混流式水輪發電機低水頭運行穩定性分析

劉陽東，牟 明，王新亮，劉持源

（吉林松江河水力發電有限責任公司，吉林 撫松 134500）

某電站位于吉林省東南部長白山山區，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，具有多年調節能力；安裝2臺單機容量為140 MW的混流式水輪發電機組，多年平均發電量為3.868億kWh，于2009年4月雙機投產發電。

該電站生態放流工程于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，庫區來水需要靠混流式水輪發電機組的發電流量進行泄流，機組能否在此水位下安全、穩定運行是保證生態放流工程順利開展的關鍵。

1 水輪發電機主要參數

該電站混流式水輪發電機的最大水頭為107.5 m，加權平均水頭為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，轉輪直徑為4 m，額定轉速為187.5 r/min，飛逸轉速為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。水輪機導葉機構中心線高程為473.8 m。

2 水頭變幅分析

當混流式水輪機運行水頭偏離設計水頭時，在大出力對應的大開度下，水流會對轉輪進口產生負沖角，從而引起轉輪進口正壓面的脫流；當負沖角過大時，還會造成葉片空蝕。低水頭工況偏離最優工況遠近程度，可以用最低水頭Hmin與設計水頭Hd的比值來表示。Hmin/Hd的比值越小，則低水頭工況偏離最優工況越遠。而在混流式水輪機的水頭變幅設計中，一般要求Hmin/Hd≥0.65。

對于該電站，最優單位轉速為73 r/min，設計水頭Hd為105.6 m，此時Hmin/Hd=0.805。當上游水位降低至563.0 m時，Hmin/Hd=0.779。由此可見，當上游水位降低至563.0m時，水頭變幅處于水輪機穩定運行的經驗范圍內。

3 上游水位降低的影響

3.1 對機組出力的影響

若上游水位按563.5 m考慮，則單臺機流量Q在運轉特性圖中查出為149.4 m3/s，此時對應的下游水位為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。可以求得1臺機的水輪機最大值出力為113 MW，發電機單機出力約為110 MW。

在實際運行中，為避免進口產生吸氣漏斗，防止隧洞內發生氣蝕破壞，發電引水隧洞棄水需滿足流量要求，即隧洞的發電流量應小于相應水位對應的流量。因此當上游水位為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荷不得超過83 MW，2臺機總負荷不得超過166 MW。

3.2 對壓力脈動的影響

隨著水輪機運行水頭的降低，水輪機最高轉速由原81.35 r/min增至82.67 r/min，從模型試驗的結果看，對應的尾水管壓力脈動ΔH/H由0.99 %增加到1.121%，仍滿足合同設計要求，不會對機組的安全穩定運行造成影響。

3.3 對水輪機空化的影響

當電站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，裝置空化系數為0.17。由于對應于轉速82.67 r/min、流量1.024 m3/s時的臨界空化系數為0.105，初生空化系數約為0.19，則安全系數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，裝置空化系數為0.162，安全系數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，臨界空化系數為0.102，初生空化系數約為0.167，裝置空化系數為0.1389，安全系數K=0.1389/0.101=1.36。

在上游水位降低后，雖然裝置空化系數未能大于初生空化系數，機組不能在完全空化狀態下運行，但此時水輪機的空化系數大于額定水頭工況下的空化系數，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。

4 機組在低水頭下的運行情況分析

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。在這種情況下的壓力脈動相對幅值增大對機組運行時穩定性影響不大。

5 結束語

通過上述分析，說明該電站混流式水輪發電機組在低水頭時能夠安全、穩定運行。今后可加大該電站水庫消落深度，以增加調節庫容，充分發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。