CCS水電站沖擊式水輪機補氣系統研究

喬中軍 李紅帥 柏楊

摘 要：CCS水電站8臺沖擊式水輪機存在尾水洞有壓工況運行（下游河道水位高于尾水洞運行水位）模式，經對水輪機機坑內氣泡的形成過程進行模擬研究，結合水輪機模型試驗觀察和分析壓氣工況時水流的速度、氣泡的大小和氣泡的聚集形態，找出影響水輪機安全穩定運行的因素，提出在尾水洞下游側設自然補氣和強迫補氣系統，將水面降低到一定水位，形成必需的通氣高度，解決沖擊式水輪機在尾水洞有壓工況下安全穩定運行的問題。

關鍵詞：尾水洞;沖擊式水輪機;模型試驗;壓氣系統;安全穩定運行;CCS水電站

中圖分類號：TV734.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.021

Abstract：The 8 pelton turbines of CCS Hydropower Station have anunderpressure operation mode in tailrace tunnel（when the water level of the downstream river is higher than that of the tailrace tunnel operating level） ，from studying the formation process of bubbles in the turbine pit ，combing with observing the turbine model test and analyzing water velocity ，bubbles size and the accumulation form of the bubbles during the compressed air condition， it found out the factors that affect the safe and stable operation of the turbine and proposed a natural air supply system and forced air supply system on the downstream side of the tailrace tunnel to reduce the water surface to form the necessary ventilation height to solve the problem of safe and stable operation of the pelton turbine under pressure in the tailrace tunnel.

Key words： tailrace tunnel; pelton turbine; model test; compressed air system; safe and stable operation; CCS Hydropower Station

1 概 述

厄瓜多爾科卡科多辛克雷（Coca Codo Sinclair，簡稱CCS）水電站位于亞馬孫河二級支流可卡河上，距離首都基多130 km，水電站地下廠房內安裝8臺沖擊式水輪發電機組，總裝機容量1 500 MW，是該國戰略性能源工程，也是目前世界上規模最大的沖擊式機組水電站。水電站設計年發電量達88億kW·h，建成后將滿足厄瓜多爾全國1/3人口的電力需求，結束該國進口電力的歷史。該電站也是中國公司在海外獨立承擔設計的規模最大的水電工程之一。

CCS水電站由首部樞紐、引水隧洞、調蓄水庫及地下廠房等組成。該工程概念設計（相當于國內的可行性研究）由意大利ELC公司完成，對概念設計進行復核時發現，正常工況下尾水洞是無壓洞，在較大洪水條件下（流量大于1 600 m3/s），下游河道水位抬高將導致8條尾水洞水位上升，尾水洞成為有壓運行模式，會導致轉輪室壓力降低，涌浪出現，水輪機效率嚴重下降，機組不能正常運行，這是概念設計及主合同均沒有提及的一種特殊工況。

在基本設計階段，考慮尾水洞出口地質條件等因素，決定將尾水洞出口位置下移200 m左右，使得上述情況有所緩解，尾水洞成為有壓洞的洪水流量由1 600 m3/s提高到2 800 m3/s。根據水文專業的計算，電站平均每年有半個月左右時間出現較大洪水條件（流量大于2 800 m3/s），會導致水輪機短時停機，作為國家的骨干電站，一旦停機對國家電網沖擊較大，為避免這種工況出現，曾提出過抬高水輪機安裝高程（抬高4 m）并相應抬高調蓄水庫高程（提高上游水位）方案，但因投資大、工程實施困難大等因素而擱淺。經與水輪機廠家充分交流，提出在尾水洞下游側設自然補氣系統和強迫補氣系統，其中強迫補氣系統將水面降低至一定水位，形成必需的通氣高度，解決了沖擊式水輪機在尾水洞有壓工況下安全穩定運行的難題。自然補氣系統和強迫補氣系統已在2012年5月瑞士洛桑水輪機模型試驗中得到驗證，為后期項目實施提供了可靠的依據及技術支撐。

一般為了獲得最大可能的工作水頭，應使沖擊式水輪機轉輪盡量布置在靠近最高尾水位的地方，避開機組變負荷時尾水洞內的涌浪，保證通風，避免轉動的轉輪與尾水頂部的泡沫接觸而引起效率損失，轉輪與最高尾水位之間需要有一個最小距離，即水輪機排出高度。與反擊式水輪機相比，這部分水頭未能被利用，因此也稱為“水頭丟失”。當水輪機正常運行后水流離開水斗落入尾水坑的過程中會大量摻氣，因而將空氣帶走，若尾水洞（渠）通氣高度不夠，從水中分離出來的空氣不能全部返回機殼，使機殼內出現真空，則會造成水輪發電機組效率下降和機組振動加劇。為了避免機殼內出現不良的條件，必須采取補氣的方法使機殼內的壓力與大氣壓力保持平衡。

沖擊式水輪機在尾水洞有壓工況下運行，目前中國還沒有先例，世界上僅有少數幾個電站存在這種工況，且是下游河道水位常年高于尾水洞水位，不存在工況轉化問題，均采取強迫補氣壓水措施，將尾水洞水位降低到能保證水輪機安全運行的高度，使得轉輪能在空氣中運轉，確保水輪機安全穩定運行。CCS的8臺水輪機大多數時間處于正常運行工況，只有在大洪水條件下尾水洞才成為有壓洞，因此其運行工況、邊界條件、機組結構形式方面均較為特殊。

2 補氣系統

沖擊式水輪機的補氣系統可分為氣泡的形成過程和空氣回收過程兩個獨立的過程。其中泡沫的形成過程為復雜的兩相流問題，目前研究還不夠深入，重要參數的研究才剛剛起步。因此，這里以水輪機模型試驗為依據，并結合少量已運行的類似電站對空氣回收系統進行分析研究。

當下游河道水位正常時，氣泡被尾水洞（渠）的水流帶入下游河道中。為了減少這部分空氣的損失量，彌補機殼內的氣壓損失，有必要設置空氣回收系統，尤其是當氣泡分布峰荷正好在水輪機機坑出口處高程時空氣的損失量更大，空氣回收系統的設置顯得更加重要。

為了解決無壓狀態下水輪機工作水頭與能量效率以及安全穩定運行之間的矛盾，在尾水洞內設置自然補氣管，利用尾水洞內的壓差，自動把水流落入尾水坑過程中摻入的空氣通過補氣管道再送回機殼內，從而破壞機殼出現的真空，維持機組效率，減少機組振動。為了保證水輪機機殼內的最優補氣，補入的空氣應從水輪機機殼的中心部位補入，空氣的大部分應能直接補入機殼中。因此，有必要對水斗式水輪機無壓工況運行時自然補氣系統進行分析研究。

沖擊式水輪機尾水氣體含量隨著出力的增大而增加，更多的水從斗葉甩出會產生更多的泡沫，擠壓氣泡的間距。由于尾水洞（渠）進口處水流高度紊動，氣泡不會合并，另外氣體在尾水渠的垂直方向分布非常不均勻，因此集群氣泡的逸出速度在渠道的進口和接近表面處最小。為了有效利用尾水洞內的空氣，需要在合適的位置設置擋氣坎回收空氣，這樣在離機組中心線下游約14倍轉輪直徑的尾水洞（渠）處自由氣泡的比例基本可達100%。

3 補氣系統的水輪機模型試驗

2012年5月21日至5月25日，在瑞士的洛桑安德里茨水力實驗室進行了水輪機模型驗收試驗。該試驗臺配有高精度的測量設備，其中流量測量誤差為±0.162%，水力比能測量誤差為±0.112%，力矩測量誤差為±0.100%，轉速測量誤差為±0.050%，模型效率誤差為±0.232%，綜合效率誤差為±0.246%，滿足IEC有關要求。

模型試驗臺的主要參數：最高水頭320 m，最大流量0.3 m3/s，最大功率940 kW。模型水輪機的主要參數：轉輪節圓直徑361.5 mm，斗葉寬度90.1 mm，噴嘴直徑35.8 mm，水斗數22，原模型比尺為9.264 7∶1。根據合同要求對水輪機進行了效率試驗、出力試驗、飛逸試驗、自然補氣和強迫補氣試驗、折向器推力測量試驗以及模型尺寸檢查試驗等。

針對CCS水電站存在的壓氣運行工況（尾水洞有壓工況），對試驗臺尾水渠及末端進行改造，在整個尾水段裝設觀察口（透明玻璃），尾水出口安裝了擋氣坎及一個高位水箱（涌高水位），對整個水流流態進行了模擬，并進行了自然補氣和強迫補氣試驗。根據相似定律確定了水輪機流道并設置了相應的自然補氣系統和強迫壓氣系統，在模型試驗臺上，進行了額定凈水頭為604.1 m、額定出力為188.266 MW時各種工況的模擬，記錄了在尾水流道鼻端后水位不同時水輪機效率、氣流量和氣壓的變化情況，并通過原模型效率、氣流量和氣壓的換算得到原型水輪機的補氣試驗參數，補氣試驗曲線見圖1。

在自然補氣試驗中，通過圖1可以發現，在鼻端尾水位高于607.8 m時，水輪機效率隨尾水位的抬高下降得非?？欤诘陀?07.8 m時，水輪機的效率幾乎不隨尾水位的變化而變化，在尾水位達到607.3 m時水輪機的效率不受尾水位的影響，很顯然自然補氣試驗的結果是滿足要求的。在強迫補氣試驗中，一是要檢驗壓縮空氣對水輪機效率的影響程度，二是要驗證在尾水位變化時所選用的空壓機容量是否能夠滿足壓氣要求。隨著尾水位不斷升高，甚至達到609.6 m極端尾水位時，在保證機殼內的氣壓及空壓機排氣量的前提下，水輪機效率受尾水位的影響極小。當然，隨著機殼內氣壓的增大，機殼內的空氣密度也在增大，這就導致了轉輪的風損增大，水輪機的效率微弱地下降，也證明了強迫壓氣及補氣系統設計合理、可靠，擋氣坎位置選擇正確。

4 工程應用

CCS水電站沖擊式水輪機的排出高度為3.8 m，尾水支洞通氣高度為1 m，尾水洞水位允許的最高運行水位為607.3 m，如超過這個水位，需要投入壓縮空氣，將水位壓到607.3 m以下水輪機才能運行。水輪機壓氣系統由供氣系統和空氣回收系統組成，通常包括注入機殼的壓縮空氣和對應設置在尾水支洞內的擋氣坎來回收空氣。

4.1 空氣回收系統

CCS水電站從機殼到尾水洞埋有供氣管道，管道離機殼有足夠的距離。管道的供氣量為水輪機最大流量的20%～30%，進入機殼內的氣流速度不宜太高，空氣流速控制在20～30 m/s，每個噴嘴設置獨立的管道系統，自然補氣系統共布置8根補氣管路，其中：15%的氣量從2根口徑250 mm管路為中心體補氣，空氣口的位置位于尾水洞的進口處以及距離水輪機中心線52 m處;85%的氣量從6根口徑350 mm管路為機殼內補氣，空氣口的位置位于尾水洞的進口處以及距離水輪機中心線20 m的鼻端處，分散在不同的角度。自然補氣的管路布置見圖2。

4.2 壓氣運行系統

4.2.1 壓氣系統

在壓氣運行系統中，供氣系統和空氣回收系統之間達到經濟最優組合非常重要。CCS水電站供氣系統在高程608.0 m設置了2臺75 kW鼓風機（一主一備）用于向水輪機機殼內注入壓縮空氣，壓氣系統見圖3。

根據計算，CCS水電站在尾水支洞離機組中心線下游約56 m處自由氣泡的比例達到100%，因此參考類似電站的運行經驗，在距機組中心線56 m的位置設置擋氣坎用于回收尾水支洞內的氣體。

4.2.2 壓氣系統管路

空壓機的氣量偏小，一根管子就能夠滿足要求。根據模型試驗結果，為了確保足夠的補氣量，空壓機所連接的管路直徑確定為400 mm。在模型水輪機中，管路的位置背對尾水洞，以確保有足夠的壓力進入機殼內。在原型水輪機中，其位置和模型水輪機保持一致。

4.2.3 壓氣系統自動控制

在每條尾水支洞前后兩個斷面各設置了2個微壓傳感器，共4個微壓傳感器，通過壓差計算出尾水支洞內的水位，用于控制2臺鼓風機啟停。

4.2.4 壓氣系統設備參數

當尾水洞處于有壓狀態時，需投入壓氣運行系統進行強迫壓氣，經過上述選型計算，壓氣運行系統所需設備主要參數見表1。

5 結 論

對沖擊式水輪機機坑內氣泡的形成過程進行模擬研究，采取在尾水洞下游側設自然補氣和強迫補氣系統的措施，并通過水輪機模型試驗得到驗證，CCS水電站8臺水輪機在發生較大洪水條件下能安全穩定運行，確保了電網安全與穩定。根據水文專業的計算，每年出現較大洪水天數按15 d考慮，每天按20 h計算，由此每年可以多發電45 000萬kW·h。

CCS水電站8臺機組于2016年11月全部投產發電，至今水輪機運行穩定，效率較高，完全滿足合同要求，已產生巨大的經濟效益。目前還沒有發生過大洪水，現場配置的壓氣系統還沒有投入運用，但已做好調試運行工作，隨時可以投入運行。

【責任編輯 張華巖】