對依蘭航電樞紐水輪機組安裝高程的分析

高 磊，田志明

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080;2.穆棱市水利勘測設計隊，黑龍江依蘭 157500)

對依蘭航電樞紐水輪機組安裝高程的分析

高 磊1，田志明2

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080;2.穆棱市水利勘測設計隊，黑龍江依蘭 157500)

以依蘭航電樞紐為例，對燈泡貫流式水輪機的安裝高程選取進行分析，討論確定低水頭徑流式電站，尤其是燈泡貫流式水輪機安裝高程選取過程中所考慮的因素及方法。

河床式電站;燈泡貫流式機組;吸出高度;安裝高程;尾水位;空蝕

1 項目概述

依蘭航電樞紐位于依蘭縣境內，松花江干流牡丹江匯合口上游700 m處，地處依蘭縣界，壩址下距依蘭縣城2.5 km，上距哈爾濱市330 km(航道距離)。

水電站為河床式，電站廠房布置在左岸主河槽內，右側與泄洪閘相接，左側連接土壩。水電站建筑物主要由引水渠、進水口、交通橋、電站廠房、尾水平臺及尾水渠等組成。廠房內安裝8臺單機容量為15 MW的貫流式水輪發電機組，總裝機容量為120 MW。單機引用流量265.85 m3/s。

各出力情況下對應下游尾水位見表1。

表1 各出力情況下游尾水位對照表

2 水輪機組吸出高度Hs值的計算及確定

燈泡式貫流式水輪機葉片的空化系數隨時間的變化而變化，因此對燈泡式水輪機的空化系數進行取值時，要弄清由它計算出的Hs值是相對于下游尾水位到機組主軸中心線還是到主軸中心線上方葉輪的D1/4處，本項目按主軸中心線處計算。不同制造廠家對氣蝕安全余度及空化系數的安全系數取值也各有不同。

根據公式Hs≤10-▽/900-KσHr計算轉輪葉片頂點處的Hs。式中，電站海拔高程為92 m;K為轉輪葉片頂點處的安全系數，參考多數電站及設計資料取值為1.05;σ為模型轉輪葉片頂點處的臨界空化系數，查取轉輪模型綜合特性曲線設計工況點處σ值為2.6，設計水頭Hr為6.4 m，經計算水輪機吸出高度Hs≤-7.57 m。

3 下游水位的選取

計算燈泡式貫流機組的安裝高程時，可以選用電站額定出力下的水輪機流量對應的下游尾水位，而不是像過去那樣按《水電站機電設計手冊))(水力機械)計算公式，用1臺機或半臺機額定出力時相應的下游水位作為計算標準。

安裝高程在不同臺數機組額定出力下計算時，由于不同情況對應的下游尾水位不同，因此機組對應的發電水頭也不同，相應的運行工況也不同。額定出力的機組臺數越少，對應的下游尾水位越低，水輪發電機組的發電水頭就越高，也就越接近最優運行工況，此時空化系數也就越小，因此在這種工況下計算出的機組安裝高程是最低的。

依蘭航電樞紐位于依蘭水文站上游約2.5 km，依蘭水文站斷面現狀水平年P=95%日保證率通航期流量為733 m3/s，到近期水平年2020年，通航期P=95%的通航流量減小為682 m3/s，遠期水平年P=95%日保證率的流量為620 m3/s。牡丹江由依蘭樞紐下壩址下游700 m處匯入松花江干流，不但對下游航運有一定影響，且其回水對壩下水位也有一定影響。依蘭航電樞紐壩址多年平均徑流量為528×108m3。兼顧電站運行情況和下游通航要求，本電站選用2臺機組滿發時下泄流量所對應的尾水位，2臺機發電(Q=531.70 m3/s)尾水位為89.77 m。

4 水輪機安裝高程的確定

水輪發電機組的安裝高程對電站高效穩定運行的影響十分重大。若機組安裝高程選取合理，既能節約電站建設期間的土建投資，又能滿足水輪發電機組長期高效安全穩定的運行;反之，水輪機組葉輪會發生嚴重空蝕，機組振動加劇，更嚴重者甚至不能運行。

在《水輪機基本技術條件》GB/T15468術語中，水輪機組的吸出高度定義為：水輪機規定的基準面至設計尾水位的高度;設計尾水位系確定水輪機安裝高程所用的尾水管出口斷面處出現的水位;安裝高程定義為水輪機基準點的海拔高程，臥軸水輪機的基準點為主軸中心高程。

本工程安裝高程即▽安=H下+Hs=89.77+(-7.57)=82.20 m。

5 需特別注意的問題

5.1 尾水管出口淹沒深度的復核

對于燈泡貫流式機組，在計算選定安裝高程之前，必須要保證機組尾水管出口上緣至少淹沒0.5 m深。本電站最不利情況是最小流量Q=144 m3/s時尾水位下機組尾水管淹沒深度是否能滿足要求。按Q=144 m3/s時尾水位89.35 m，尾水管淹沒深度為1.55 m，滿足規范要求。

5.2 對多泥砂河流疏浚開挖的影響

對于含泥砂量較高的河流，需要充分考慮運行多年以后，下游河道由于疏浚開挖引起的尾水位降低對尾水管出口淹沒深度的影響，才能進一步合理選取機組安裝高程。例如廣東省某電站的燈泡貫流式機組在運行5年以后，由于下游河道挖沙，造成尾水位下降0.7 m，電站機組尾水管出口上緣露出水面，機組空蝕現象嚴重，運行中機組振動強烈，嚴重影響機組穩定運行，導致機組不能發出額定出力。

6 結論

1)選取燈泡貫流式機組的安裝高程時，可以按電站全部機組額定出力時的流量所對應的下游尾水位進行計算，而不是按《水電站機電設計手冊》中的計算公式中以1臺機組或半臺機組額定出力時對應的下游尾水位為計算標準。這樣選取的機組安裝高程可以得到提高，以實現節省電站開挖工程量，減少土建投資。

2)多臺燈泡貫流式機組安裝高程進行計算時，需針對不同臺數機組發電時的運行工況進行充分論證與計算。

在設計選型及方案比較過程中應充分考慮以上兩種觀點，最終確定水輪機組的安裝高程。

對于含泥砂河流，必須要考慮若干年后，下游河道因疏浚開挖而引起的尾水位降低對電站機組尾水管出口上緣淹沒深度的影響，才能確定機組安裝高程。

［1］田樹棠.貫流式水輪發電機組及其選擇方法［M］.北京：中國水利水電出版社，2000.

［2］劉大愷.水輪機［M］.北京：中國水利水電出版社，1980.

［4］黑龍江省水利水電勘測設計研究院.松花江干流依蘭航電樞紐工程可行性研究報告［R］.哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2008.

TV734

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1007-7596(2011)06-0076-02

2011-07-14

高磊(1982-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師;田志明(1978-)，男，遼寧朝陽人，助理工程師。