沱江低水头电站选用贯流式机组问题

摘 要：本文提出了低水头电站贯流式机组设计水头、装机容量、吸出高度与安装高程的选择以及与机组相关调相和转动惯量的几个问题进行了探讨。

关键词：提出了针对适合低水头电站的贯流式机组设设计水头、装机容量、吸出高度与安装高程等设计参数之间的相互关系和选用方法。

地处四川的沱江干流，河床比较平缓，无集中落差，故规划中各梯级电站的设计水头低，除金堂的九龙滩为12m外，其余九处均在10m以下，一般为5-7m。在原规划的20处梯级中，开发方式属建坝并引水的混合式12处，坝后或河床式8处。这类低水头电站给水轮机的机型选择带来很多值得研究的问题。从已建成并运行沱江干流水电站资料看，单位千瓦投资较高的主要原因是机电设备部份。因此，恰当地选择机型和参数，采用合理的厂房结构型式，是完全可以降低单位千瓦投资的。

贯流式机组比转速高，过流能力大，效率高，土建投资较轴流式机组省，是适合于开发低水头、大流量水力资源的良好机型。本文对沱江上采用贯流式机组的选型问题提出几点看法，供讨论。

（一）贯流式水轮机的设计水头和装机容量

低水头迳流式电站设计水头采用是否合理，不仅对水电站厂房尺寸、电站出力和工作效率有直接关系，还影响到电站的耗水率，也是水电站今后运行能否充分发挥效益的关键。有人主张，对于迳流式电站应根据弃水临界点来反映电站的设计水头。笔者认为：当洪水历时短、集中，则一次洪水弃水仅为几天；若洪水来水量均匀，历时长，则通过水轮机的最大过水能力的时间可长达数十天，弃水天数必然会增长。如果是平水年，弃水天数多的，不一定年电量少；而弃水天数少的也不一定年电量多。因此，弃水天数不能反映年电能多少，在沱江上不能用弃水天数来定设计水头和装机容量大小，更不能作为水轮机转轮直径选择的主要依据。机组的设计水头应为电站发足额定装机容量的最小水头，电站的设计水头尽可能地接近加权平均水头（如四川省南阳滩电站），将使水电站机组有良好的运转特性，这样才能获得比较高的综合效率A值（A=9. 81η水η发）。当水轮机效率越高，则A值越大，相应提高了电能的数值，今后沱江低水头电站枯期可在溢流坝上加0.8 -1米的活动闸板，不但可以降低固定坝高度，减少洪期淹没损失，又提高了枯期运行水头。

（二）贯流式机组的吸出高度与安装高程

水轮机的吸出高度Hs。本应从转轮汽蚀最危险点算起，但在实际中要确定这一点的准确位置很困难，而且该点是随水轮机工况变化而改变的，按照临界汽蚀系数λ确定的吸出高度Hs，只能保证水轮机能量指标不因汽蚀发展而降低，但不能避免汽蚀的发生。因此水电站的吸出高度Hs的设计要求是保持能量不下降的一个必要的条件，但不是保证不发生汽蚀破坏的充分条件。目前有的电站采用Hs=10-（1.5-2） σH-/900来计算Hs值，笔者认为，对于两个几何相似的水轮机，在它们相似工况下，它们的汽蚀系数σ是互相相等的，真机和模型机相似准则之一就是其汽蚀系数守恒，因此任意扩大σ值其根据是不足的，再说前者只放大了汽蚀系数，而不放大能量参数。

对于贯流式水轮机的安装高程，一要满足水轮机汽蚀要求；二要满足尾水管淹没深度要求。贯流式水轮机之所以比立轴转浆式有较好的汽蚀特性，其原因是采用了圆锥形导水机构，从而在选择导叶型线和锥角时使转轮入口处水流的径向分布较易控制，它的浆叶顶部每旋转一次才进入该汽蚀区，不象立轴转浆式水轮机使整个转轮叶片都处于不可避免要受汽蚀破坏的区域。在大多数情况下，汽蚀对贯流式水轮机的安装高程影响不大，只要能满足尾水管出口淹没深度就可以了。

一般贯流式水轮机的安装高程取用的下游水位与其它机型不一样，其它机型一般按一台机组发满出力时的下游水位或电站发保证出力时的下游水位，而贯流式机组一般为迳流式电站，下游水位随上游来水量变化，当上游来水量大时，下泄量大，下游水位高，水头低。如果仍按发保证出力时的下游水位确定安装高程，那么在机组最大水头情况下运行时，尾水管淹没深度就不够了。当机组的最大水头大于电站最大水头时，应按电站最大水头下机组允许过流量的下游水位来确定安装高程，或者按机组允许最低负荷时流量和下游水位确定安装高程并采用Hs=10- （σ+σ） H-/900计算Hs值，比较合理。湖南马迹塘从奥地利引进的贯流式水轮机，奥方在计算安装高程Hs值移至D1/4处（图一），采用Hs=10-/900- KσH- D1/4（式中K=1）进行计算，认为这样可减少转轮下部的开挖深度。

（三）贯流式机组转动惯量和调相

贯流式机组的特点是转动惯量小，当流量变化时影响显著，飞逸转速甚高，在实际运行中表现出：当甩负荷时机组速率上升值较高；机组起动时，容易引起转速突然上升，不够稳定，并车较困难，单独系统运行时，随负荷变化周波摆动较大。但随着大量的试验研究和实践改进是能够逐渐改变和改善这些不利因素的。比如合理选择关闭导叶的时间和改变浆叶转动速度与转动方向，以及调节终了时的叶片角度值；导叶不关到零或采用缓冲关闭等，是能够降低因转动惯量小使得机组甩负荷时产生的轴向反推力的。如果在机组和电站设计上，考虑在空载运行时能够维持其稳定性所需的转动惯量和选配较灵敏的JSDT型集成电路双调电液调速器，并注意最优参数的选择，是能够弥补这一不足的。

贯流式机组的调相运行，有人设想：只关闭导叶让转轮叶片直接在水中旋转，即相当于水轮机处于H=常数，Q =0的水泵工况运行，其消耗的有功功率主要转换成热能加热水温和机组的机械损耗。若能采用这种方式调相，机组不但可以省掉压气和排气程序，而且能直接由发电工况转为调相工况，进一步简化操作，提高机组的机动性。

（四）贯流式机组的厂房

贯流式机组间距比同容量的立轴转浆式机组窄，一般转浆式机组间距为3.4D1 （D1为转轮直径），而灯泡式水轮机机组间距约为2.6D1，对厂房的土建工程量有一定的节省。但是我国目前已建电站厂房土建方面的节省并不明显，原因是在设计上没有充分发挥贯流式机组的优势。贯流式机组厂房的基础平面宽而短，而立轴转浆式机组厂房窄而长，总面积相差不很大。因此要在高度方向充分利用贯流式机组的特点，才能获得预期减少厂房土建工程量的效益。贯流式机组的主机和流道均为卧式布置，尾水管呈直锥形，对于采用溢流式、有盖式厂房都具有适应性。但在洪枯水位变幅较大的沱江，若采用溢流式厂房，会在一定程度上增加了洪水时河床断面，并且厂内通风采光条件差，噪音较大，机电设备布置比较困难，溢流面的盖板孔止水要求高，施工较复杂。若采用有盖挡水连拱防洪墙厂房的重力式圬工结构，则不但适应洪枯水位变幅大的特点，还可改善通风、采光条件，而且对机组安装、检修也比较方便，我省遂宁的小白塔电站等都采用了这种厂房型式。

目前国外对贯流式机组厂房在上部结构处理上相当简化，甚至是露天型的，也有采用活动屋顶式的非溢流半露天厂房和圆筒式厂房，自动化程度也很高，值得借鉴。■