高 磊，田志明

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080;2.穆棱市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，黑龍江依蘭 157500)

對(duì)依蘭航電樞紐水輪機(jī)組安裝高程的分析

高 磊1，田志明2

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080;2.穆棱市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，黑龍江依蘭 157500)

以依蘭航電樞紐為例，對(duì)燈泡貫流式水輪機(jī)的安裝高程選取進(jìn)行分析，討論確定低水頭徑流式電站，尤其是燈泡貫流式水輪機(jī)安裝高程選取過程中所考慮的因素及方法。

河床式電站;燈泡貫流式機(jī)組;吸出高度;安裝高程;尾水位;空蝕

1 項(xiàng)目概述

依蘭航電樞紐位于依蘭縣境內(nèi)，松花江干流牡丹江匯合口上游700 m處，地處依蘭縣界，壩址下距依蘭縣城2.5 km，上距哈爾濱市330 km(航道距離)。

水電站為河床式，電站廠房布置在左岸主河槽內(nèi)，右側(cè)與泄洪閘相接，左側(cè)連接土壩。水電站建筑物主要由引水渠、進(jìn)水口、交通橋、電站廠房、尾水平臺(tái)及尾水渠等組成。廠房?jī)?nèi)安裝8臺(tái)單機(jī)容量為15 MW的貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為120 MW。單機(jī)引用流量265.85 m3/s。

各出力情況下對(duì)應(yīng)下游尾水位見表1。

表1 各出力情況下游尾水位對(duì)照表

2 水輪機(jī)組吸出高度Hs值的計(jì)算及確定

燈泡式貫流式水輪機(jī)葉片的空化系數(shù)隨時(shí)間的變化而變化，因此對(duì)燈泡式水輪機(jī)的空化系數(shù)進(jìn)行取值時(shí)，要弄清由它計(jì)算出的Hs值是相對(duì)于下游尾水位到機(jī)組主軸中心線還是到主軸中心線上方葉輪的D1/4處，本項(xiàng)目按主軸中心線處計(jì)算。不同制造廠家對(duì)氣蝕安全余度及空化系數(shù)的安全系數(shù)取值也各有不同。

根據(jù)公式Hs≤10-▽/900-KσHr計(jì)算轉(zhuǎn)輪葉片頂點(diǎn)處的Hs。式中，電站海拔高程為92 m;K為轉(zhuǎn)輪葉片頂點(diǎn)處的安全系數(shù)，參考多數(shù)電站及設(shè)計(jì)資料取值為1.05;σ為模型轉(zhuǎn)輪葉片頂點(diǎn)處的臨界空化系數(shù)，查取轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線設(shè)計(jì)工況點(diǎn)處σ值為2.6，設(shè)計(jì)水頭Hr為6.4 m，經(jīng)計(jì)算水輪機(jī)吸出高度Hs≤-7.57 m。

3 下游水位的選取

計(jì)算燈泡式貫流機(jī)組的安裝高程時(shí)，可以選用電站額定出力下的水輪機(jī)流量對(duì)應(yīng)的下游尾水位，而不是像過去那樣按《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)))(水力機(jī)械)計(jì)算公式，用1臺(tái)機(jī)或半臺(tái)機(jī)額定出力時(shí)相應(yīng)的下游水位作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

安裝高程在不同臺(tái)數(shù)機(jī)組額定出力下計(jì)算時(shí)，由于不同情況對(duì)應(yīng)的下游尾水位不同，因此機(jī)組對(duì)應(yīng)的發(fā)電水頭也不同，相應(yīng)的運(yùn)行工況也不同。額定出力的機(jī)組臺(tái)數(shù)越少，對(duì)應(yīng)的下游尾水位越低，水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電水頭就越高，也就越接近最優(yōu)運(yùn)行工況，此時(shí)空化系數(shù)也就越小，因此在這種工況下計(jì)算出的機(jī)組安裝高程是最低的。

依蘭航電樞紐位于依蘭水文站上游約2.5 km，依蘭水文站斷面現(xiàn)狀水平年P(guān)=95%日保證率通航期流量為733 m3/s，到近期水平年2020年，通航期P=95%的通航流量減小為682 m3/s，遠(yuǎn)期水平年P(guān)=95%日保證率的流量為620 m3/s。牡丹江由依蘭樞紐下壩址下游700 m處匯入松花江干流，不但對(duì)下游航運(yùn)有一定影響，且其回水對(duì)壩下水位也有一定影響。依蘭航電樞紐壩址多年平均徑流量為528×108m3。兼顧電站運(yùn)行情況和下游通航要求，本電站選用2臺(tái)機(jī)組滿發(fā)時(shí)下泄流量所對(duì)應(yīng)的尾水位，2臺(tái)機(jī)發(fā)電(Q=531.70 m3/s)尾水位為89.77 m。

4 水輪機(jī)安裝高程的確定

水輪發(fā)電機(jī)組的安裝高程對(duì)電站高效穩(wěn)定運(yùn)行的影響十分重大。若機(jī)組安裝高程選取合理，既能節(jié)約電站建設(shè)期間的土建投資，又能滿足水輪發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期高效安全穩(wěn)定的運(yùn)行;反之，水輪機(jī)組葉輪會(huì)發(fā)生嚴(yán)重空蝕，機(jī)組振動(dòng)加劇，更嚴(yán)重者甚至不能運(yùn)行。

在《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》GB/T15468術(shù)語(yǔ)中，水輪機(jī)組的吸出高度定義為：水輪機(jī)規(guī)定的基準(zhǔn)面至設(shè)計(jì)尾水位的高度;設(shè)計(jì)尾水位系確定水輪機(jī)安裝高程所用的尾水管出口斷面處出現(xiàn)的水位;安裝高程定義為水輪機(jī)基準(zhǔn)點(diǎn)的海拔高程，臥軸水輪機(jī)的基準(zhǔn)點(diǎn)為主軸中心高程。

本工程安裝高程即▽安=H下+Hs=89.77+(-7.57)=82.20 m。

5 需特別注意的問題

5.1 尾水管出口淹沒深度的復(fù)核

對(duì)于燈泡貫流式機(jī)組，在計(jì)算選定安裝高程之前，必須要保證機(jī)組尾水管出口上緣至少淹沒0.5 m深。本電站最不利情況是最小流量Q=144 m3/s時(shí)尾水位下機(jī)組尾水管淹沒深度是否能滿足要求。按Q=144 m3/s時(shí)尾水位89.35 m，尾水管淹沒深度為1.55 m，滿足規(guī)范要求。

5.2 對(duì)多泥砂河流疏浚開挖的影響

對(duì)于含泥砂量較高的河流，需要充分考慮運(yùn)行多年以后，下游河道由于疏浚開挖引起的尾水位降低對(duì)尾水管出口淹沒深度的影響，才能進(jìn)一步合理選取機(jī)組安裝高程。例如廣東省某電站的燈泡貫流式機(jī)組在運(yùn)行5年以后，由于下游河道挖沙，造成尾水位下降0.7 m，電站機(jī)組尾水管出口上緣露出水面，機(jī)組空蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，運(yùn)行中機(jī)組振動(dòng)強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)組不能發(fā)出額定出力。

6 結(jié)論

1)選取燈泡貫流式機(jī)組的安裝高程時(shí)，可以按電站全部機(jī)組額定出力時(shí)的流量所對(duì)應(yīng)的下游尾水位進(jìn)行計(jì)算，而不是按《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的計(jì)算公式中以1臺(tái)機(jī)組或半臺(tái)機(jī)組額定出力時(shí)對(duì)應(yīng)的下游尾水位為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。這樣選取的機(jī)組安裝高程可以得到提高，以實(shí)現(xiàn)節(jié)省電站開挖工程量，減少土建投資。

2)多臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組安裝高程進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需針對(duì)不同臺(tái)數(shù)機(jī)組發(fā)電時(shí)的運(yùn)行工況進(jìn)行充分論證與計(jì)算。

在設(shè)計(jì)選型及方案比較過程中應(yīng)充分考慮以上兩種觀點(diǎn)，最終確定水輪機(jī)組的安裝高程。

對(duì)于含泥砂河流，必須要考慮若干年后，下游河道因疏浚開挖而引起的尾水位降低對(duì)電站機(jī)組尾水管出口上緣淹沒深度的影響，才能確定機(jī)組安裝高程。

［1］田樹棠.貫流式水輪發(fā)電機(jī)組及其選擇方法［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

［2］劉大愷.水輪機(jī)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1980.

［4］黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.松花江干流依蘭航電樞紐工程可行性研究報(bào)告［R］.哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2008.

TV734

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1007-7596(2011)06-0076-02

2011-07-14

高磊(1982-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師;田志明(1978-)，男，遼寧朝陽(yáng)人，助理工程師。