贯流式水轮机安装高程确定的新方法

李 波

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

前 言

贯流式水轮机属于反击式水轮机的一种，其安装高程为主轴中心线高程，其确定方法同样以H s和设计尾水位来计算确定。H s和▽安的计算公式如下：

水轮机吸出高度按照式（1）计算：

针对贯流机，其水轮机安装高程按照式（2）计算：

以上公式中：

▽——电站海拔高度（m）；

Kδ——电站装置汽蚀系数与模型汽蚀系数之比值；

δM——水轮机模型空化系数；

▽W——设计尾水位（m）；

D1——转轮直径（m）；

H——水轮机工作水头（m）。

从式（2）可以看出，当水轮机选定后，其安装高程的确定同其他反击式水轮机相同，取决于设计尾水位和H s值。但是，贯流式水电站有其自身的特点，用于确定水轮机安装高程的尾水位和H s与其他类型机组又有不同。本文就介绍一种贯流式水轮机安装高程确定的新方法。

1 贯流式水轮机安装高程的确定

1.1 贯流式水电站的运行特点

贯流式水电站多为径流式，其水库基本无调节性，机组运行水头随电站天然来水情况而变化。当来流量增大时，机组运行台数增多，下泄流量增大，下游水位随之抬高，电站水头随之减小；当来流量减小时，机组运行台数减少，下泄流量减小，下游水位随之降低，电站水头随之增大。且水位随流量的变化比较明显。

根据这一运行特点，水轮机工作水头H及▽W随电站下泄流量变化不断变化，从式（1）和式（2）可以看出，要确定一个合适的安装高程，就必须找到机组运行时▽W+Hs最小的工况。

1.2 安装高程的确定方法

本文通过以下实例来介绍一种贯流式水轮机安装高程的确定方法。

1.2.1 基本资料

某水电站设计安装8台30MW灯泡贯流式水轮发电机组，电站正常蓄水位24.20m，最大水头13.3 m，加权平均水头8.98m，额定水头7.5m，最小水头3.8m；水轮机转轮直径7.5m，机组额定转速68.2 r/min，额定流量 455m3/s。

1.2.2 计算方法及结果

1.2.2.1 按以往的方法计算安装高程

水轮机额定水头7.5m，计算其理论吸出高度H s为-3.81m，设计尾水位取2台水轮机额定流量对应的尾水位为12.47m；用式（2）计算得出水轮机安装高程为4.91m。

1.2.2.2 分析计算法

通过计算最小水头至最大水头范围内，若干个净水头工况下的Hs和安装高程，最终确定一个最安全的安装高程。安装高程计算步骤如下：

（1）水库运行在正常蓄水位，净水头H=▽正-▽W-△h（△h为机组流道水力损失，根据经验取0.3~0.5m）。

（2）在正常蓄水位下，选取若干个净水头H1～Hn，通过选取的净水头H1，计算得出下游尾水位▽W1，根据尾水位▽W1由下游水位~流量关系曲线（为节省篇幅曲线未附）查得下泄流量Q1。依次类推计算得出其他净水头对应的下泄流量Qn。

（3）计算各净水头下，机组发最大出力时的过流量。

（4）计算各水头下，发最大出力的水轮机的单位流量Q11和单位转速n11。由模型综合特性曲线查得对应的水轮机效率和空化系数。

（5）依据式（1）和式（2）计算各净水头下相应的Hs和安装高程。

各计算结果见附表。

附表 水轮机吸出高度及安装高程计算结果

将附表的计算结果绘制成附图，很容易看出吸出高度和安装高程随着净水头的变化规律。在H=(13.3~11)m区间，吸出高度和安装高程随着水头减小而增大，在H=（11~7.5）m区间，吸出高度和安装高程随着净水头减小而减小，在H=（7.5~3.8）m，吸出高度和安装高程随着净水头的减小又开始增大。吸出高度和安装高程在额定水头7.5m时为最小值。由此，确定该电站机组安装高程为8.7m。

对比以上两种计算方法计算得出的安装高程，可以看出，按以往的方法得出的安装高程要比分析 计算法得出的安装高程低3.79m，以此确定安装高程则会加大工程的开挖量，增加工程投资。

附图 吸出高度、安装高程与净水头关系

所以，贯流式水轮机安装高程应取机组在额定水头下，全厂满发工况下水轮机的安装高程。

2 影响安装高程确定的最低尾水位

上述安装高程的确定，是考虑机组汽蚀性能条件下理论分析计算所得，但最终确定的安装高程，还要满足尾水管出口顶部具有一定淹没深度的要求。

特别是贯流式机组，其流道呈卧式布置，流道过流量及流道尺寸较大，尾水管顶部相应较高。所以，要考虑机组在枯水期下运行时，可能出现的下游最低尾水位，并依此来复核安装高程。

（1）零流量对应的尾水位。电站在所有机组停机，电站也无其他下泄流量，即Q=0m3/s时的尾水位。这时，要以此尾水位来校核水轮机安装高程。

（2）生态基流对应的尾水位。有些河流在工程坝下无其他来流，电站就必须下泄一定的流量作为维持河流生态系统运转的基本流量，即生态基流。此时，就可以用生态基流对应的尾水位作为最低尾水位来校核水轮机安装高程。

（3）最小通航流量对应的尾水位。贯流式水电站多为径流式开发电站，水头较低，工程一般有通航功能，为达到河道设计的通航保证率，就必须要往下泄通航所需流量。则要用最小通航流量对应的尾水位作为最低尾水位来校核安装高程。上述实例中，电站所在河流为主航道，在95%的通航保证率下，最小通航流量对应的下游水位为11.01m，为了保证尾水管上沿淹没深度不小于0.5m，复核水轮机安装高程应为4.0m。

复核确定的安装高程可能较理论分析确定的安装高程低，但是这样做，一来，可以保证机组在各个工况下安全运行不致发生严重汽蚀；二来，不致在枯水期下游水位太低时，出现尾水管淹没深度不足甚或是尾水管部分露出水面，使机组无法安全运行而停机；或要通过闸坝泄水达到机组安全运行要求后，再开机运行，浪费了枯水期宝贵的水量。这样确定的安装高程，虽然增加了部分工程建设投资，但从电站的长期运行来看是经济的。

3 结 语

贯流式水轮机安装高程的确定直接影响到电站的开挖和混凝土浇筑等工程量及投资，因此，确定一个合适的安装高程，对节约投资和保证机组安全运行至关重要。

按照以往计算安装高程的方法，所确定的安装高程较低。按照水位～流量关系曲线通过分析计算得出的安装高程，在满足各运行工况下机组汽蚀性能的要求下，是最经济的。但是，最低尾水位对安装高程的影响也要足够重视。

本文介绍的安装高程计算方法，不仅适用于径流式开发的贯流式水电站，对于径流式开发的轴流式水电站，其水轮机的安装高程也可参照此方法确定。

[1]杨军.水轮机安装高程计算的新方法[J].水力机械技术，2007，（1）：13-16.