北本水電站貫流式機組安裝高程分析

王勝華

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司機電分院，云南昆明650051）

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北本水電站貫流式機組安裝高程分析

王勝華

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司機電分院，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，是系統中的主力電站。在現階段機型未定的情況下，參考國內外同類機組參數，并根據廠家研究資料，通過分析、論證確定現階段機組參數。

空化系數；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，為湄公河水電開發規劃的第一級水電站，電站地理座標為東經101°01′12″，北緯19° 50′45″。電站壩址在北本縣城上游約14 km處，目前尚無公路到達壩址，從北本縣城到壩址的交通依靠航運。

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、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。孟賽距老撾首都萬象（Vientiane）公路里程約575km，距中國邊境公路里程約112km。老撾國道13號公路貫穿萬象至老撾北部，中間經孟賽連接中國境內磨憨鎮。

2　電站自然條件

（1）水位

上游水庫校核洪水位343.81m

上游水庫正常蓄水位340.00m

上游水庫死水位333.00m

16臺機滿發尾水位320.588m

6臺機滿發尾水位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）平均過機含沙量0.49 kg/m3

年平均過機含沙量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（見下頁表1）

（7）電站特性

裝機容量912MW

多年平均發電量4.959×109 kW·h

保證出力373.5MW

年利用小時數5 438 h

（8）地震烈度：Ⅶ度

3　空化系數選擇

3.1機組參數

農村土地流轉是指農村家庭承包的土地通過合法的形式，保留承包權，將經營權轉給其他農戶或其他經濟組織的行為。一般以土地承包經營權流轉、集體建設用地使用權流轉、宅基地使用權流轉三種形式存在。

本電站采用燈泡貫流式。原型水輪機發電機基本參數如下頁表2、表3。

表2　水輪機基本參數

表3　發電機基本參數表

3.2空化系數

空化系數的選擇，是在安全性與經濟性之間進行取舍。選取較大的裝置空化系數，即選擇較低的水輪機安裝高程，這樣雖然加大了電站的挖深，造成土建工程量相應增加，加大了電站興建時的一次性投資，但可以減少水輪機投運后的檢修次數和運行維護費用；同時采用較大的吸出高度，可以減少水輪機的壓力脈動值，對提高水輪機安全穩定運行是大有益處的。反之，選取較小的裝置空化系數，可以減少電站的挖深，進而減少電站的一次投資，以利于電站早日興建運行。但機組投運后需要相對增加檢修和運行維護費用。

（1）影響水輪機轉輪的空化系數的因素主要有以下幾個方面：

首先是比轉速。比轉速與轉輪的空化系數成正比，隨著比轉速的增大，轉輪的空化系數也增大，對于北本電站通過前面的分析論證，已對水輪機的比轉速給出了范圍，從而空化系數已基本確定。下頁圖1為比轉速與裝置空化系數的關系曲線，從曲線可以看出，對于北本電站，額定水頭為18m，比轉速648~707m·kW，其裝置空化系數選取范圍為1.2~1.4。

其次，空化系數與翼型的形狀有密切的關系，通過改變翼型的形狀，調節葉柵的稠密度，合理給定翼型的厚度分布規律，改變進出口環量的分布，可使轉輪葉片表面的最低壓力升高，使轉輪內的流速分布更趨合理，從而減小空化系數。

水輪機埋入深度對空蝕的影響可以用裝置空化系數與水輪機模型空化系數的比值來表示，但隨著水頭和轉輪型號的不同，HS和σ的絕對值有很大的變化，因此，埋入深度對空化的影響可直觀地用空化安全系數K來表示。

圖1　比轉速與裝置空化系數的關系曲線

（2）貫流式水輪機的吸出高度主要基于以下方面選取：

①貫流式水輪機的出力限制主要是由空化條件來決定的。控制空化的主要措施之一，就是通過調整機組安裝高程來調整裝置空化系數，使得水輪機運行時滿足。對于特定的電站轉輪直徑、額定轉速一定時，允許的單位流量越大，可以多獲得棄水電量。由于轉槳式水輪機同樣具有出力限制線，安裝高程小到一定值時，再降低安裝高程，電量也不再增加，這時的安裝高程為臨界安裝高程，為水輪機選擇安裝高程的下限值。

②由于模型水輪機轉輪直徑小，在模型試驗時，轉輪槳葉頂部與底部之間的空化系數差別很小，故可忽略不計。但對真機，轉輪直徑很大，即轉輪頂部到底部的垂直距離很大，空化系數的差別也隨之增大，選擇不同的計算點，吸出高度HS有較大的差異。在選取吸出高度時，應當予以考慮。

③考慮到尾水管出口高度（距機組水平中心線），為保證機組運行在任何工況下，尾水管出口不進氣，機組的出口應有一定的淹沒深度，任何工況下的尾水位均應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，為了水輪機具有良好的水力性能和抗空化性能指標，避免空蝕和泥沙磨損對通流部件的聯合作用，適當降低水輪機的安裝高程是有效的方法之一。

⑤根據以上分析，綜合已有模型研究情況和國內相應電站的實際應用情況，本電站模型額定水頭時的臨界空化系數暫按0.9~1.0選取。

4　水輪機安裝高程的確定

4.1各種工況下的安裝高程

確定水輪機安裝高程的尾水位應根據水庫的運行方式、水電站運行出力范圍、尾水位與流量的關系特性、初期發電的要求以及下游梯級水電的回水影響等因素。

根據水輪機的空化理論，為避免轉輪槳葉發生空化，應使轉輪槳葉表面的最低壓力大于相應水頭時水的飽和汽化壓力，即通過適宜的吸出高度來控制此點的壓力值。燈泡貫流式機組，由于臥軸布置，轉輪壓力最低點為槳葉頂點。根據GB/T15468《水輪機基本技術條件》標準中規定，機組中心線的吸出高度計算公式為：

式中：k—轉輪中心處的安全系數；

燈泡貫流式機組運行工況復雜，根據該水頭段的空化特性，對電站可能出現工況的安裝高程和尾水管的淹沒深度進行計算，計算結果如下頁表4。由表4可知，本電站進行了16個工況的計算分析，安裝高程不大于300.0m時，各工況均能滿足空化性能的要求，同時也滿足尾水管出口頂部淹沒深度不小于0.5m的要求。

表4　水輪機各可能運行工況安裝高程計算

表5　安裝高程經濟分析表

4.2經濟分析對安裝高程的影響

沒有電量損失時的安裝高程可確定為300.00m。為進一步確定安裝高程，對提高安裝高程進行經濟分析，計算結果如下頁表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不能發電，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。從靜態經濟指標看，安裝高程為300.00m方案經濟性較優。

4.3電站安裝高程

結合經濟分析成果和機組運行方式，考慮額定工況的空蝕情況和正常尾水位（按16臺機組額定流量相應的尾水位320.588m），設計尾水位（按6臺機組額定流量相應的尾水位311.918m），復核電站最大水頭、最小流量時尾水管頂部的淹沒情況及相應的吸出高度，經綜合分析研究，北本電站水輪機的安裝高程由下游最低水位時尾水管出口頂部淹沒深度控制，確定電站安裝高程為300.00m（至機組水平中心線）。

5　結論

低水頭電站安裝高程的確定不能簡單的用設計尾水位減去吸出高度來確定安裝高程，應根據機組的運行條件，經過技術經濟比較后確定。北本水電站通過機組運行工況及安裝高程敏感性分析，最終確定水輪機安裝高程，既保證了電站運行的安全性，也盡可能的減少了工程的投資。

TK733.8

B

1672-5387（2016）02-0008-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.003

2015-10-20

王勝華（1975-），男，高級工程師，從事水力機械專業工作。