水輪機安裝高程計算的新方法

1、水輪機安裝高程計算的新方法楊 軍（中南勘測設(shè)計研究院工程設(shè)計院 湖南長沙 410014）【摘 要】徑流式水電站的水頭和流量隨天然來水情況呈相反的關(guān)系變化，水頭的變幅相對較大，水電站發(fā)出單機容量的水頭一般高于發(fā)出電站裝機容量的水頭，水輪機的額定水頭宜按發(fā)足裝機容量的情況來考慮，根據(jù)來水流量保證率曲線和下游水位流量關(guān)系曲線進行演算得到的機組安裝高程，更切合實際和經(jīng)濟?！娟P(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 以往計算徑流式水電站水輪機安裝高程的方法以往計算徑流式水電站水輪機安裝高程的方法，是按機組額定水頭計算吸出高度、并根據(jù)裝機臺數(shù)確定設(shè)計尾水位,最終計算安裝高程。 立

2、軸反擊式水輪機安裝高程是指導(dǎo)葉中心高程；臥軸水輪機安裝高程是指主軸中心高程。不同裝置方式的水輪機安裝高程計算公式有別，水電站機電設(shè)計手冊 水力機械中給出了水輪機安裝高程計算的公式。立軸混流式水輪機安裝高程按公式（1）計算：a=w + hs + b0/2 (1)立軸軸流式水輪機安裝高程按公式（2）計算：a=w + hs + x d1 (2)臥軸反擊式（包括混流式和貫流式）水輪機安裝高程按公式（3）計算：a=w + hs d1/2 (3) 上述公式中：a 水輪機安裝高程（m）； w 電站設(shè)計尾水位（m）； hs 機組吸出高度（m）,計算公式見下述；b0 導(dǎo)葉高度（m）；d1 轉(zhuǎn)輪直徑（m）；x 軸

3、流式水輪機高度系數(shù)，依轉(zhuǎn)輪型號不同而異。對于立軸軸流式水輪機來說，為了簡便起見，其安裝高程（a ）也常按轉(zhuǎn)輪中心線確定，此時不必計算xd1，但應(yīng)特別注明。機組吸出高度hs按公式（4）或公式(5)計算：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)模型試驗得到； h凈水頭（m）,一般按電站設(shè)計水頭計算，對軸流式水輪機還應(yīng)用最小水頭，對混流式水輪機還應(yīng)用最大水頭及對應(yīng)的m進行復(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，簡稱汽蝕安全系數(shù)，k =z/m；k值與機組過流水沙條件、轉(zhuǎn)輪材質(zhì)、電站運行水

4、頭和轉(zhuǎn)輪模型試驗方法等有關(guān)。 hs計算理論吸出高度（m）, hs=10 - km h對于某一水電站來說，根據(jù)已知的水頭范圍和單機容量選定水輪機型號后，可以基本確定機組的吸出高度hs。hs0時，表示水輪機轉(zhuǎn)輪安裝于下游尾水位之上某一高度；hs0時，表示水輪機轉(zhuǎn)輪安裝于下游尾水位以下某一高度。 計算水輪機安裝高程的電站設(shè)計尾水位（w），一般按下述原則考慮：1)電站裝機12臺時，設(shè)計尾水位一般取1臺機組50%額定流量對應(yīng)的下游水位；2) 電站裝機36臺時，設(shè)計尾水位一般取12臺機組額定流量對應(yīng)的下游水位或按水電站接近保證出力運行所對應(yīng)的下游尾水位；3) 電站裝機6臺以上時，設(shè)計尾水位一般取23臺機組

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

6、容量工況運行。從徑流式水電站的水頭、流量特性以及機組投入或退出運行的情況來看，水電站發(fā)出單機容量的水頭要高于發(fā)出電站裝機容量的水頭，因此，用裝機容量來選擇徑流式水電站水輪機的額定水頭是比較合適的，也就是說，水輪機的額定水頭宜按發(fā)足裝機容量的情況來考慮，而這種情況往往是出現(xiàn)在棄水量不大的豐水期。此時的下游水位一般比較高，相應(yīng)地機組吸出高度hs值較大，從而水輪機安裝高程應(yīng)較高。通過上述分析，水頭變幅較大的徑流式水電站水輪機安裝高程如按上述公式（1）公式（5）計算時，會導(dǎo)致安裝高程計算值比實際運行情況偏小，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，對電站來水情況進行概率分析，并對水頭、流量

7、和出力的實際情況進行運行工況組合，即根據(jù)流量保證率曲線和下游水位流量關(guān)系曲線進行演算，可以得出比較合理的機組計算安裝高程。3 算例3.1 某電站基本資料和計算結(jié)果1）基本資料某徑流式電站的水庫正常蓄水位73m，安裝4臺軸流式水輪機，型號為zz560a lh 410，單機額定流量q=117.9m3/s，一臺機組滿負荷發(fā)電流量時下游尾水位為58.21m，最大水頭15.64m，水輪機額定水頭11.8m，最小水頭6.6m，額定水頭下機組額定出力11400kw，機組轉(zhuǎn)速125 r/min。為節(jié)省篇幅，來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。水輪機轉(zhuǎn)輪采用不銹鋼材料，且水頭較低，

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

9、況點的額定水頭計算的hs值能夠滿足汽蝕性能的要求；2) 隨著站址來水流量的加大，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)計工況點，而是在離開額定水頭較遠的較高水頭處。這說明由于受河床斷面等因素影響，最低的機組安裝高程不一定呈現(xiàn)在設(shè)計工況點，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。按以往計算方法得出的機組安裝高程為57.98m，而按本文介紹的新方法得出的機組安裝高程為59.71m，相應(yīng)抬高了1.73m(即59.71-57.98=1.73m),可以減少主機段的開挖和混凝土工程量，相應(yīng)縮短工期、節(jié)省投資。由此說明

10、，徑流式水電站按實際運行工況演算而得的機組安裝高程，更切合實際和經(jīng)濟。4選擇機組安裝高程應(yīng)考慮的其他因素上述是考慮機組汽蝕性能計算合理的吸出高度，從而得到機組計算安裝高程的方法。在最終確定機組安裝高程時，還應(yīng)使流道進出口具有一定的淹沒深度要求。如貫流式燈泡機組進出水流道為臥式布置，由于機組過流量和流道尺寸大，尾水管出口頂面相應(yīng)地比較高，所以其安裝高程的確定，需要滿足兩個條件，其一是根據(jù)汽蝕性能計算合理的吸出高度，其二是考慮機組在最枯流量下運行時，尾水管出口頂面應(yīng)有一定的淹沒深度，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，在進行機組安裝高程計算時，

11、有必要對一些特殊情況加以考慮。例如，有些電站的機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)部分機組，而當(dāng)實際天然來水大于設(shè)計運行的機組過流量，便要求機組滿負荷運行，機組的汽蝕系數(shù)比正常情況下多臺機組（對安裝多臺機組情況，此時不需要每臺機組帶滿負荷）運行時大，此時機組安裝高程就相應(yīng)地應(yīng)低一些。水輪機合理的吸出高度hs值，對減輕水輪機的汽蝕具有重要作用，因此，在選擇水輪機型號時，機組的汽蝕性能是應(yīng)考慮的一個十分重要因素。對某一選定的水輪機轉(zhuǎn)輪來說，雖然hs的大小不是影響機組汽蝕破壞的唯一因素，但將直接影響廠房的開挖和混凝土等項工程量及投資。因此，對大中型電站來說，在選擇水輪機安裝

12、高程時應(yīng)根據(jù)機組運行條件，進行必要的經(jīng)濟比較。5 結(jié)束語按設(shè)計工況點的額定水頭來計算的hs值能夠滿足機組汽蝕性能的要求。根據(jù)徑流式水電站的來水流量保證率曲線和下游水位流量關(guān)系曲線進行演算得到的機組安裝高程，更切合實際和經(jīng)濟。 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）。對于水頭變幅不大的長距離引水式電站（有時也是徑流式電站）和蓄水式水庫電站，仍應(yīng)采用以往的方法計算水輪機安裝高程。6附表 水輪機安裝高程計算表電站流量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臺機）（kw）電站出力（kw）單機引用流量qt（m3/s）單位轉(zhuǎn)

13、速n/1(r/min)單位流量q/1（l/s）模型汽蝕系數(shù)m計算理論吸出高度hs(m)計算安裝高程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+1.9760.1812076.858.38

14、0.3014.32114001300095135.414930.57+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-