劉陽東,牟 明,王新亮,劉持源
(吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司,吉林 撫松 134500)
某電站位于吉林省東南部長白山山區(qū),是松江河梯級電站中的第2級電站;水庫正常蓄水位為585 m,死水位為567 m,總庫容為3.92億m3,具有多年調(diào)節(jié)能力;安裝2臺單機容量為140 MW的混流式水輪發(fā)電機組,多年平均發(fā)電量為3.868億kWh,于2009年4月雙機投產(chǎn)發(fā)電。
該電站生態(tài)放流工程于2013-04-15開始施工,為了滿足施工要求, 6月10日—7月6日,需將該電站水庫水位維持在563.50 m以下。在此期間,庫區(qū)來水需要靠混流式水輪發(fā)電機組的發(fā)電流量進(jìn)行泄流,機組能否在此水位下安全、穩(wěn)定運行是保證生態(tài)放流工程順利開展的關(guān)鍵。
該電站混流式水輪發(fā)電機的最大水頭為107.5 m,加權(quán)平均水頭為101.9 m,額定水頭為97.0 m,最小水頭為85.0 m。水輪機型號為HLA883-LJ-400,轉(zhuǎn)輪直徑為4 m,額定轉(zhuǎn)速為187.5 r/min,飛逸轉(zhuǎn)速為360 r/min,水輪機額定功率為142.9 MW,額定流量為162.87 m3/s,吸出高度為-4.0 m。水輪機導(dǎo)葉機構(gòu)中心線高程為473.8 m。
當(dāng)混流式水輪機運行水頭偏離設(shè)計水頭時,在大出力對應(yīng)的大開度下,水流會對轉(zhuǎn)輪進(jìn)口產(chǎn)生負(fù)沖角,從而引起轉(zhuǎn)輪進(jìn)口正壓面的脫流;當(dāng)負(fù)沖角過大時,還會造成葉片空蝕。低水頭工況偏離最優(yōu)工況遠(yuǎn)近程度,可以用最低水頭Hmin與設(shè)計水頭Hd的比值來表示。Hmin/Hd的比值越小,則低水頭工況偏離最優(yōu)工況越遠(yuǎn)。而在混流式水輪機的水頭變幅設(shè)計中,一般要求Hmin/Hd≥0.65。
對于該電站,最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速為73 r/min,設(shè)計水頭Hd為105.6 m,此時Hmin/Hd=0.805。當(dāng)上游水位降低至563.0 m時,Hmin/Hd=0.779。由此可見,當(dāng)上游水位降低至563.0m時,水頭變幅處于水輪機穩(wěn)定運行的經(jīng)驗范圍內(nèi)。
若上游水位按563.5 m考慮,則單臺機流量Q在運轉(zhuǎn)特性圖中查出為149.4 m3/s,此時對應(yīng)的下游水位為478.1 m,計算出水頭損失為2.31 m,凈水頭為563.5-478.1-2.31=83.09 m??梢郧蟮?臺機的水輪機最大值出力為113 MW,發(fā)電機單機出力約為110 MW。
在實際運行中,為避免進(jìn)口產(chǎn)生吸氣漏斗,防止隧洞內(nèi)發(fā)生氣蝕破壞,發(fā)電引水隧洞棄水需滿足流量要求,即隧洞的發(fā)電流量應(yīng)小于相應(yīng)水位對應(yīng)的流量。因此當(dāng)上游水位為563.5 m時,2臺機組運行時總引水流量不得超過221.9 m3/s。此時下游水位為478.1 m,水頭損失為1.27 m,凈水頭為563.5-478.1-1.27=84.13 m,則平均單機水輪機出力為85.52 MW,機組單機出力約為83.8 MW。
綜上所述,該電站水位低于563.5 m運行時,單機運行負(fù)荷不得超過110 MW。2臺機組運行引水流量不得超過220 m3/s,即2臺機組運行時每臺機所帶負(fù)荷不得超過83 MW,2臺機總負(fù)荷不得超過166 MW。
隨著水輪機運行水頭的降低,水輪機最高轉(zhuǎn)速由原81.35 r/min增至82.67 r/min,從模型試驗的結(jié)果看,對應(yīng)的尾水管壓力脈動ΔH/H由0.99 %增加到1.121%,仍滿足合同設(shè)計要求,不會對機組的安全穩(wěn)定運行造成影響。
當(dāng)電站2臺機組運行,下游尾水位為478.4 m時,此時吸出高度Hs=473.8-478.4=-4.6 m,裝置空化系數(shù)為0.17。由于對應(yīng)于轉(zhuǎn)速82.67 r/min、流量1.024 m3/s時的臨界空化系數(shù)為0.105,初生空化系數(shù)約為0.19,則安全系數(shù)K=0.17/0.105=1.62。若只按1臺機組運行,則下游尾水位為477.7 m,裝置空化系數(shù)為0.162,安全系數(shù)K=1.54。
該電站在額定水頭97.0 m,額定出力142.9 MW,1臺機組運行時,水輪機的吸出高度Hs=-4.0 m,臨界空化系數(shù)為0.102,初生空化系數(shù)約為0.167,裝置空化系數(shù)為0.1389,安全系數(shù)K=0.1389/0.101=1.36。
在上游水位降低后,雖然裝置空化系數(shù)未能大于初生空化系數(shù),機組不能在完全空化狀態(tài)下運行,但此時水輪機的空化系數(shù)大于額定水頭工況下的空化系數(shù),因此水輪機的空化情況在上游水位降低后仍好于額定水頭工況。
從機組在死水位565.16~563.01 m之間的運行情況來看,各部軸承瓦溫度與死水位以上時的溫度相比,增加不大,符合相關(guān)要求。另外,由于壓力脈動是引起機組各部位振擺的主要原因,從單機在不同水位(565.16~563.01 m)下帶負(fù)荷10.5 MW時測量的振擺值來看,隨著水頭的降低,除推力軸向振動和下導(dǎo)擺度稍微增大外,其余均未有較大變化;與在正常運行水頭(583.2~573.88 m)范圍內(nèi)的振擺值相比,所增加的幅度也在機組正常運行的允許范圍內(nèi)。在這種情況下的壓力脈動相對幅值增大對機組運行時穩(wěn)定性影響不大。
通過上述分析,說明該電站混流式水輪發(fā)電機組在低水頭時能夠安全、穩(wěn)定運行。今后可加大該電站水庫消落深度,以增加調(diào)節(jié)庫容,充分發(fā)揮該電站在整個松江河梯級電站中“承上啟下”的作用,使梯級水庫群獲得更大的效益。