Thaukyegat(2)電站混流式水輪機運行穩定性方案的研究

李子鳳

（東方電氣集團 東風電機有限公司，四川 樂山 614000）

0 引 言

混流式水輪機的重要指標之一——穩定性，其本質是機組能否保持長期、高效地運行。若該性能指標較好，則可在使用壽命內，減少檢修次數，提高發電的效率，最大程度地提升機組的使用率。然而，受電站現場條件的影響（如負荷較高、水力性能欠佳等），機組在運行中很難達到理論上所要求的連續穩定運轉，檢修的次數往往較多，且費時費力。因此，進一步完善機組的穩定性措施，對整機的性能具有重要的影響。本文以Thaukyegat（2）水電站為例，以電站的實際條件為依據，提出了相應的提高穩定性措施。

1 電站條件

1.1 電站基本參數

Thaukyegat（2）水電站位于緬甸境內,其壩址距Taungoo 城較近。電站總裝機容量120 MW，安裝3 臺單機容量40 MW 的混流式水輪機發電機組。由于電站裝機臺數少（3 臺）、保證出力小（為電站裝機容量的26.9%），電站的引水系統較長，沒有調壓井，只在電站引水管路的入口處設有一閘閥兼做調壓井，要求電站應盡可能通過日調節方式，在系統中承擔調峰負荷。部分電站基本參數如表1 所示（水輪機型號為HLA883-LJ-294）。

1.2 電站運行特點

如表1 所示：本電站水頭變幅大，其變幅接近巖灘、五強溪和皂市水電站，最大水頭與最小水頭的比值Hmax/Hmin=80.3/43.1=1.86、Hmax/Hr=80.3/65=1.23、Hmin/Hr=43.1/65=0.66，水輪機運行水頭范圍很寬。同時，從電站給出的加權因子（如表2 所示）可看出：水輪機在高水頭部分負荷區運行時間較長。

表1 電站基本參數

表2 電站加權因子

2 穩定性運行措施的提出

水輪機運行穩定性在混流式電站主要表現為軸系的擺度、頂蓋和導軸承的垂直和徑向振動、水輪機機坑內和尾水管進人門處的噪聲、機組出力擺動以及轉輪的裂紋等。特別是中、高比速混流式水輪機中的裂紋現象早已在世界各國屢見不鮮。因此針對道耶坎水電站水頭變幅大（最大水頭與最小水頭的比值高達1.86）、高水頭部分負荷區運行時間長的特點，我們在電站水輪機參數水平選擇、水輪機模型試驗研究到原型水輪機的設計等過程中，從各方面采取措施，以確保機組的安全、穩定運行，延長機組的使用壽命。

2.1 轉輪的選擇

該電站的轉輪模型擬選擇A883 模型。其最大使用水頭為89.2 m，對于本電站最大水頭為80.3 m（毛），其強度是足夠的。同時，本電站的轉輪上冠、下環和葉片都是采用抗汽蝕性能良好的ZG0Cr13Ni4Mo 材料，增加了轉輪其自身的性能。

2.2 轉輪模型流場分析

轉輪模型確定后，根據電站的實際運行情況，擬對模型的兩個工況下：1）=70.3 r/min（對應最大水頭Hmax=80.3 m）；2）a0=24 mm、=94.5 r/min 時（對應最小水頭Hmin=43.1 m）轉輪的下環、中間流面和上冠的速度場進行計算。其仿真結果如圖1～圖6 所示。

圖1、圖3、圖5為在a0=16 mm=70.3 r/min 的結果，圖2、圖4、圖6 為a0=24 mm=94.5 r/min 的結果。從圖表中可以看出：在工況1 的時候，轉輪內部流動順暢，流態良好；而在工況2 時，卻已經出現了回流。

圖1 工況1 下環流態

圖2 工況2 下環流態

圖3 工況1 中環流態

圖4 工況2 中環流態

2.3 補氣措施的采取

由于混流式水輪機的轉輪葉片固定在上冠與下環之間，不可調節。在進行轉輪流道和葉片翼型水力設計時，主要考慮滿足水流在設計工況（最優效率工況）下具有良好的流動狀態。在偏離設計工況運行時，必然會產生尾水管渦帶。當偏離設計工況較遠時，還會產生轉輪葉片頭部的正、背面空化脫流和葉道渦。這些非穩定流態是引起水輪機水力振動的主要因素，是混流式水輪機的固有特性，不可消除。為此，我們在對該電站水輪機進行結構設計時采用了以下幾種補氣方式。

1）為消除尾水管渦帶，首先在發電機主軸的上端采用大軸中心孔自然補氣，設置了一個DN250 的真空破壞閥，其補氣量按水輪機額定流量的2%來考慮。其次在尾水管邊壁上也預留了補氣口。在尾水管的邊壁上設有一環形進氣腔，外接一根DN100 的進氣管，在進氣管的外端接DN100 的真空破壞閥，在錐管壁上對應環形腔的位置均勻地開了16-DN50 的進氣孔以便需要時使用。

2）在最大水頭Hmax=80.3 m（毛）時，其單位轉速為=70.3 r/min，其運行范圍在不補氣的情況下有可能會出現葉片頭部背面脫流。為預防萬一，我們在頂蓋上導葉后的位置設有6-DN20 的強迫補氣口，由6 根軟管引出，接至一根DN50 的環管上，再從環管上引出總管接至機坑里襯，以便外接補氣源。

圖5 工況1 上冠流態

圖6 工況2 上冠流態

3）在最小水頭Hmax=43.1 m（毛）=94.5 r/min 時，在不補氣的情況下，盡管從水輪機綜合特性曲線上沒有看到葉片頭部正面脫流線，且此工況運行的時間也非常少，但從此工況的速度場來看，已經出現了回流。為預防萬一，在頂蓋上對應轉輪上冠的位置設有2-DN32 的強迫補氣口，并分別引至機坑里襯，以便外接補氣源。同時考慮有壓氣源及其控制，當機組在高、低水頭極端狀態需要引用投入工作。同時也分別提供了6-DN20 和2-DN32 的塞子，如果機組在經過一定時間的運行，確認不需要強迫補氣，就把頂蓋上的補氣口堵塞住。

3 結 論

由于機組運行水頭變幅很大，同時負荷變化也較大，對機組的穩定運行來說本身就是一個巨大的考驗，而目前要開發一個完全適應該電站所有工況的轉輪很難，因此我們采取了各種補氣措施。與此同時，電站也應從引水系統、調速器的性能、合理選擇運行工況等手段盡可能地提高穩定性，共同來解決該機組運行的穩定性問題。

［1］ 石清華，許巍巍，龔莉.低水頭混流式水輪機葉道渦引起的噪音及其消除［C］//.第十六次中國水電設備學術討論會論文集，2007：156-164.

［2］ 宋文武.水利機械及工程設計［M］.重慶：重慶大學出版社，2005.

［3］ Piller M，Nobile E，Thomas J.DNS Study of Turbulent Transport at Low Reynolds Numbers in a Channel Flow［J］.Journal of Fluid Mechanics，2002（458）：419-441.