王勝華

（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司機(jī)電分院，云南昆明650051）

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北本水電站貫流式機(jī)組安裝高程分析

王勝華

（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司機(jī)電分院，云南昆明650051）

北本水電站在低水頭電站中，水頭較高，水頭變幅大，是系統(tǒng)中的主力電站。在現(xiàn)階段機(jī)型未定的情況下，參考國(guó)內(nèi)外同類機(jī)組參數(shù)，并根據(jù)廠家研究資料，通過(guò)分析、論證確定現(xiàn)階段機(jī)組參數(shù)。

空化系數(shù)；安裝高程

1　電站概況

北本水電站位于湄公河（Nam Mekong）上游河段、老撾北部烏多姆賽（Oudomxay）省北本（Pak Beng）縣境內(nèi)，為湄公河水電開(kāi)發(fā)規(guī)劃的第一級(jí)水電站，電站地理座標(biāo)為東經(jīng)101°01′12″，北緯19° 50′45″。電站壩址在北本縣城上游約14 km處，目前尚無(wú)公路到達(dá)壩址，從北本縣城到壩址的交通依靠航運(yùn)。

北本縣城位于湄公河左岸支流南奔河（Nam Beng）與湄公河匯口的上游，是湄公河上的商貿(mào)、旅游集散地之一，距烏多姆賽省省城孟賽（M.Xai）的公路里程約143km。孟賽距老撾首都萬(wàn)象（Vientiane）公路里程約575km，距中國(guó)邊境公路里程約112km。老撾國(guó)道13號(hào)公路貫穿萬(wàn)象至老撾北部，中間經(jīng)孟賽連接中國(guó)境內(nèi)磨憨鎮(zhèn)。

2　電站自然條件

（1）水位

上游水庫(kù)校核洪水位343.81m

上游水庫(kù)正常蓄水位340.00m

上游水庫(kù)死水位333.00m

16臺(tái)機(jī)滿發(fā)尾水位320.588m

6臺(tái)機(jī)滿發(fā)尾水位311.918m

最低尾水位（最小流量）307.50m

下游校核洪水位342.94m

（2）水頭

最大水頭28m

加權(quán)平均水頭22.78m

最小水頭7.5m

（3）流量

電站額定引用流量5 961m3/s

（4）泥沙

汛期（5~10月）平均過(guò)機(jī)含沙量0.49 kg/m3

年平均過(guò)機(jī)含沙量0.38 kg/m3

（5）氣象

極端最高溫度44.4℃

極端最低氣溫3.4℃

年平均最大濕度96.8%

年平均最小濕度20%

（6）壩址水位/流量（見(jiàn)下頁(yè)表1）

（7）電站特性

裝機(jī)容量912MW

多年平均發(fā)電量4.959×109 kW·h

保證出力373.5MW

年利用小時(shí)數(shù)5 438 h

（8）地震烈度：Ⅶ度

3　空化系數(shù)選擇

3.1機(jī)組參數(shù)

農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)是指農(nóng)村家庭承包的土地通過(guò)合法的形式，保留承包權(quán)，將經(jīng)營(yíng)權(quán)轉(zhuǎn)給其他農(nóng)戶或其他經(jīng)濟(jì)組織的行為。一般以土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)流轉(zhuǎn)、集體建設(shè)用地使用權(quán)流轉(zhuǎn)、宅基地使用權(quán)流轉(zhuǎn)三種形式存在。

本電站采用燈泡貫流式。原型水輪機(jī)發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如下頁(yè)表2、表3。

表2　水輪機(jī)基本參數(shù)

表3　發(fā)電機(jī)基本參數(shù)表

3.2空化系數(shù)

空化系數(shù)的選擇，是在安全性與經(jīng)濟(jì)性之間進(jìn)行取舍。選取較大的裝置空化系數(shù)，即選擇較低的水輪機(jī)安裝高程，這樣雖然加大了電站的挖深，造成土建工程量相應(yīng)增加，加大了電站興建時(shí)的一次性投資，但可以減少水輪機(jī)投運(yùn)后的檢修次數(shù)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；同時(shí)采用較大的吸出高度，可以減少水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)值，對(duì)提高水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行是大有益處的。反之，選取較小的裝置空化系數(shù)，可以減少電站的挖深，進(jìn)而減少電站的一次投資，以利于電站早日興建運(yùn)行。但機(jī)組投運(yùn)后需要相對(duì)增加檢修和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

（1）影響水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的空化系數(shù)的因素主要有以下幾個(gè)方面：

首先是比轉(zhuǎn)速。比轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)輪的空化系數(shù)成正比，隨著比轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)輪的空化系數(shù)也增大，對(duì)于北本電站通過(guò)前面的分析論證，已對(duì)水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速給出了范圍，從而空化系數(shù)已基本確定。下頁(yè)圖1為比轉(zhuǎn)速與裝置空化系數(shù)的關(guān)系曲線，從曲線可以看出，對(duì)于北本電站，額定水頭為18m，比轉(zhuǎn)速648~707m·kW，其裝置空化系數(shù)選取范圍為1.2~1.4。

其次，空化系數(shù)與翼型的形狀有密切的關(guān)系，通過(guò)改變翼型的形狀，調(diào)節(jié)葉柵的稠密度，合理給定翼型的厚度分布規(guī)律，改變進(jìn)出口環(huán)量的分布，可使轉(zhuǎn)輪葉片表面的最低壓力升高，使轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流速分布更趨合理，從而減小空化系數(shù)。

水輪機(jī)埋入深度對(duì)空蝕的影響可以用裝置空化系數(shù)與水輪機(jī)模型空化系數(shù)的比值來(lái)表示，但隨著水頭和轉(zhuǎn)輪型號(hào)的不同，HS和σ的絕對(duì)值有很大的變化，因此，埋入深度對(duì)空化的影響可直觀地用空化安全系數(shù)K來(lái)表示。

圖1　比轉(zhuǎn)速與裝置空化系數(shù)的關(guān)系曲線

（2）貫流式水輪機(jī)的吸出高度主要基于以下方面選取：

①貫流式水輪機(jī)的出力限制主要是由空化條件來(lái)決定的?？刂瓶栈闹饕胧┲?，就是通過(guò)調(diào)整機(jī)組安裝高程來(lái)調(diào)整裝置空化系數(shù)，使得水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)滿足。對(duì)于特定的電站轉(zhuǎn)輪直徑、額定轉(zhuǎn)速一定時(shí)，允許的單位流量越大，可以多獲得棄水電量。由于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)同樣具有出力限制線，安裝高程小到一定值時(shí)，再降低安裝高程，電量也不再增加，這時(shí)的安裝高程為臨界安裝高程，為水輪機(jī)選擇安裝高程的下限值。

②由于模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑小，在模型試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)輪槳葉頂部與底部之間的空化系數(shù)差別很小，故可忽略不計(jì)。但對(duì)真機(jī)，轉(zhuǎn)輪直徑很大，即轉(zhuǎn)輪頂部到底部的垂直距離很大，空化系數(shù)的差別也隨之增大，選擇不同的計(jì)算點(diǎn)，吸出高度HS有較大的差異。在選取吸出高度時(shí)，應(yīng)當(dāng)予以考慮。

③考慮到尾水管出口高度（距機(jī)組水平中心線），為保證機(jī)組運(yùn)行在任何工況下，尾水管出口不進(jìn)氣，機(jī)組的出口應(yīng)有一定的淹沒(méi)深度，任何工況下的尾水位均應(yīng)至少高于尾水管出口足夠的高度（至少0.5m），這一條件也是決定安裝高程的必要條件。綜合考慮以上因素，選取的吸出高度才是足夠安全的。

④考慮到北本水電站的泥沙情況，為了水輪機(jī)具有良好的水力性能和抗空化性能指標(biāo)，避免空蝕和泥沙磨損對(duì)通流部件的聯(lián)合作用，適當(dāng)降低水輪機(jī)的安裝高程是有效的方法之一。

⑤根據(jù)以上分析，綜合已有模型研究情況和國(guó)內(nèi)相應(yīng)電站的實(shí)際應(yīng)用情況，本電站模型額定水頭時(shí)的臨界空化系數(shù)暫按0.9~1.0選取。

4　水輪機(jī)安裝高程的確定

4.1各種工況下的安裝高程

確定水輪機(jī)安裝高程的尾水位應(yīng)根據(jù)水庫(kù)的運(yùn)行方式、水電站運(yùn)行出力范圍、尾水位與流量的關(guān)系特性、初期發(fā)電的要求以及下游梯級(jí)水電的回水影響等因素。

根據(jù)水輪機(jī)的空化理論，為避免轉(zhuǎn)輪槳葉發(fā)生空化，應(yīng)使轉(zhuǎn)輪槳葉表面的最低壓力大于相應(yīng)水頭時(shí)水的飽和汽化壓力，即通過(guò)適宜的吸出高度來(lái)控制此點(diǎn)的壓力值。燈泡貫流式機(jī)組，由于臥軸布置，轉(zhuǎn)輪壓力最低點(diǎn)為槳葉頂點(diǎn)。根據(jù)GB/T15468《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，機(jī)組中心線的吸出高度計(jì)算公式為：

式中：k—轉(zhuǎn)輪中心處的安全系數(shù)；

燈泡貫流式機(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜，根據(jù)該水頭段的空化特性，對(duì)電站可能出現(xiàn)工況的安裝高程和尾水管的淹沒(méi)深度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下頁(yè)表4。由表4可知，本電站進(jìn)行了16個(gè)工況的計(jì)算分析，安裝高程不大于300.0m時(shí)，各工況均能滿足空化性能的要求，同時(shí)也滿足尾水管出口頂部淹沒(méi)深度不小于0.5m的要求。

表4　水輪機(jī)各可能運(yùn)行工況安裝高程計(jì)算

表5　安裝高程經(jīng)濟(jì)分析表

4.2經(jīng)濟(jì)分析對(duì)安裝高程的影響

沒(méi)有電量損失時(shí)的安裝高程可確定為300.00m。為進(jìn)一步確定安裝高程，對(duì)提高安裝高程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，計(jì)算結(jié)果如下頁(yè)表5。

由以上分析可知，隨著安裝高程的提高，電站低于要求的尾水位時(shí)不能發(fā)電，所造成電量損失逐漸增加，且幅度隨安裝高程的提高而增加；由于受開(kāi)挖建基面的影響，投資雖然隨安裝高程的提高而減少，但減少的量不大。從靜態(tài)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，安裝高程為300.00m方案經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。

4.3電站安裝高程

結(jié)合經(jīng)濟(jì)分析成果和機(jī)組運(yùn)行方式，考慮額定工況的空蝕情況和正常尾水位（按16臺(tái)機(jī)組額定流量相應(yīng)的尾水位320.588m），設(shè)計(jì)尾水位（按6臺(tái)機(jī)組額定流量相應(yīng)的尾水位311.918m），復(fù)核電站最大水頭、最小流量時(shí)尾水管頂部的淹沒(méi)情況及相應(yīng)的吸出高度，經(jīng)綜合分析研究，北本電站水輪機(jī)的安裝高程由下游最低水位時(shí)尾水管出口頂部淹沒(méi)深度控制，確定電站安裝高程為300.00m（至機(jī)組水平中心線）。

5　結(jié)論

低水頭電站安裝高程的確定不能簡(jiǎn)單的用設(shè)計(jì)尾水位減去吸出高度來(lái)確定安裝高程，應(yīng)根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行條件，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。北本水電站通過(guò)機(jī)組運(yùn)行工況及安裝高程敏感性分析，最終確定水輪機(jī)安裝高程，既保證了電站運(yùn)行的安全性，也盡可能的減少了工程的投資。

TK733.8

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1672-5387（2016）02-0008-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.003

2015-10-20

王勝華（1975-），男，高級(jí)工程師，從事水力機(jī)械專業(yè)工作。