Thaukyegat(2)电站混流式水轮机运行稳定性方案的研究

李子凤

（东方电气集团 东风电机有限公司，四川 乐山 614000）

0 引 言

混流式水轮机的重要指标之一——稳定性，其本质是机组能否保持长期、高效地运行。若该性能指标较好，则可在使用寿命内，减少检修次数，提高发电的效率，最大程度地提升机组的使用率。然而，受电站现场条件的影响（如负荷较高、水力性能欠佳等），机组在运行中很难达到理论上所要求的连续稳定运转，检修的次数往往较多，且费时费力。因此，进一步完善机组的稳定性措施，对整机的性能具有重要的影响。本文以Thaukyegat（2）水电站为例，以电站的实际条件为依据，提出了相应的提高稳定性措施。

1 电站条件

1.1 电站基本参数

Thaukyegat（2）水电站位于缅甸境内,其坝址距Taungoo 城较近。电站总装机容量120 MW，安装3 台单机容量40 MW 的混流式水轮机发电机组。由于电站装机台数少（3 台）、保证出力小（为电站装机容量的26.9%），电站的引水系统较长，没有调压井，只在电站引水管路的入口处设有一闸阀兼做调压井，要求电站应尽可能通过日调节方式，在系统中承担调峰负荷。部分电站基本参数如表1 所示（水轮机型号为HLA883-LJ-294）。

1.2 电站运行特点

如表1 所示：本电站水头变幅大，其变幅接近岩滩、五强溪和皂市水电站，最大水头与最小水头的比值Hmax/Hmin=80.3/43.1=1.86、Hmax/Hr=80.3/65=1.23、Hmin/Hr=43.1/65=0.66，水轮机运行水头范围很宽。同时，从电站给出的加权因子（如表2 所示）可看出：水轮机在高水头部分负荷区运行时间较长。

表1 电站基本参数

表2 电站加权因子

2 稳定性运行措施的提出

水轮机运行稳定性在混流式电站主要表现为轴系的摆度、顶盖和导轴承的垂直和径向振动、水轮机机坑内和尾水管进人门处的噪声、机组出力摆动以及转轮的裂纹等。特别是中、高比速混流式水轮机中的裂纹现象早已在世界各国屡见不鲜。因此针对道耶坎水电站水头变幅大（最大水头与最小水头的比值高达1.86）、高水头部分负荷区运行时间长的特点，我们在电站水轮机参数水平选择、水轮机模型试验研究到原型水轮机的设计等过程中，从各方面采取措施，以确保机组的安全、稳定运行，延长机组的使用寿命。

2.1 转轮的选择

该电站的转轮模型拟选择A883 模型。其最大使用水头为89.2 m，对于本电站最大水头为80.3 m（毛），其强度是足够的。同时，本电站的转轮上冠、下环和叶片都是采用抗汽蚀性能良好的ZG0Cr13Ni4Mo 材料，增加了转轮其自身的性能。

2.2 转轮模型流场分析

转轮模型确定后，根据电站的实际运行情况，拟对模型的两个工况下：1）=70.3 r/min（对应最大水头Hmax=80.3 m）；2）a0=24 mm、=94.5 r/min 时（对应最小水头Hmin=43.1 m）转轮的下环、中间流面和上冠的速度场进行计算。其仿真结果如图1～图6 所示。

图1、图3、图5为在a0=16 mm=70.3 r/min 的结果，图2、图4、图6 为a0=24 mm=94.5 r/min 的结果。从图表中可以看出：在工况1 的时候，转轮内部流动顺畅，流态良好；而在工况2 时，却已经出现了回流。

图1 工况1 下环流态

图2 工况2 下环流态

图3 工况1 中环流态

图4 工况2 中环流态

2.3 补气措施的采取

由于混流式水轮机的转轮叶片固定在上冠与下环之间，不可调节。在进行转轮流道和叶片翼型水力设计时，主要考虑满足水流在设计工况（最优效率工况）下具有良好的流动状态。在偏离设计工况运行时，必然会产生尾水管涡带。当偏离设计工况较远时，还会产生转轮叶片头部的正、背面空化脱流和叶道涡。这些非稳定流态是引起水轮机水力振动的主要因素，是混流式水轮机的固有特性，不可消除。为此，我们在对该电站水轮机进行结构设计时采用了以下几种补气方式。

1）为消除尾水管涡带，首先在发电机主轴的上端采用大轴中心孔自然补气，设置了一个DN250 的真空破坏阀，其补气量按水轮机额定流量的2%来考虑。其次在尾水管边壁上也预留了补气口。在尾水管的边壁上设有一环形进气腔，外接一根DN100 的进气管，在进气管的外端接DN100 的真空破坏阀，在锥管壁上对应环形腔的位置均匀地开了16-DN50 的进气孔以便需要时使用。

2）在最大水头Hmax=80.3 m（毛）时，其单位转速为=70.3 r/min，其运行范围在不补气的情况下有可能会出现叶片头部背面脱流。为预防万一，我们在顶盖上导叶后的位置设有6-DN20 的强迫补气口，由6 根软管引出，接至一根DN50 的环管上，再从环管上引出总管接至机坑里衬，以便外接补气源。

图5 工况1 上冠流态

图6 工况2 上冠流态

3）在最小水头Hmax=43.1 m（毛）=94.5 r/min 时，在不补气的情况下，尽管从水轮机综合特性曲线上没有看到叶片头部正面脱流线，且此工况运行的时间也非常少，但从此工况的速度场来看，已经出现了回流。为预防万一，在顶盖上对应转轮上冠的位置设有2-DN32 的强迫补气口，并分别引至机坑里衬，以便外接补气源。同时考虑有压气源及其控制，当机组在高、低水头极端状态需要引用投入工作。同时也分别提供了6-DN20 和2-DN32 的塞子，如果机组在经过一定时间的运行，确认不需要强迫补气，就把顶盖上的补气口堵塞住。

3 结 论

由于机组运行水头变幅很大，同时负荷变化也较大，对机组的稳定运行来说本身就是一个巨大的考验，而目前要开发一个完全适应该电站所有工况的转轮很难，因此我们采取了各种补气措施。与此同时，电站也应从引水系统、调速器的性能、合理选择运行工况等手段尽可能地提高稳定性，共同来解决该机组运行的稳定性问题。

［1］ 石清华，许巍巍，龚莉.低水头混流式水轮机叶道涡引起的噪音及其消除［C］//.第十六次中国水电设备学术讨论会论文集，2007：156-164.

［2］ 宋文武.水利机械及工程设计［M］.重庆：重庆大学出版社，2005.

［3］ Piller M，Nobile E，Thomas J.DNS Study of Turbulent Transport at Low Reynolds Numbers in a Channel Flow［J］.Journal of Fluid Mechanics，2002（458）：419-441.