王永春，邵錫福

(吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林 白山 134500)

低水位運(yùn)行對(duì)水工建筑物和機(jī)組運(yùn)行的影響

王永春，邵錫福

(吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林 白山 134500)

1 雙溝電站及其生態(tài)流量泄放工程概況

1.1 雙溝電站概況

松江河梯級(jí)水電站由小山、雙溝、石龍3座水電站及松山引水工程組成。其中雙溝水電站為松江河梯級(jí)電站第2級(jí)電站，距上游小山水電站37 km。該電站安裝2臺(tái)單機(jī)容量為140 MW的混流半傘式水輪發(fā)電機(jī)組。水庫(kù)正常蓄水位為585 m，死水位為567 m，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，是一座引水式電站。該電站是以發(fā)電為主，兼有防洪任務(wù)的大(Ⅱ)型水利水電工程。

1.2 雙溝電站生態(tài)流量泄放流工程概況

雙溝電站生態(tài)流量泄放流工程是在河道左岸溢洪道堰前100 m處，布置內(nèi)徑為2 m的生態(tài)泄水隧洞。隧洞主要由進(jìn)口引水段、豎井消能段及后部導(dǎo)流明渠出水段3部分組成。在豎井內(nèi)設(shè)置檢修閘門(mén)和弧門(mén)各1套，通過(guò)控制弧形閘門(mén)開(kāi)度以保證生態(tài)泄放流量為4.4 m3/s。為配合雙溝生態(tài)泄放流工程施工，詳細(xì)分析了水庫(kù)低水位運(yùn)行對(duì)機(jī)組、水工建筑物和發(fā)電量的影響，并制定了施工及運(yùn)行的控制措施。

2 低水位運(yùn)行對(duì)水工建筑物的影響分析

雙溝水電站生態(tài)流量泄放工程進(jìn)水口前緣底高程為564.1 m，為確保生態(tài)流量泄放工程引水洞進(jìn)水口巖體能在水面上開(kāi)挖施工，需將水庫(kù)水位降低至564.1 m以下。同時(shí)，在施工期間還要通過(guò)引水發(fā)電隧洞繼續(xù)發(fā)電。在引水發(fā)電過(guò)程中，為避免進(jìn)口產(chǎn)生吸氣漏斗，防止隧洞內(nèi)發(fā)生氣蝕破壞，引水發(fā)電隧洞的發(fā)電流量應(yīng)小于相應(yīng)水位對(duì)應(yīng)的流量。

經(jīng)計(jì)算，引水發(fā)電隧洞在水位降至563.5 m時(shí)，進(jìn)口淹沒(méi)深度為6.6 m，隧洞發(fā)電流量為221.19 m3/s。因此，在隧洞水位降至563.5 m時(shí)，為防止發(fā)生氣蝕破壞，隧洞發(fā)電流量應(yīng)小于221.19 m3/s。

按照上述所要求的流量進(jìn)行引水發(fā)電，不會(huì)對(duì)水工建筑物產(chǎn)生影響。

3 低水位運(yùn)行對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行的影響分析

3.1 上游水位降低后的水頭分析

上游水位按563 m，單臺(tái)機(jī)流量Q按149 m3/s計(jì)算，下游水位為478.4 m，此時(shí)的水頭損失為：△h=1.033 37×104×Q2=2.29 m。

則水輪機(jī)運(yùn)行水頭為：

Hmin=563-478.4-2.29=82.31 m。

3.2 水頭變幅分析

采用(Hmax-Hmin)/Hd，Hmax/Hd，Hmin/Hd來(lái)表征混流式水輪機(jī)的水頭變幅與水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭的關(guān)系。一般工程要求(Hmax-Hmin)/Hd不宜超過(guò)30 %～40 %。低水頭時(shí)取大值，高水頭時(shí)取小值。

3.3 上游水位降低后對(duì)壓力脈動(dòng)的影響

水輪機(jī)運(yùn)行水頭的降低，最高單位轉(zhuǎn)速由81.35 r/min增至82.67 r/min。從模型試驗(yàn)結(jié)果看，最高單位轉(zhuǎn)速增加后，尾水管、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前和頂蓋的壓力脈動(dòng)相對(duì)幅值會(huì)略有增大，但增加的幅度很小，不會(huì)對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。

對(duì)雙溝電站，模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速為73 r/min，設(shè)計(jì)水頭Hd為105.6 m，此時(shí)(Hmax-Hmin)/Hd= 21.3 %，Hmin/Hd=0.805。

當(dāng)上游水位降低至563 m時(shí)，根據(jù)計(jì)算，(Hmax-Hmin)/Hd=23.85 %， Hmin/Hd=0.779。

因此，當(dāng)上游水位降低至563 m時(shí)，水頭變幅在水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)。

3.4 上游水位降低后水輪機(jī)運(yùn)行吸出高度復(fù)核

下游水位為478.4 m，此時(shí)的吸出高度Hs= 473.8-478.4=-4.6 m，裝置空化系數(shù)為0.17。從模型試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)應(yīng)單位轉(zhuǎn)速82.67 r/min，單位流量1.024 m3/s時(shí)的臨界空化系數(shù)為0.105，初生空化系數(shù)約0.19，則安全系數(shù)K=0.17/0.105= 1.62。如果只按1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，則下游尾水位為477.7 m，裝置空化系數(shù)為0.162，安全系數(shù)K=1.54。

雙溝電站在額定水頭97 m，額定出力142.9 MW，1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)吸出高度Hs=-4 m，臨界空化系數(shù)為0.102，初生空化系數(shù)約為0.167，裝置空化系數(shù)為0.138 9，安全系數(shù)K=0.138 9/0.102=1.36。雖然裝置空化系數(shù)未能大于初生空化系數(shù)，機(jī)組不能完全在無(wú)空化狀態(tài)下運(yùn)行，但水輪機(jī)的空化系數(shù)大于額定水頭工況，因此，水輪機(jī)的空化情況在上游水位降低后好于額定水頭工況。

可見(jiàn)，水位在563 m時(shí)，單臺(tái)機(jī)組最大保證出力為111.5 MW，流量為149 m3/s。此時(shí)水頭變幅在水輪機(jī)安全運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)；尾水管、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前和頂蓋壓力脈動(dòng)相對(duì)幅值會(huì)增大，但增加幅度很小，不會(huì)對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行造成影響；水輪機(jī)空化情況好于額定水頭工況，機(jī)組可以安全運(yùn)行。

4 低水位運(yùn)行施工限制及安全運(yùn)行控制措施

(1) 施工限制。施工期間，雙溝水庫(kù)水位控制在563.5 m以下運(yùn)行。

(2) 流量限制。水位在563.5 m時(shí)，發(fā)電流量要低于221.19 m3/s。

(3) 出力限制。水位在563.5 m，引水流量低于220 m3/s的情況下，電站最大出力可以達(dá)到167.6 MW；2臺(tái)機(jī)組平均最大出力可以達(dá)到83.8 MW；單機(jī)最大出力可以達(dá)到110 MW。

(4) 加強(qiáng)機(jī)組日常維護(hù)檢查，尤其是水輪機(jī)部分的螺栓緊固情況，確保在壓力脈動(dòng)相對(duì)幅值增大情況下，機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(5) 加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視和控制。做好汛期來(lái)水預(yù)測(cè)和短期洪水預(yù)報(bào)，在上述長(zhǎng)期計(jì)劃的基礎(chǔ)上，合理安排短期發(fā)電調(diào)度計(jì)劃，單臺(tái)機(jī)組出力要限制在110 MW以下運(yùn)行，電站最大出力要限制在167.6 MW以下，2臺(tái)機(jī)最大流量要限制在220 m3/s及以下運(yùn)行。

雙溝電站機(jī)組在水位降低后嚴(yán)格按照上述措施執(zhí)行，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。生態(tài)流量泄放工程施工完成后，在機(jī)組檢修中對(duì)引水隧洞進(jìn)行檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常，說(shuō)明施工期的控制措施可行。

2013-06-17。

王永春(1973-)，男，工程師，主要從事水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工作。

邵錫福(1973-)，男，高級(jí)工程師，主要從事生產(chǎn)技術(shù)部門(mén)水機(jī)管理工作。