积石峡水电站低水头低负荷工况下运行研究

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1、积石峡水电站低水头低负荷工况下运行研究　　中图分类号：TM文献标识码：A文章编号：1007-0745（2013）09-0360-01摘要：水轮发电机设计是在正常水位下运行为前提，阐述了水轮发电机在未达到设计水位时，易出现的问题，从水力学、水轮机特性分析了低水头、低负荷对水轮机的影响，针对积石峡电站低水头运行，提出了一些防范措施。关键词：水轮发电机低水位低负荷积石峡水电站是青海黄河上游境内的第五座大型水电站，装机容量3*340MW，挡水建筑物为混泥土面板堆石坝，最大坝高103米，水库为中型水库，库容约2.94亿立方米；额定水头66米，最小水头59.2

2、米。电站于2010年实现3台机组全部投产发电。由于当时处于施工期，挡水工程尚未竣工，库区移民也未完成全部搬迁，至今依然没有达到额定水头，造成机组长期处于低水头运行，机组所带负荷往往偏低。这种低水头、低出力（以下简称“两低”）的运行状况对电站的出力、发电量及运行费用等水利综合利用效益产生重大影响，更严重的是可能危及到电站的设备和水利工程的安全。一、“两低”运行工况使汽蚀破坏程度加深5汽蚀是水动力学中一普遍现象，是水电站运行中突出的技术难题，严重影响水轮机的工作稳定性。汽蚀的破坏程度与水轮机运行工况有关，在设计工况（即最优工况）下，叶片出口边水流绝对速

3、度V2与圆周方向速度“U2”（“U2”的方向与n相同）垂直，其VU2=0，如图所示。此时水轮机的运行工作稳定性好，无力摆动，也没有超出规范的振动、噪音和压力脉动。在变工况尤其是“两低”工况运行时，由于水流相对速度W2方向不变，而数值减少为W’2导致U2减少，出口绝对速度出现较大的圆周分量Vu2。由于Vu2的存在，使水流在转轮出口后产生旋转，顺着尾水管壁排向下游；Vu2越大，水流所受的离心里越大，沿半径方向，半径大水流压力大，尾水管中心压最小。由于汽化的物理现象，组成汽蚀核的空气从水中析出，产生由汽泡组成的旋转真空涡带，即空腔汽蚀，真空涡带以一定频率

4、周期扫射尾水管管壁，实际瞬间出现的最大汽蚀系数将增加30%-40%使管壁发生汽蚀侵蚀。因此规程规定，水轮机低负荷运行小时数不多于总运行时数的10%。而积石峡电站自机组投产以来一直处于低负荷运行状态，直到近期才有所改善。但仍然没有达到额定水头运行。大坝蓄水未到正常蓄水位，造成水轮机运行水头偏低，即环境压力的降低，而翼型汽蚀破坏程度与环境压力变化成反比，水头越低，叶片汽蚀破坏程度越深，造成水轮机转轮叶片汽蚀穿孔、掉边，甚至整个转轮报废。5二、“两低”运行工况使振动加剧“两低”运行工况在尾水管内产生旋转真空涡带，使水流周期性受阻，造成流量和压力不稳定，引

5、起机组的基础、机架、轴承的垂直振动和主轴的摆动。水流压力脉动值可达运行水头的12%左右。真空涡带呈不稳定的螺旋状，其形状、螺旋角和压力脉动值随工况而变。1.空转和负荷很小，死水区几乎充满整个尾水管，压力脉动很小，在任何情况下都可以运行。2.30%-40%负荷，涡带稍微偏心，并呈螺旋形，螺旋角较大，压力脉动较大，属危险区域。3.40%-60%负荷，涡带严重偏心，呈螺旋形，压力脉动更大，属更危险的区域。4.0%-75%，带是同心的，力脉动很小，运行无扰动。5.75%-85%，无压力脉动，运行平稳。6.满负荷到超负荷，涡带在紧挨工作轮后收缩，有很小的压力

6、脉动，可产生扰动，特别是在超负荷时。水电站在任何一个水头下都有一个不稳定的运行区域，会导致水轮机的汽蚀和机组的振动。真空涡带的压力脉动频率与机组关，属于几个赫兹以内的低频脉动，其引起的明显破坏为机架、5顶盖和推力轴承产生破坏性极强的垂直振动，以及主轴不规则的摆动。当尾水管内涡带的压力脉动频率、厂房建筑物固有的自频率、叶片在某一开度下的涡列和叶片的自激振动频率相等或接近时，产生强烈的共振，使机组与电网解列，危及整个电厂和压力钢管的安全，甚至出现机毁人亡的重大事故。如近几年发生的俄罗斯的萨羊水电站事故。激发机组振动的干扰力来自水力、电气、机械三个方面，

7、彼此之间会产生连锁的反应。真空涡带的压力脉动，引起叶片自激振动加剧和止漏环间隙分布不均，水力振动加剧；同时主轴摆度增加，导轴承工作情况被破坏，激发机械振动加剧；发电机空气间隙不均，而触发电气振动，造成发电机出力摆动，调速器动作频繁，励磁振荡，故障不断，调速器不能投入自动方式运行。三、“两低”运行工况使机组出力和效率下降“两低”运行工况偏离设计工况较远，破坏了叶片无撞击进口和法向出流（如图15速度三角形所示），汽蚀破坏水流的连续性和流态水力损失增加，水轮机的出力和效率大为降低。同一功率，水轮机效率随水位的降低而降低；同一水位，水轮机效率随功率的降低而

8、降低。去年积石峡电站机组负荷大多在180MW-200MW左右运行。运行负荷率偏低，造成耗水率一直居高不下，恰逢去年黄河来水