高原自然環(huán)境對水輪機運行的影響

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)境對水輪機運行的影響

蔡顯赫

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

水輪機穩(wěn)定運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（以下簡稱多布電站）為例，提出高原自然環(huán)境對水輪機運行的影響，如海拔、大氣壓、氣溫、水溫等對水輪機氣蝕、安裝高程、尾水管進口最低壓力、油氣系統(tǒng)和機械運行的影響，為高原水輪機選型設(shè)計提供理論參考。

西藏；高海拔；多布水電站；水輪機運行

西藏的水力資源理論蘊藏量17 640億kW，約占全國總量的29%，技術(shù)可開發(fā)裝機容量1.1億kW，可開發(fā)巨型、大型水電站裝機容量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］，各梯級電站單機容量可達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個階梯，工程規(guī)模屬于Ⅲ等中型工程，主要建筑物為3級，臨時建筑物為5級。該電站水庫的正常蓄水位3 076m，死水位3 074m，正常蓄水位以下庫容約0.65億m3，校核洪水位3 078.3m，設(shè)計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為500年一遇。廠內(nèi)安裝4臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量120MW，裝機年利用小時數(shù)約為4 271h，年設(shè)計發(fā)電量達到5.06億kW·h。

1 海拔高度

1.1 對重力加速度的影響

水輪機的出力計算與當?shù)氐闹亓铀俣认⑾⑾嚓P(guān)。據(jù)1980年標準正常重力加速度為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”計算出電站重力加速度為9.785m/s2，比標準正常重力加速度降低0.008 2m/s2。僅考慮g，多布電站水輪機出力較平原低，進而得出高原水輪機出力較低。

1.2 對安裝高程的影響

若水輪機安裝地點的海拔高程為▽，應(yīng)當用大氣壓力值減去修正值。據(jù)實際要求，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)者研究出一個與水電站實際運行情況相符的計算公式，以確定高原水電站的安裝高程。

建議暫時選用適合于高原吸出高度計算公式［2］：

式中，H為水輪機安裝地點的海拔高程（km），e=2.718。

1.3 對尾水管進口最低壓力的影響

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

高原尾水管進口最低壓力應(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、相對大氣壓和相對空氣密度均下降。據(jù)多布電站廠房海拔，參照表1可得：濕度為3.68g/m3，相對大氣壓為海平面的69.5%，相對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照表

2.1 對油系統(tǒng)和氣系統(tǒng)的影響

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

氣系統(tǒng)中空壓機、氣罐選擇計算，尤其是具備調(diào)相運行電站的氣系統(tǒng)設(shè)計，都與濕度、大氣壓、溫度有關(guān)［5］。為實現(xiàn)控制運行機組水導(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，油溫低于臨界值時便啟動加熱器。

2.2 對機械運行的影響

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，同時還會引起凝露，導(dǎo)致設(shè)備受潮，電路短路，加速腐蝕。許多以燃油為動力的機械因高原缺氧，油料無法充分燃燒致使出力降低，柴油發(fā)電機組的機械效率是額定功率的0.6～0.75倍，在缺氧嚴重的冬季，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，運行成本提高。

2.3 溫度對水輪機空蝕的影響

水電站氣溫和水溫對水輪機空蝕有一定的影響。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℃時最大，這時的值比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，當大于20℃時，空蝕速度呈減小趨勢［3］。雅江水溫近7個月均在10℃以下，其余時間的水溫也遠低于20℃。僅考慮水溫，高原水輪機汽蝕程度相對較低。

3 結(jié)語

本文研究了地處高原，機組單機容量大，運行水頭高且水頭變幅大的水輪機運行情況：①理論計算多布電站的重力加速度，闡述其對水輪機安裝高程、水輪機尾水管進口最低壓力的影響，但文中公式均為參考，是否實用有待考證；②對多布電站的大氣壓、溫度和濕度進行定量分析，分別討論其對油氣系統(tǒng)、機械運行和空蝕的影響，但文中僅考慮三者各自的影響，綜合考慮有待進一步研究；③在今后高原水輪機設(shè)計、優(yōu)化機組結(jié)構(gòu)形式時應(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)合理確定水輪機安裝高程［J］.小水電，1995（3）：19-20.

［3］蘇守坤.對高海拔地區(qū)水輪機汽蝕的探討［J］.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1998（1）：79-81.

［4］劉書錦.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)巨型水輪機組設(shè)計探討［J］.人民長江，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：能源與動力工程。