葛 曦

( 貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽550002)

1 概 述

貴州蒙江黃花寨水電站是紅水河左岸一級支流蒙江干流規(guī)劃開發(fā)的第三級水電站，位于貴州省黔南布依族苗族自治州長順縣境內(nèi)，地處蒙江干流河段上格凸河下游。電站交通條件較好，工程區(qū)距長順縣城75 km，距貴陽市150 km。

黃花寨電站投產(chǎn)后并入主網(wǎng)，無近區(qū)供電。電站主要任務(wù)是發(fā)電。

電站采用“無人值班”(少人值守)的計算機監(jiān)控運行方式。

本電站廠房為壩后式地面廠房，引水發(fā)電系統(tǒng)為“一洞一管兩機”布置形式。最高水頭為90.47 m，加權(quán)平均水頭為77.68 m，最低水頭為59.48 m，裝機容量2 ×30 MW。

2 額定水頭的選擇

本電站水頭變幅較大，Hmax/Hmin=1.52，水頭變幅過大的的電站，水輪機的運行穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)輪裂紋問題都比較突出，如塔貝拉、潘家口常規(guī)機組、小浪底、巖灘等電站，因此在選型設(shè)計中應(yīng)加以重視，提高機組的運行穩(wěn)定性。

混流式水輪機的運行穩(wěn)定性與設(shè)計水頭有很大的關(guān)系，電站的運行水頭如果偏離設(shè)計水頭的幅度越大，那么機組的穩(wěn)定性就越差，因此，在機組選型時，應(yīng)盡量使運行水頭接近設(shè)計水頭，對于水頭變幅大的電站，則應(yīng)選擇“鴨蛋”較長的綜合特性曲線。額定水頭的選取與水能利用、機組設(shè)備投資、機組穩(wěn)定運行、土建投資、發(fā)電量等多種因素息息相關(guān)，在裝機容量確定之后，若選取的額定水頭偏高，則機組出力受阻會更明顯，反之，若選取的額定水頭偏低，受阻容量就較小，但是機組投資又會增大。因此需要從電站實際情況出發(fā)，以水頭出現(xiàn)頻率為基礎(chǔ)，充分分析水頭比重后，結(jié)合廠房開挖等因素綜合考慮，以確定一個經(jīng)濟合理的額定水頭，從而平衡機組出力與機組運行穩(wěn)定性之間的關(guān)系。

水輪機的水力性能包括了能量、氣蝕、穩(wěn)定性三大性能，其中，以穩(wěn)定性為重，再好的能量指標和氣蝕性能首先需要良好的穩(wěn)定性才能得以體現(xiàn)。若機組的穩(wěn)定性差，壓力脈動、機組振動等不穩(wěn)定因素往往會導致轉(zhuǎn)輪葉片開裂，止漏環(huán)脫落，尾水管的金屬里襯損壞，軸承、密封等松動損壞等現(xiàn)象，有些穩(wěn)定性差的電站，機組無法并入電網(wǎng)運行。

額定水頭Hr的選擇涉及到水能利用、機組設(shè)備投資、機組穩(wěn)定運行等多種因素，因此工作水頭( Hmax、Hr、Hmin) 應(yīng)在合理范圍內(nèi)，一般Hr=(0.95 ～1.0) Hav。黃花寨電站聯(lián)合運行死水位770 m 不同水頭不同出力出現(xiàn)機率見表1。

表1 不同水頭不同出力出現(xiàn)機率表

續(xù)表1

由表1 可見，本電站在高水頭段運行機率較大，85m 水頭以上為35.1%，75 m 水頭以上為63.6%。通過以72、75、77.5 m 作額定水頭比較可以得出，額定水頭越高，機組尺寸越小和廠房土建投資減小。

就本電站水頭特性而言，電站在高水頭段運行頻率較高，據(jù)表1 統(tǒng)計，電站在90.32－85 m 水頭段，90% ＜N≤100%Nr出現(xiàn)的幾率較多，因此在選擇額定水頭時，應(yīng)充分考慮高水頭段運行的空蝕性能和穩(wěn)定性以及機組的加權(quán)平均效率，若額定水頭選取太低，則在高水頭工況時，機組的導葉開度過小，如此時開度低于全開度的70%，水力穩(wěn)定性能就比較差，負荷的調(diào)節(jié)范圍也很小，這對機組穩(wěn)定運行非常不利。一般為了保證高水頭工況的穩(wěn)定運行，同時提高高水頭工況的負荷調(diào)節(jié)能力，在額定水頭選取時應(yīng)盡可能接近加權(quán)平均水頭。

另外，統(tǒng)計國內(nèi)外水電站發(fā)現(xiàn)，當水輪機的水頭比Hmax/Hmin≤1.5、Hmax/Hr≤1.2 或Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15，其水輪機運行穩(wěn)定性都比較好，如伊泰普電站( Hmax/Hmin=1.53，Hmax/Hr= 1. 122) 、薩 彥 舒 申 斯 克 電 站( Hmax/Hmin=1.257，Hmax/Hr=1.134) 、麥卡( Hmax/ Hmin=1.39，Hmax/Hr=1.08) 及國內(nèi)的李家峽( Hmax/Hmin=1.184，Hmax/Hr=1.11) 、天生 橋 二 級( Hmax/ Hmin= 1. 172，Hmax/Hr= 1. 159) 、二 灘( Hmax/Hmin= 1. 4，Hmax/Hr= 1. 145) 、烏江渡( Hmax/Hmin=1.42，Hmax/Hr=1.118);當水輪機的水頭比Hmax/Hmin＞1.6，Hmax/Hr＞1.2 時運行穩(wěn)定性都較差，如大古力Ⅲ和五強溪等。

本電站Hmax/Hmin=1.5，Hmax/Hr=1.165，因此黃花寨水電站按77.5 m 額定水頭進行水輪機選型設(shè)計是合適的。

3 提高運行穩(wěn)定性的措施

就本電站而言，水頭變幅過大，結(jié)合工程實際，可采取以下措施以提高機組運行的穩(wěn)定性:

1) 水輪機參數(shù)的選擇。通過對已運行電站的統(tǒng)計可以看出，水輪機運行的最穩(wěn)定區(qū)域是在最優(yōu)工況點和無渦區(qū)，由表1 可見，本站在90.32 ～85 m 水頭段，90% ＜N≤100%Nr時運行的幾率最大，為11.8%，因此，水輪機在參數(shù)選擇時，應(yīng)重點考慮將90.32 ～85 m 水頭段時30 MW 出力位于最優(yōu)工況點和無渦區(qū)。

2) 吸出高度的控制。水輪機的水力穩(wěn)定與吸出高度有很大的關(guān)系，吸出高度最終反映在機組安裝高程上，安裝高程過低將會增加廠房土建開挖工程量，如過高，則水輪機的氣蝕性能降低，不利于機組的穩(wěn)定運行。據(jù)統(tǒng)計，吸出高度裕量大的電站( 即安裝高程低) ，運行穩(wěn)定性普遍較好。

3) 穩(wěn)定運行的水頭范圍。通過對已運行的電站進行統(tǒng)計和分析表明，當電站實際運行水頭H 與水輪機設(shè)計水頭H0的關(guān)系如下時:(0.6 ～0.65) H0≤H≤(1.1 ～1.15) H0，機組是能夠穩(wěn)定運行的。而且隨著運行水頭H 偏離H0越大就越不穩(wěn)定。水頭過低常常會導致葉片進水邊的正面產(chǎn)生脫流空化渦帶，水頭過高也會導致葉片進水邊的背面產(chǎn)生脫流空化渦帶和葉道渦，相比而言，背面產(chǎn)生的脫流空化渦帶和葉道渦更為嚴重。

4) 適當?shù)难a氣方式。通過補氣能降低渦帶壓力脈動，目前較常見的補氣方式有大軸中心孔補氣、頂蓋補氣、尾水管補氣。需根據(jù)機組實際情況進行確定，補氣效果好的大軸中心孔補氣需要機組主軸的直徑滿足要求才能布置，頂蓋補氣效果也很好。

5)避振運行。極低負荷區(qū):轉(zhuǎn)輪出口的水流具有正環(huán)量，此時雖然振動不大，但機組效率太低，除空載工況外，一般限制在該區(qū)域運行;部分負荷區(qū):該區(qū)域壓力脈動幅值較大，頻率低，這與轉(zhuǎn)輪下方的旋轉(zhuǎn)渦帶有關(guān)，如不采取有效的補氣措施，大軸中心孔和頂蓋補氣效果較好，不建議在該區(qū)域長期運行;高部分負荷區(qū):大部分ns≥200 m·kW 的混流式水輪機，在各水頭下最優(yōu)流量的60% ～90%工況下有高于轉(zhuǎn)頻的壓力脈動出現(xiàn);最優(yōu)效率區(qū):水輪機在該區(qū)域效率高，轉(zhuǎn)輪下方無旋轉(zhuǎn)渦帶，機組運行最穩(wěn)定，一般也稱之為無渦區(qū)，可長期運行;滿負荷區(qū):轉(zhuǎn)輪下方有柱狀的渦帶，但機組運行還是比較穩(wěn)定的;超負荷區(qū):水輪機的壓力脈動較大，同時空蝕加劇，部分轉(zhuǎn)輪在此時會出現(xiàn)第二振動區(qū)。

6) 過流部件材質(zhì)及加工工藝。提高水輪機頂蓋、座環(huán)、主軸等主要部件的剛度、強度，轉(zhuǎn)輪采用抗空蝕、抗磨蝕和具有良好焊接性能的不銹鋼材料制造，葉片采用坐標鏜床數(shù)控加工，提高機組制造、安裝質(zhì)量。

4 結(jié) 論

通過招標后的水輪機主要參數(shù)為:

通過機組參數(shù)合理選擇、額定水頭的合理選取、機組機型及結(jié)構(gòu)型式的合理設(shè)計、機組過流部件采用數(shù)控加工工藝、通過水庫調(diào)節(jié)避開低負荷區(qū)運行等措施，至2010年發(fā)電以來，機組一直穩(wěn)定運行，為電站帶來了良好的經(jīng)濟效益。

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