水輪機(jī)安裝高程計(jì)算的新方法

1、水輪機(jī)安裝高程計(jì)算的新方法楊 軍（中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院工程設(shè)計(jì)院 湖南長(zhǎng)沙 410014）【摘 要】徑流式水電站的水頭和流量隨天然來(lái)水情況呈相反的關(guān)系變化，水頭的變幅相對(duì)較大，水電站發(fā)出單機(jī)容量的水頭一般高于發(fā)出電站裝機(jī)容量的水頭，水輪機(jī)的額定水頭宜按發(fā)足裝機(jī)容量的情況來(lái)考慮，根據(jù)來(lái)水流量保證率曲線和下游水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行演算得到的機(jī)組安裝高程，更切合實(shí)際和經(jīng)濟(jì)。【關(guān)鍵詞】徑流式水電站 安裝高程 額定水頭 流量保證率曲線 新方法1 以往計(jì)算徑流式水電站水輪機(jī)安裝高程的方法以往計(jì)算徑流式水電站水輪機(jī)安裝高程的方法，是按機(jī)組額定水頭計(jì)算吸出高度、并根據(jù)裝機(jī)臺(tái)數(shù)確定設(shè)計(jì)尾水位,最終計(jì)算安裝高程。 立

2、軸反擊式水輪機(jī)安裝高程是指導(dǎo)葉中心高程；臥軸水輪機(jī)安裝高程是指主軸中心高程。不同裝置方式的水輪機(jī)安裝高程計(jì)算公式有別，水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè) 水力機(jī)械中給出了水輪機(jī)安裝高程計(jì)算的公式。立軸混流式水輪機(jī)安裝高程按公式（1）計(jì)算：A=W + Hs + b0/2 (1)立軸軸流式水輪機(jī)安裝高程按公式（2）計(jì)算：A=W + Hs + X D1 (2)臥軸反擊式（包括混流式和貫流式）水輪機(jī)安裝高程按公式（3）計(jì)算：A=W + Hs D1/2 (3) 上述公式中：A 水輪機(jī)安裝高程（m）； w 電站設(shè)計(jì)尾水位（m）； Hs 機(jī)組吸出高度（m）,計(jì)算公式見(jiàn)下述；b0 導(dǎo)葉高度（m）；D1 轉(zhuǎn)輪直徑（m）；X 軸

3、流式水輪機(jī)高度系數(shù)，依轉(zhuǎn)輪型號(hào)不同而異。對(duì)于立軸軸流式水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，其安裝高程（A ）也常按轉(zhuǎn)輪中心線確定，此時(shí)不必計(jì)算XD1，但應(yīng)特別注明。機(jī)組吸出高度Hs按公式（4）或公式(5)計(jì)算：Hs 10 - /900 - KM H (4)Hs hs- /900 (5) 式中：電站所在地的海拔高程（m）； M轉(zhuǎn)輪模型汽蝕系數(shù)，根據(jù)模型試驗(yàn)得到； H凈水頭（m）,一般按電站設(shè)計(jì)水頭計(jì)算，對(duì)軸流式水輪機(jī)還應(yīng)用最小水頭，對(duì)混流式水輪機(jī)還應(yīng)用最大水頭及對(duì)應(yīng)的M進(jìn)行復(fù)核； K 電站裝置汽蝕系數(shù)Z與轉(zhuǎn)輪模型汽蝕系數(shù)M之比值，簡(jiǎn)稱汽蝕安全系數(shù)，K =Z/M；K值與機(jī)組過(guò)流水沙條件、轉(zhuǎn)輪材質(zhì)、電站運(yùn)行水

4、頭和轉(zhuǎn)輪模型試驗(yàn)方法等有關(guān)。 hs計(jì)算理論吸出高度（m）, hs=10 - KM H對(duì)于某一水電站來(lái)說(shuō)，根據(jù)已知的水頭范圍和單機(jī)容量選定水輪機(jī)型號(hào)后，可以基本確定機(jī)組的吸出高度Hs。Hs0時(shí)，表示水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪安裝于下游尾水位之上某一高度；Hs0時(shí)，表示水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪安裝于下游尾水位以下某一高度。 計(jì)算水輪機(jī)安裝高程的電站設(shè)計(jì)尾水位（w），一般按下述原則考慮：1)電站裝機(jī)12臺(tái)時(shí)，設(shè)計(jì)尾水位一般取1臺(tái)機(jī)組50%額定流量對(duì)應(yīng)的下游水位；2) 電站裝機(jī)36臺(tái)時(shí)，設(shè)計(jì)尾水位一般取12臺(tái)機(jī)組額定流量對(duì)應(yīng)的下游水位或按水電站接近保證出力運(yùn)行所對(duì)應(yīng)的下游尾水位；3) 電站裝機(jī)6臺(tái)以上時(shí)，設(shè)計(jì)尾水位一般取23臺(tái)機(jī)組

5、額定流量對(duì)應(yīng)的下游水位或按水電站接近保證出力運(yùn)行所對(duì)應(yīng)的下游尾水位； 2 徑流式水電站的特性及新計(jì)算方法的啟示徑流式水電站的水庫(kù)無(wú)調(diào)節(jié)性，水頭和流量隨天然來(lái)水情況而變化，且水頭和流量的變化呈相反的關(guān)系，水頭的相對(duì)變化速度較大，即當(dāng)來(lái)水流量增大時(shí)，下游水位隨之抬高，相應(yīng)地電站水頭減?。欢?dāng)來(lái)水流量減小時(shí)，下游水位隨之降低，電站水頭增加。機(jī)組運(yùn)行時(shí)適應(yīng)其特點(diǎn)，在豐水期當(dāng)天然來(lái)水流量大于或等于電站裝機(jī)的水輪機(jī)過(guò)流量時(shí)，機(jī)組全部投入運(yùn)行，并在出力限制線上運(yùn)行；而在枯水期當(dāng)天然來(lái)水流量小于電站裝機(jī)的最大過(guò)流量時(shí)，機(jī)組的投入和退出運(yùn)行按等負(fù)荷分配原則，使機(jī)組在較高效率區(qū)內(nèi)運(yùn)行，此時(shí)，每臺(tái)機(jī)組不一定處在額定

6、容量工況運(yùn)行。從徑流式水電站的水頭、流量特性以及機(jī)組投入或退出運(yùn)行的情況來(lái)看，水電站發(fā)出單機(jī)容量的水頭要高于發(fā)出電站裝機(jī)容量的水頭，因此，用裝機(jī)容量來(lái)選擇徑流式水電站水輪機(jī)的額定水頭是比較合適的，也就是說(shuō)，水輪機(jī)的額定水頭宜按發(fā)足裝機(jī)容量的情況來(lái)考慮，而這種情況往往是出現(xiàn)在棄水量不大的豐水期。此時(shí)的下游水位一般比較高，相應(yīng)地機(jī)組吸出高度Hs值較大，從而水輪機(jī)安裝高程應(yīng)較高。通過(guò)上述分析，水頭變幅較大的徑流式水電站水輪機(jī)安裝高程如按上述公式（1）公式（5）計(jì)算時(shí)，會(huì)導(dǎo)致安裝高程計(jì)算值比實(shí)際運(yùn)行情況偏小，從而增加了土建工程量和投資。根據(jù)徑流式水電站的特點(diǎn)，對(duì)電站來(lái)水情況進(jìn)行概率分析，并對(duì)水頭、流量

7、和出力的實(shí)際情況進(jìn)行運(yùn)行工況組合，即根據(jù)流量保證率曲線和下游水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行演算，可以得出比較合理的機(jī)組計(jì)算安裝高程。3 算例3.1 某電站基本資料和計(jì)算結(jié)果1）基本資料某徑流式電站的水庫(kù)正常蓄水位73m，安裝4臺(tái)軸流式水輪機(jī)，型號(hào)為ZZ560a LH 410，單機(jī)額定流量Q=117.9m3/s，一臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電流量時(shí)下游尾水位為58.21m，最大水頭15.64m，水輪機(jī)額定水頭11.8m，最小水頭6.6m，額定水頭下機(jī)組額定出力11400kW，機(jī)組轉(zhuǎn)速125 r/min。為節(jié)省篇幅，來(lái)水流量保證率曲線和下游水位流量關(guān)系曲線未附，使用數(shù)據(jù)列如附表中。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用不銹鋼材料，且水頭較低，

8、計(jì)算中的汽蝕安全系數(shù)K 取1.05 ,表中的安裝高程均計(jì)算至轉(zhuǎn)輪中心線。2）計(jì)算結(jié)果按以往方法的計(jì)算成果如下：水輪機(jī)額定水頭11.8m，計(jì)算理論吸出高度hs=-0.16m,按一臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷流量的下游水位58.21m為設(shè)計(jì)尾水位（W），進(jìn)行水輪機(jī)安裝高程（A）計(jì)算：A=W + hs- /900 = 58.21-0.16-0.067=57.98m按來(lái)水流量保證率曲線和下游水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行演算的計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)附表。按新方法計(jì)算的水輪機(jī)安裝高程（A）為59.71m。3.2 兩種方法計(jì)算結(jié)果的比較與分析從附表中計(jì)算結(jié)果可以看出如下特點(diǎn)：1) 按水輪機(jī)額定水頭計(jì)算的hS值為最低值，說(shuō)明按設(shè)計(jì)工

9、況點(diǎn)的額定水頭計(jì)算的hS值能夠滿足汽蝕性能的要求；2) 隨著站址來(lái)水流量的加大，電站凈水頭逐漸減小，且減幅較大；3) 電站凈水頭計(jì)算安裝高程（HA ）數(shù)據(jù)關(guān)系表明，轉(zhuǎn)輪安裝高程的最低值不在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，而是在離開(kāi)額定水頭較遠(yuǎn)的較高水頭處。這說(shuō)明由于受河床斷面等因素影響，最低的機(jī)組安裝高程不一定呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，有可能出現(xiàn)在其他位置，如本算例中出現(xiàn)在凈水頭14.3m處。按以往計(jì)算方法得出的機(jī)組安裝高程為57.98m，而按本文介紹的新方法得出的機(jī)組安裝高程為59.71m，相應(yīng)抬高了1.73m(即59.71-57.98=1.73m),可以減少主機(jī)段的開(kāi)挖和混凝土工程量，相應(yīng)縮短工期、節(jié)省投資。由此說(shuō)明

10、，徑流式水電站按實(shí)際運(yùn)行工況演算而得的機(jī)組安裝高程，更切合實(shí)際和經(jīng)濟(jì)。4選擇機(jī)組安裝高程應(yīng)考慮的其他因素上述是考慮機(jī)組汽蝕性能計(jì)算合理的吸出高度，從而得到機(jī)組計(jì)算安裝高程的方法。在最終確定機(jī)組安裝高程時(shí)，還應(yīng)使流道進(jìn)出口具有一定的淹沒(méi)深度要求。如貫流式燈泡機(jī)組進(jìn)出水流道為臥式布置，由于機(jī)組過(guò)流量和流道尺寸大，尾水管出口頂面相應(yīng)地比較高，所以其安裝高程的確定，需要滿足兩個(gè)條件，其一是根據(jù)汽蝕性能計(jì)算合理的吸出高度，其二是考慮機(jī)組在最枯流量下運(yùn)行時(shí)，尾水管出口頂面應(yīng)有一定的淹沒(méi)深度，應(yīng)大于V2/2g值（V為尾水管出口斷面的平均流速），并不得小于0.5m。另外值得指出的是，在進(jìn)行機(jī)組安裝高程計(jì)算時(shí)，

11、有必要對(duì)一些特殊情況加以考慮。例如，有些電站的機(jī)組往往因資金或工程規(guī)劃等原因需要分期安裝，在建設(shè)初期只能投產(chǎn)部分機(jī)組，而當(dāng)實(shí)際天然來(lái)水大于設(shè)計(jì)運(yùn)行的機(jī)組過(guò)流量，便要求機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組的汽蝕系數(shù)比正常情況下多臺(tái)機(jī)組（對(duì)安裝多臺(tái)機(jī)組情況，此時(shí)不需要每臺(tái)機(jī)組帶滿負(fù)荷）運(yùn)行時(shí)大，此時(shí)機(jī)組安裝高程就相應(yīng)地應(yīng)低一些。水輪機(jī)合理的吸出高度Hs值，對(duì)減輕水輪機(jī)的汽蝕具有重要作用，因此，在選擇水輪機(jī)型號(hào)時(shí)，機(jī)組的汽蝕性能是應(yīng)考慮的一個(gè)十分重要因素。對(duì)某一選定的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪來(lái)說(shuō)，雖然Hs的大小不是影響機(jī)組汽蝕破壞的唯一因素，但將直接影響廠房的開(kāi)挖和混凝土等項(xiàng)工程量及投資。因此，對(duì)大中型電站來(lái)說(shuō)，在選擇水輪機(jī)安裝

12、高程時(shí)應(yīng)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行條件，進(jìn)行必要的經(jīng)濟(jì)比較。5 結(jié)束語(yǔ)按設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的額定水頭來(lái)計(jì)算的HS值能夠滿足機(jī)組汽蝕性能的要求。根據(jù)徑流式水電站的來(lái)水流量保證率曲線和下游水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行演算得到的機(jī)組安裝高程，更切合實(shí)際和經(jīng)濟(jì)。 本文介紹的新方法僅適用于水頭變幅較大的徑流式水電站（通常如河床式電站和渠道電站等）。對(duì)于水頭變幅不大的長(zhǎng)距離引水式電站（有時(shí)也是徑流式電站）和蓄水式水庫(kù)電站，仍應(yīng)采用以往的方法計(jì)算水輪機(jī)安裝高程。附表 水輪機(jī)安裝高程計(jì)算表電站流量Q（m3/s）頻率(%)下游水位W（m）水頭損失H（m）凈水頭H（m）出力（1臺(tái)機(jī)）（kW）電站出力（kW）單機(jī)引用流量QT（m3/s）單位轉(zhuǎn)速

13、n/1(r/min)單位流量Q/1（L/s）模型汽蝕系數(shù)M計(jì)算理論吸出高度hs(m)計(jì)算安裝高程A(m)4099.157.420.02315.5573200320026129.93926093.157.740.06615.1945900590046131.57028087.357.970.13514.8958400840076132.811711008258.180.23314.587105601056086134.21339.50.50+2.3460.4511079.358.280.2914.43114001180094134.914720.53+1.9760.1812076.858.380

14、.3014.32114001300095135.414930.57+1.459.7118062.758.820.3513.83114001965098137.815680.58+1.5760.3222051.959.10.4013.51140023360101139.516350.63+1.0760.1026041.959.310.4213.221140027930103.514116930.65+0.9760.2130031.659.510.4513.071140031600104.7141.817030.65+1.0860.5235020.559.770.5012.721140035600107.8143.617970.70+0.660.304809.360.370.65911.971114004510011614819950.81-0.1860.125805.960.40.6511.9411140045000116.2148.320000.81-0.1660.1781060.540.65911.8011140044950118149.220430.82-