黃花寨水電站額定水頭選取及穩定性分析

葛 曦

( 貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽550002)

1 概 述

貴州蒙江黃花寨水電站是紅水河左岸一級支流蒙江干流規劃開發的第三級水電站，位于貴州省黔南布依族苗族自治州長順縣境內，地處蒙江干流河段上格凸河下游。電站交通條件較好，工程區距長順縣城75 km，距貴陽市150 km。

黃花寨電站投產后并入主網，無近區供電。電站主要任務是發電。

電站采用“無人值班”(少人值守)的計算機監控運行方式。

本電站廠房為壩后式地面廠房，引水發電系統為“一洞一管兩機”布置形式。最高水頭為90.47 m，加權平均水頭為77.68 m，最低水頭為59.48 m，裝機容量2 ×30 MW。

2 額定水頭的選擇

本電站水頭變幅較大，Hmax/Hmin=1.52，水頭變幅過大的的電站，水輪機的運行穩定性和轉輪裂紋問題都比較突出，如塔貝拉、潘家口常規機組、小浪底、巖灘等電站，因此在選型設計中應加以重視，提高機組的運行穩定性。

混流式水輪機的運行穩定性與設計水頭有很大的關系，電站的運行水頭如果偏離設計水頭的幅度越大，那么機組的穩定性就越差，因此，在機組選型時，應盡量使運行水頭接近設計水頭，對于水頭變幅大的電站，則應選擇“鴨蛋”較長的綜合特性曲線。額定水頭的選取與水能利用、機組設備投資、機組穩定運行、土建投資、發電量等多種因素息息相關，在裝機容量確定之后，若選取的額定水頭偏高，則機組出力受阻會更明顯，反之，若選取的額定水頭偏低，受阻容量就較小，但是機組投資又會增大。因此需要從電站實際情況出發，以水頭出現頻率為基礎，充分分析水頭比重后，結合廠房開挖等因素綜合考慮，以確定一個經濟合理的額定水頭，從而平衡機組出力與機組運行穩定性之間的關系。

水輪機的水力性能包括了能量、氣蝕、穩定性三大性能，其中，以穩定性為重，再好的能量指標和氣蝕性能首先需要良好的穩定性才能得以體現。若機組的穩定性差，壓力脈動、機組振動等不穩定因素往往會導致轉輪葉片開裂，止漏環脫落，尾水管的金屬里襯損壞，軸承、密封等松動損壞等現象，有些穩定性差的電站，機組無法并入電網運行。

額定水頭Hr的選擇涉及到水能利用、機組設備投資、機組穩定運行等多種因素，因此工作水頭( Hmax、Hr、Hmin) 應在合理范圍內，一般Hr=(0.95 ～1.0) Hav。黃花寨電站聯合運行死水位770 m 不同水頭不同出力出現機率見表1。

表1 不同水頭不同出力出現機率表

續表1

由表1 可見，本電站在高水頭段運行機率較大，85m 水頭以上為35.1%，75 m 水頭以上為63.6%。通過以72、75、77.5 m 作額定水頭比較可以得出，額定水頭越高，機組尺寸越小和廠房土建投資減小。

就本電站水頭特性而言，電站在高水頭段運行頻率較高，據表1 統計，電站在90.32－85 m 水頭段，90% ＜N≤100%Nr出現的幾率較多，因此在選擇額定水頭時，應充分考慮高水頭段運行的空蝕性能和穩定性以及機組的加權平均效率，若額定水頭選取太低，則在高水頭工況時，機組的導葉開度過小，如此時開度低于全開度的70%，水力穩定性能就比較差，負荷的調節范圍也很小，這對機組穩定運行非常不利。一般為了保證高水頭工況的穩定運行，同時提高高水頭工況的負荷調節能力，在額定水頭選取時應盡可能接近加權平均水頭。

另外，統計國內外水電站發現，當水輪機的水頭比Hmax/Hmin≤1.5、Hmax/Hr≤1.2 或Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15，其水輪機運行穩定性都比較好，如伊泰普電站( Hmax/Hmin=1.53，Hmax/Hr= 1. 122) 、薩 彥 舒 申 斯 克 電 站( Hmax/Hmin=1.257，Hmax/Hr=1.134) 、麥卡( Hmax/ Hmin=1.39，Hmax/Hr=1.08) 及國內的李家峽( Hmax/Hmin=1.184，Hmax/Hr=1.11) 、天生 橋 二 級( Hmax/ Hmin= 1. 172，Hmax/Hr= 1. 159) 、二 灘( Hmax/Hmin= 1. 4，Hmax/Hr= 1. 145) 、烏江渡( Hmax/Hmin=1.42，Hmax/Hr=1.118);當水輪機的水頭比Hmax/Hmin＞1.6，Hmax/Hr＞1.2 時運行穩定性都較差，如大古力Ⅲ和五強溪等。

本電站Hmax/Hmin=1.5，Hmax/Hr=1.165，因此黃花寨水電站按77.5 m 額定水頭進行水輪機選型設計是合適的。

3 提高運行穩定性的措施

就本電站而言，水頭變幅過大，結合工程實際，可采取以下措施以提高機組運行的穩定性:

1) 水輪機參數的選擇。通過對已運行電站的統計可以看出，水輪機運行的最穩定區域是在最優工況點和無渦區，由表1 可見，本站在90.32 ～85 m 水頭段，90% ＜N≤100%Nr時運行的幾率最大，為11.8%，因此，水輪機在參數選擇時，應重點考慮將90.32 ～85 m 水頭段時30 MW 出力位于最優工況點和無渦區。

2) 吸出高度的控制。水輪機的水力穩定與吸出高度有很大的關系，吸出高度最終反映在機組安裝高程上，安裝高程過低將會增加廠房土建開挖工程量，如過高，則水輪機的氣蝕性能降低，不利于機組的穩定運行。據統計，吸出高度裕量大的電站( 即安裝高程低) ，運行穩定性普遍較好。

3) 穩定運行的水頭范圍。通過對已運行的電站進行統計和分析表明，當電站實際運行水頭H 與水輪機設計水頭H0的關系如下時:(0.6 ～0.65) H0≤H≤(1.1 ～1.15) H0，機組是能夠穩定運行的。而且隨著運行水頭H 偏離H0越大就越不穩定。水頭過低常常會導致葉片進水邊的正面產生脫流空化渦帶，水頭過高也會導致葉片進水邊的背面產生脫流空化渦帶和葉道渦，相比而言，背面產生的脫流空化渦帶和葉道渦更為嚴重。

4) 適當的補氣方式。通過補氣能降低渦帶壓力脈動，目前較常見的補氣方式有大軸中心孔補氣、頂蓋補氣、尾水管補氣。需根據機組實際情況進行確定，補氣效果好的大軸中心孔補氣需要機組主軸的直徑滿足要求才能布置，頂蓋補氣效果也很好。

5)避振運行。極低負荷區:轉輪出口的水流具有正環量，此時雖然振動不大，但機組效率太低，除空載工況外，一般限制在該區域運行;部分負荷區:該區域壓力脈動幅值較大，頻率低，這與轉輪下方的旋轉渦帶有關，如不采取有效的補氣措施，大軸中心孔和頂蓋補氣效果較好，不建議在該區域長期運行;高部分負荷區:大部分ns≥200 m·kW 的混流式水輪機，在各水頭下最優流量的60% ～90%工況下有高于轉頻的壓力脈動出現;最優效率區:水輪機在該區域效率高，轉輪下方無旋轉渦帶，機組運行最穩定，一般也稱之為無渦區，可長期運行;滿負荷區:轉輪下方有柱狀的渦帶，但機組運行還是比較穩定的;超負荷區:水輪機的壓力脈動較大，同時空蝕加劇，部分轉輪在此時會出現第二振動區。

6) 過流部件材質及加工工藝。提高水輪機頂蓋、座環、主軸等主要部件的剛度、強度，轉輪采用抗空蝕、抗磨蝕和具有良好焊接性能的不銹鋼材料制造，葉片采用坐標鏜床數控加工，提高機組制造、安裝質量。

4 結 論

通過招標后的水輪機主要參數為:

通過機組參數合理選擇、額定水頭的合理選取、機組機型及結構型式的合理設計、機組過流部件采用數控加工工藝、通過水庫調節避開低負荷區運行等措施，至2010年發電以來，機組一直穩定運行，為電站帶來了良好的經濟效益。

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