高原自然環(huán)境對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行的影響

蔡顯赫

（西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

高原自然環(huán)境對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行的影響

蔡顯赫

（西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的首要條件是能適應(yīng)其所處的環(huán)境。本文以西藏尼洋河多布水電站（以下簡(jiǎn)稱多布電站）為例，提出高原自然環(huán)境對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行的影響，如海拔、大氣壓、氣溫、水溫等對(duì)水輪機(jī)氣蝕、安裝高程、尾水管進(jìn)口最低壓力、油氣系統(tǒng)和機(jī)械運(yùn)行的影響，為高原水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)提供理論參考。

西藏；高海拔；多布水電站；水輪機(jī)運(yùn)行

西藏的水力資源理論蘊(yùn)藏量17 640億kW，約占全國(guó)總量的29%，技術(shù)可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量1.1億kW，可開(kāi)發(fā)巨型、大型水電站裝機(jī)容量9.71×106kW，水電站規(guī)模大部分在1×106kW以上，小部分為1×107kW的巨型電站［1］，各梯級(jí)電站單機(jī)容量可達(dá)5×105kW以上。

多布電站是尼洋河巴河口以下河段水電規(guī)劃的第3個(gè)階梯，工程規(guī)模屬于Ⅲ等中型工程，主要建筑物為3級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。該電站水庫(kù)的正常蓄水位3 076m，死水位3 074m，正常蓄水位以下庫(kù)容約0.65億m3，校核洪水位3 078.3m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。廠內(nèi)安裝4臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量120MW，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)約為4 271h，年設(shè)計(jì)發(fā)電量達(dá)到5.06億kW·h。

1 海拔高度

1.1 對(duì)重力加速度的影響

水輪機(jī)的出力計(jì)算與當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣认⑾⑾嚓P(guān)。據(jù)1980年標(biāo)準(zhǔn)正常重力加速度為9.780 327m/s2，多布電站緯度為29.02°，海拔為3 056.50m，根據(jù)公式（1）及“海拔高度每增加1m，重力加速度相應(yīng)減少3.09×10-6m/s2”計(jì)算出電站重力加速度為9.785m/s2，比標(biāo)準(zhǔn)正常重力加速度降低0.008 2m/s2。僅考慮g，多布電站水輪機(jī)出力較平原低，進(jìn)而得出高原水輪機(jī)出力較低。

1.2 對(duì)安裝高程的影響

若水輪機(jī)安裝地點(diǎn)的海拔高程為▽，應(yīng)當(dāng)用大氣壓力值減去修正值。據(jù)實(shí)際要求，海拔大于3 000m繼續(xù)使用的修正是偏大的。因此，急需相關(guān)學(xué)者研究出一個(gè)與水電站實(shí)際運(yùn)行情況相符的計(jì)算公式，以確定高原水電站的安裝高程。

建議暫時(shí)選用適合于高原吸出高度計(jì)算公式［2］：

式中，H為水輪機(jī)安裝地點(diǎn)的海拔高程（km），e=2.718。

1.3 對(duì)尾水管進(jìn)口最低壓力的影響

多布電站為燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，其尾水管出口頂部較高，流道過(guò)流量及尺寸較大。考慮在枯水期運(yùn)行，應(yīng)依據(jù)下游可能出現(xiàn)的最低尾水位來(lái)復(fù)核安裝高程。在確定安裝高程時(shí)，除滿足多種工況下的汽蝕要求外，還應(yīng)滿足機(jī)組在最低尾水位時(shí)尾水管出口頂部應(yīng)有一定淹沒(méi)深度，一般不小于0.5～1m［3］，此舉亦是為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

高原尾水管進(jìn)口最低壓力應(yīng)作高程修正，修正公式為［1］：

式中，▽為電站安裝高程。

2 大氣壓、溫度和濕度

由表1得［4］，隨海拔高度增加，濕度、相對(duì)大氣壓和相對(duì)空氣密度均下降。據(jù)多布電站廠房海拔，參照表1可得：濕度為3.68g/m3，相對(duì)大氣壓為海平面的69.5%，相對(duì)空氣密度為海平面的74.5%；按照“海拔高度每增加100m，溫度降低0.6℃”計(jì)算溫度得出電站的多年平均溫度較海平面低18.34℃。

表1 不同海拔高度的濕度、大氣壓和空氣密度對(duì)照表

2.1 對(duì)油系統(tǒng)和氣系統(tǒng)的影響

西藏地區(qū)的低溫會(huì)影響透平油系統(tǒng)和絕緣油系統(tǒng)的工作效率，進(jìn)而影響水輪機(jī)的運(yùn)行。油在低溫條件下變質(zhì)，流動(dòng)性能降低，繼而使運(yùn)動(dòng)阻力增大，加速了水輪機(jī)及其他機(jī)械設(shè)備磨損，影響液壓件正常工作。與此同時(shí)，油水混合區(qū)在低溫時(shí)易產(chǎn)生石蠟阻塞管道。

氣系統(tǒng)中空壓機(jī)、氣罐選擇計(jì)算，尤其是具備調(diào)相運(yùn)行電站的氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，都與濕度、大氣壓、溫度有關(guān)［5］。為實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)行機(jī)組水導(dǎo)軸承內(nèi)油溫不低于某一臨界值，建議在水導(dǎo)軸承油箱內(nèi)安裝加熱器，油溫低于臨界值時(shí)便啟動(dòng)加熱器。

2.2 對(duì)機(jī)械運(yùn)行的影響

高原晝夜溫差大，溫度瞬變導(dǎo)致膨脹系數(shù)差異大的零件之間配合失效，出現(xiàn)裂縫、零件互相咬死等不良現(xiàn)象，同時(shí)還會(huì)引起凝露，導(dǎo)致設(shè)備受潮，電路短路，加速腐蝕。許多以燃油為動(dòng)力的機(jī)械因高原缺氧，油料無(wú)法充分燃燒致使出力降低，柴油發(fā)電機(jī)組的機(jī)械效率是額定功率的0.6～0.75倍，在缺氧嚴(yán)重的冬季，其出力僅為額定出力的0.5倍。由于氣壓低和水的沸點(diǎn)低，相同質(zhì)量水帶走的熱量少，導(dǎo)致冷水降溫方法效果不佳。在高原環(huán)境下，設(shè)備使用壽命降低，運(yùn)行成本提高。

2.3 溫度對(duì)水輪機(jī)空蝕的影響

水電站氣溫和水溫對(duì)水輪機(jī)空蝕有一定的影響。相關(guān)資料表明［3］：空蝕體積隨溫度的增加而增大，汽蝕體積在20℃時(shí)最大，這時(shí)的值比10℃和26℃增大約6%，但汽蝕速度在10℃和20℃范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化，當(dāng)大于20℃時(shí)，空蝕速度呈減小趨勢(shì)［3］。雅江水溫近7個(gè)月均在10℃以下，其余時(shí)間的水溫也遠(yuǎn)低于20℃。僅考慮水溫，高原水輪機(jī)汽蝕程度相對(duì)較低。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了地處高原，機(jī)組單機(jī)容量大，運(yùn)行水頭高且水頭變幅大的水輪機(jī)運(yùn)行情況：①理論計(jì)算多布電站的重力加速度，闡述其對(duì)水輪機(jī)安裝高程、水輪機(jī)尾水管進(jìn)口最低壓力的影響，但文中公式均為參考，是否實(shí)用有待考證；②對(duì)多布電站的大氣壓、溫度和濕度進(jìn)行定量分析，分別討論其對(duì)油氣系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)行和空蝕的影響，但文中僅考慮三者各自的影響，綜合考慮有待進(jìn)一步研究；③在今后高原水輪機(jī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu)形式時(shí)應(yīng)綜合考慮自然環(huán)境影響。

［1］趙明琴，高瑜.西藏高海拔地區(qū)大型機(jī)組參數(shù)選擇探討［J］.水力發(fā)電，2013（10）：61-64.

［2］白希明.談高海拔地區(qū)合理確定水輪機(jī)安裝高程［J］.小水電，1995（3）：19-20.

［3］蘇守坤.對(duì)高海拔地區(qū)水輪機(jī)汽蝕的探討［J］.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（1）：79-81.

［4］劉書(shū)錦.高海拔地區(qū)電除塵器極配形式的探討［J］.電力科技與環(huán)保，2001（4）：22-23.

［5］趙明琴，陳祖文.高寒及高海拔地區(qū)巨型水輪機(jī)組設(shè)計(jì)探討［J］.人民長(zhǎng)江，2013（9）：93-96.

Analysis of the Influence of Natural Environment on the Operation of Water Turbine

Cai Xianhe
（College of Agriculture and Animal Husbandry,Tibet University，Lhasa Tibet 850000）

The primary condition for the stable operation of turbine is able to adapt to the environment.This paper took Tibet Niyanghe Duobu hydropower station(hereinafter referred to as Duobu Hydropower Sta?tion)as an example,some influence of natural environment on the plateau of turbine operation put forward such as altitude,atmospheric pressure,air temperature,water temperature of turbine cavitation,installation height the draft tube inlet,minimum pressure,oil gas system and mechanical operation,and provide a theo?retical reference for the plateau of hydraulic turbine type design.

tibet；high altitude；duobu hydropower station；turbine operation

TK401

A

1003-5168（2017）12-0064-02

2017-11-02

蔡顯赫（1994-），男，本科，研究方向：能源與動(dòng)力工程。