平均毛水頭都在70 m 以上，大部分都處于76.5～83 m之間。大朝山水電站布置型式為地下廠房長(zhǎng)尾水洞，6 臺(tái)機(jī)組廠前引水管道為單機(jī)單管布置，廠后3臺(tái)機(jī)組共用1 條尾水洞。輸水系統(tǒng)水頭損失按下式計(jì)算：

表2 大朝山水電站 2004～2017 年毛水頭統(tǒng)計(jì) 單位：m

圖1 大朝山水電站2011～2017 年毛水頭正態(tài)分布

1 臺(tái)機(jī)組發(fā)電時(shí)：Δh=24.93×10-6×Q2

其他情況：Δh=3.119+8.637 5×10-7×Q2

注：式中Q為電站機(jī)組總過(guò)流量。

根據(jù)上述引水系統(tǒng)水頭損失公式計(jì)算，電站平均水頭損失為 4.65 m。故根據(jù)表2 毛水頭統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，小灣電站建成后，大朝山水電站目前實(shí)際運(yùn)行水頭（凈水頭）長(zhǎng)期處于 72～78.5 m 區(qū)間，與后期 75.43 m 的加權(quán)平均水頭基本吻合。

從上述的分析來(lái)看，目前機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭范圍較后期原設(shè)計(jì)運(yùn)行水頭范圍已發(fā)生了改變，且長(zhǎng)期高于原額定水頭運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)水頭變化幅度較大的水電站，額定水頭越低，機(jī)組在高水頭區(qū)域運(yùn)行時(shí)越不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生較大的振動(dòng)、壓力脈動(dòng)等；額定水頭越高，機(jī)組在低水頭區(qū)域出力受阻就越嚴(yán)重。根據(jù)目前電站實(shí)際運(yùn)行情況，需要小負(fù)荷或者空載情況長(zhǎng)期運(yùn)行，適當(dāng)提高額定水頭對(duì)水力穩(wěn)定性能是有利的，基于轉(zhuǎn)輪改造的最終目的，所以在額定水頭的選擇中應(yīng)以穩(wěn)定性為首要考慮，同時(shí)保障其他要素盡量最優(yōu)，因此額定水頭有抬高的可能性。

2.2 方案擬定比選

根據(jù)大朝山水電站初設(shè)報(bào)告、技施報(bào)告、汛期運(yùn)用水位調(diào)整研究報(bào)告、水庫(kù)調(diào)度設(shè)計(jì)報(bào)告成果，在上游小灣水電站投產(chǎn)后，結(jié)合大朝山水電站實(shí)際汛限水位運(yùn)行情況，初步擬定72.5 m、74.0 m、75.0 m 和 76.0 m 4 個(gè)不同額定水頭方案，并按汛期控制水位887 m、893 m 和895 m 3 種方案分別測(cè)算。

2.2.1 水力設(shè)計(jì)分析

（1）水頭比值

根據(jù)DL/T 5186-2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》及條文說(shuō)明規(guī)定：“對(duì)于中高水頭電站，額定水頭宜在加權(quán)平均水頭的0.95～1 的范圍內(nèi)選??；最大凈水頭與額定水頭的比值也可作為選擇額定水頭的參考，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明Hmax/Hr 比值，國(guó)外有85%的電站小于1.15，國(guó)內(nèi)有75%的電站小于1.15，而這些大型機(jī)組運(yùn)行情況都較好”。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大型水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性能的調(diào)查分析，為保證高水頭部分負(fù)荷工況運(yùn)行穩(wěn)定性，水輪機(jī)在高水頭范圍運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉應(yīng)有合適的開(kāi)度。若機(jī)組額定水頭選擇偏低，即使機(jī)組在高水頭段的額定負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)葉開(kāi)度也相對(duì)偏小，尤其是高水頭段的部分負(fù)荷區(qū)導(dǎo)葉開(kāi)度偏小更為突出，葉片進(jìn)口會(huì)產(chǎn)生“撞擊”的渦流和轉(zhuǎn)輪出口的旋轉(zhuǎn)渦流，并誘發(fā)尾水管的壓力脈動(dòng)使水輪機(jī)的運(yùn)行不穩(wěn)定、葉片及轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生振動(dòng)而使應(yīng)力增大，這也是轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的重要因素。72.5 m、74.0 m、75.0 m 和76.0 m 4 個(gè)不同額定水頭與電站后期加權(quán)水頭 75.43 m 的比值分別為 0.96、0.98、0.99 和1.01，除76 m 超過(guò)加權(quán)平均水頭的1.0 外，其它3 個(gè)水頭均滿(mǎn)足要求。電站后期最大水頭 82.9 m 與額定水頭 72.5 m、74.0 m、75.0 m 的比值分別為1.14、1.12 和1.105，3 個(gè)水頭比值均小于1.15，均滿(mǎn)足要求。

大朝山水電站前期加權(quán)水頭71.11 m，后期加權(quán)水頭75.43 m，原額定水頭的選取是綜合考慮了前后期的加權(quán)水頭，既考慮了前期電站的發(fā)電效益，更主要的是考慮了小灣水電站建成后的電站發(fā)電效益，最終選取72.5 m。前后期加權(quán)水頭平均值為73.23 m，額定水頭 72.5 m 與其的比值為 0.99，后期加權(quán)水頭75.43 m，按原比值水平計(jì)算，得后期額定水頭約為75 m。

基于上述關(guān)于水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的分析，僅從機(jī)組穩(wěn)定性角度考慮，額定水頭越高對(duì)其在高水頭區(qū)域的運(yùn)行穩(wěn)定性越有利，故將額定水頭抬高到 75 m 是較為可行的。

（2）額定比轉(zhuǎn)速

較高的比轉(zhuǎn)速帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是十分巨大的，但是過(guò)高的比轉(zhuǎn)速值會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)的空蝕、泥沙磨損及穩(wěn)定性等性能惡化，最優(yōu)效率降低，高效率運(yùn)行工況區(qū)變窄，進(jìn)而無(wú)法達(dá)到提高綜合性能的目的。額定水頭與水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的大小直接相關(guān)，大朝山水電站機(jī)組水頭變幅較大，需要帶部分小負(fù)荷或者空載長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，比轉(zhuǎn)速選擇應(yīng)以水力穩(wěn)定性為主。比轉(zhuǎn)速及比轉(zhuǎn)速系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：

ns—水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速，單位為m·kW；

K—比轉(zhuǎn)速系數(shù)；

n—水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

P—水輪機(jī)功率，kW；

H—水輪機(jī)水頭m。

大朝山水電站原額定水頭Hr=72.5 m，水輪機(jī)額定出力Pr=229.6 MW，同步轉(zhuǎn)速nr=115.4 r/min，據(jù)此計(jì)算額定比轉(zhuǎn)速ns=261.4 m·kW，比轉(zhuǎn)速系數(shù)K=2 225.6。

目前對(duì)于如何選擇和確定比轉(zhuǎn)速，如何評(píng)定比轉(zhuǎn)速的高低還沒(méi)有精確的判斷方法，一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法來(lái)分析評(píng)價(jià)，即通過(guò)對(duì)相似電站的比轉(zhuǎn)速及比轉(zhuǎn)速系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比以及統(tǒng)計(jì)回歸曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行確定。

圖2 是對(duì)多個(gè)混流式水電機(jī)組做出的統(tǒng)計(jì)回歸曲線(xiàn)，由該曲線(xiàn)可知額定水頭Hr=75 m 時(shí)，所對(duì)應(yīng)的比轉(zhuǎn)速大約在250 m·kW。通過(guò)與表3 相近水頭段的電站參數(shù)統(tǒng)計(jì)比較，大朝山水電站的比轉(zhuǎn)速水平相比統(tǒng)計(jì)平均值偏高，因此適當(dāng)提高額定水頭會(huì)使比轉(zhuǎn)速小幅降低，對(duì)于保證電站的穩(wěn)定性與整體效益是有利的。額定水頭Hr=74 m 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的ns=254.8 m·kW，比轉(zhuǎn)速系數(shù)K=2 192；額定水頭Hr=75 m 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的ns=250.5 m·kW，比轉(zhuǎn)速系數(shù)K=2 170；前述2 種額定水頭的比轉(zhuǎn)速數(shù)值在表3 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中均占中等水平且都與圖2 的統(tǒng)計(jì)回歸曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)值相近，75 m 對(duì)應(yīng)的比轉(zhuǎn)速較74 m 相對(duì)更低一些，水力穩(wěn)定性相對(duì)就會(huì)更好一些，故從比轉(zhuǎn)速方面考慮，額定水頭選擇 75 m 更為理想。

圖2 混流式水電機(jī)組比轉(zhuǎn)速和額定水頭統(tǒng)計(jì)回歸曲線(xiàn)

表3 50～80 m 水頭段部分機(jī)組參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

（3）效率

適當(dāng)提高額定水頭對(duì)提高機(jī)組整體加權(quán)平均效率也是有利的，大朝山水電站機(jī)組原水輪機(jī)選型及設(shè)計(jì)思路更多關(guān)心大負(fù)荷區(qū)域的效率水平，原轉(zhuǎn)輪模型加權(quán)平均效率達(dá)到了91.99%，真機(jī)加權(quán)平均效率達(dá)到了93.62%，即使在當(dāng)今也是處于較高水平，這種理念雖然使加權(quán)平均效率最大化，但卻忽視了機(jī)組在小負(fù)荷工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性，這也是造成大朝山機(jī)組運(yùn)行區(qū)域狹窄、轉(zhuǎn)輪裂紋的主要原因。從電站目前運(yùn)行的加權(quán)因子表4 來(lái)看，小負(fù)荷（0%～45%額定出力）工況下的加權(quán)因子為10.3%，大負(fù)荷（90%～100%額定出力）工況下的加權(quán)因子達(dá)到了約63.8%。如果單從提高加權(quán)平均效率的角度出發(fā)，那么需在水力選型時(shí)將最優(yōu)工況向額定工況點(diǎn)靠近，這就會(huì)與電站的原設(shè)計(jì)思路一致，導(dǎo)致機(jī)組在小負(fù)荷工況下水力穩(wěn)定性差的問(wèn)題就無(wú)法徹底解決。大朝山機(jī)組目前小負(fù)荷及空載工況占有較大比重，該區(qū)域穩(wěn)定性好壞將是決定此次轉(zhuǎn)輪改造成功與否的關(guān)鍵，同時(shí)要滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)45%～100%負(fù)荷區(qū)域（101～225 MW）的穩(wěn)定運(yùn)行要求，因此此次改造必須將水輪機(jī)的最優(yōu)工況點(diǎn)向小負(fù)荷工況傾斜，才能改善機(jī)組在小負(fù)荷及空載工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

表4 大朝山水電站水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行加權(quán)因子表(W i)

從設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，大朝山此次轉(zhuǎn)輪改造額定水頭在72.5 m、74 m 和75 m 時(shí)的目標(biāo)效率預(yù)計(jì)值見(jiàn)表5。

表5 大朝山水電站水輪機(jī)改造前后效率對(duì)比

由表5 可知，額定水頭Hr=74 m 時(shí)機(jī)組加權(quán)平均效率值較Hr=72.5 m 提高了0.2%，尾水管最大壓力脈動(dòng)值（主要是部分負(fù)荷工況）降低值了1%；額定水頭Hr=75 m 時(shí)機(jī)組加權(quán)平均效率值較Hr=72.5 m 提高了0.3%，尾水管最大壓力脈動(dòng)值（主要是部分負(fù)荷工況）降低了2%。如果維持原額定水頭Hr=72.5 m，此時(shí)額定工況點(diǎn)流量增加，加權(quán)平均效率降低較多，故從效率方面考慮，額定水頭選擇75 m更為理想。

綜合上述對(duì)水頭比值、比轉(zhuǎn)速和效率3 個(gè)方面的分析，從水力設(shè)計(jì)角度分析，將額定水頭抬高至 75 m 更有利于保證水力穩(wěn)定性。

2.2.2 動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

通過(guò)對(duì)大朝山水電站從1953 年6 月至2000 年5 月共47 年徑流系列資料進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，延長(zhǎng)后的徑流系列多年平均徑流量為1 357 m3/s。對(duì)庫(kù)容、尾水出口水位、蒸發(fā)、滲漏損失及庫(kù)區(qū)工農(nóng)業(yè)用水等水量損失等的數(shù)據(jù)復(fù)核，并根據(jù)大朝山水電站的機(jī)組機(jī)型及額定水頭，計(jì)算不同水頭電站預(yù)想出力，進(jìn)行各方案徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，主要成果見(jiàn)表6。

表6 各方案徑流調(diào)節(jié)成果

從表6 可以看出，水輪機(jī)額定水頭越高，出力受阻部分越多（大朝山電站實(shí)際運(yùn)行中出力受阻主要發(fā)生在汛期的部分低水頭段時(shí)段）。水輪機(jī)額定水頭抬高至75 m 后，電站多年平均發(fā)電量較72.5 m額定水頭略有減少，鑒于表5 中水輪機(jī)的效率值為可研階段的保守預(yù)估值，在設(shè)備招標(biāo)采購(gòu)階段要求主機(jī)廠家按不低于此預(yù)估值進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行優(yōu)勝劣汰，故在新轉(zhuǎn)輪確定后電站實(shí)際的多年平均發(fā)電量較表格中的計(jì)算值將會(huì)相平或有所增加，電站最終的多年平均發(fā)電量較原額定水頭72.5 m 相差不大，因此額定水抬高至75 m 是可行的。

從發(fā)電量及動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面考慮，希望選擇較低的額定水頭；從水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性方面考慮，希望選擇較高的額定水頭。故額定水頭的選擇要盡量做到動(dòng)能經(jīng)濟(jì)和機(jī)組穩(wěn)定性的平衡，但是很顯然，經(jīng)濟(jì)效益是建立在電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上的，應(yīng)服從于安全穩(wěn)定運(yùn)行。綜上分析，考慮到大朝山機(jī)組目前存在的主要問(wèn)題，應(yīng)首先從保證水力穩(wěn)定性能的角度來(lái)考慮額定水頭的問(wèn)題，再同時(shí)平衡電量經(jīng)濟(jì)，故在此次改造中大朝山水電站額定水頭由原 72.5 m 抬高至 75 m 較為合適。

3 結(jié)語(yǔ)

水輪機(jī)作為水電站的核心設(shè)備，其安全平穩(wěn)的運(yùn)行對(duì)電站起著重要的作用。額定水頭的選擇應(yīng)當(dāng)綜合各項(xiàng)資料，在技術(shù)上確定水輪機(jī)額定水頭可選范圍，對(duì)符合經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的方案進(jìn)行比選，從而選擇出各項(xiàng)指標(biāo)最優(yōu)的水輪機(jī)額定水頭。最終達(dá)到既保證電能的安全穩(wěn)定供應(yīng)，又能創(chuàng)造最大的經(jīng)濟(jì)效益，使高效和穩(wěn)定相結(jié)合。