雙江口水電站水輪機主要參數(shù)的選擇

張 帥

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

雙江口水電站位于四川省阿壩州藏族羌族自治州馬爾康縣與金川縣交界處的大渡河上游干流，為大渡河干流河段自上而下梯級開發(fā)規(guī)劃的第五個電站。雙江口水庫具有年調(diào)節(jié)能力，為大渡河干流河段梯級開發(fā)的上游控制性水庫。

電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置于左岸，采用首部式地下廠房，廠房內(nèi)安裝4臺額定功率500MW的水輪發(fā)電機組。電站建成后供電范圍為四川電網(wǎng)，并參與華中電網(wǎng)的西電東送，在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)峰腰荷。

2 電站基本參數(shù)

2.1 水庫特征參數(shù)

正常蓄水位 2 500m

死水位 2 420m

汛期限制水位(6、7月) 2 485m

正常蓄水位以下庫容 27.32億m3

汛期限制水位以下庫容 22.21億m3

調(diào)節(jié)庫容 19.17億m3

防洪發(fā)電共用庫容 5.11億m3

調(diào)節(jié)性能 年調(diào)節(jié)

死庫容 8.15億m3

水庫運行方式：電站從6月初開始蓄水，10月底前蓄至正常蓄水位，其中6、7兩月的水位不得高于汛期限制水位(2 485m)。從12月開始，水庫按各月等出力方式發(fā)電供水，至4月底水位降至死水位。5月、11月為平水期，水庫按上游來流量發(fā)電。

2.2 水 頭

最大水頭 251.4m

加權(quán)平均水頭 222.7m

汛期加權(quán)平均水頭 231.0m

額定水頭 215.0m

最小水頭 161.6m

電站平均水頭隨時間變化過程線見圖1。

圖1 雙江口水電站平均水頭隨時間變化過程線

2.3 動能參數(shù)

裝機容量 2 000MW

年利用小時數(shù) 4 000h

年發(fā)電量 80.0億kW·h

保證出力 480MW

不同水頭段發(fā)電量占年電量的比值見圖2。

圖2 不同水頭段發(fā)電量占年電量的比值

2.4 泥沙資料

(1)壩址處天然河流泥沙：

年平均含沙量 0.272kg/m3

汛期(6～9月)平均含沙量 0.398kg/m3

(2)水庫投運20年后，電站引水含沙量：

年平均含沙量

0.035kg/m3

汛期過機泥沙含量

0.067kg/m3

過機泥沙中莫氏硬度≥5的硬礦物 含量

36%

粒徑>0.01mm，莫氏硬度≥5的 硬礦物含量占總沙重

3.86%

中數(shù)粒徑

0.003 5mm

3 水輪機運行特點及參數(shù)選擇原則

雙江口水電站水輪機具有單機功率大、運行水頭高、水頭變幅大、投產(chǎn)初期的水輪機將長時間在低水頭段運行的特點，對水輪機主要參數(shù)進行選擇時，宜考慮以下具體要求：

(1)水輪機水力穩(wěn)定性應(yīng)放在首位。電站裝機總功率和機組單機功率大，水頭高，水輪機在高水頭運行時間長，此時轉(zhuǎn)輪流道承受的單位負(fù)荷大，剛度、強度問題較突出，高水頭時的導(dǎo)葉開度又較小，容易發(fā)生葉道渦等水力不穩(wěn)定性現(xiàn)象，因此在參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)將水輪機的穩(wěn)定性放在首位進行研究，同時兼顧其他能量指標(biāo)的先進性和合理性。

(2)水輪機應(yīng)有較寬的負(fù)荷穩(wěn)定范圍。水輪機運行水頭高，水頭變幅大(ΔH=89.8m，Hmax/Hmin=1.56)，同時為滿足機組調(diào)峰的需要，要求水輪機應(yīng)具有寬幅度的水頭適應(yīng)性，在各種負(fù)荷工況下都具有良好的穩(wěn)定性。

(3)水輪機應(yīng)具有良好的能量指標(biāo)。雙江口電站水頭變幅大(Hmax/Hmin=1.56)，且大部分時間運行在高水頭區(qū)，常規(guī)的在小范圍內(nèi)突出優(yōu)化高效率點的水力設(shè)計已不可取，需要先使穩(wěn)定運行區(qū)盡量寬廣，再希望有較高的加權(quán)平均效率，為此宜以高水頭運行區(qū)的效率為重點，以取得較好的電量效益。

4 水輪機主要參數(shù)

4.1 比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)及同步轉(zhuǎn)速

水輪機比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K是衡量水輪機能量特性、經(jīng)濟性和先進性的綜合性指標(biāo)，隨著水輪機設(shè)計制造水平的提高，以及新材料、新工藝的應(yīng)用，水輪機比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)應(yīng)有所提高。一般而言，大容量機組為縮小機組及廠房尺寸，節(jié)省投資，提高電站的經(jīng)濟效益，在可能的條件下傾向于選擇較高的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)。但是比轉(zhuǎn)速的提高受到水輪機強度、空化性能、泥沙磨損、運行穩(wěn)定性等因素的制約，特別是尺寸較大的大型機組，其剛度、強度相對較弱，不能單方面追求過高的指標(biāo)。近幾年水輪機比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)有從較高水平向合理水平回歸的趨勢。

表1為國內(nèi)外部分大容量、中高水頭混流式水輪機參數(shù)，表2為按統(tǒng)計公式計算的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)對照表。

從表1可以看出，水頭與雙江口電站接近的大容量水輪機的ns為148～159m·kW，比速系數(shù)K值為2 023～2 250。表2計算結(jié)果顯示大部分比速系數(shù)K在2 000～2 250之內(nèi)。同比相同水頭段的小灣電站水輪機比轉(zhuǎn)速取值，初定雙江口電站水輪機的比速系數(shù)K值不超過2 250。結(jié)合雙江口電站工程實際情況，考慮現(xiàn)今水輪機設(shè)計、科研、試驗、制造技術(shù)的發(fā)展趨勢和水輪發(fā)電機組的運行經(jīng)驗，雙江口水輪機比速系數(shù)K值在2 050～2 250之間選取，相應(yīng)額定點比轉(zhuǎn)速ns為139.7～153.4 m·kW。

表1 國內(nèi)外部分大容量、中高水頭混流式水輪機參數(shù)

表2 按統(tǒng)計公式計算的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)對照

在初步選取的K值范圍內(nèi)，當(dāng)額定水頭為215m時，可供選用的發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速有176.4r/min和166.7r/min。兩種同步轉(zhuǎn)速的機組主要參數(shù)比較見表3。

表3 兩種同步轉(zhuǎn)速機組主要參數(shù)比較

兩種同步轉(zhuǎn)速選擇的比較分析如下：

(1)水輪機參數(shù)方面：176.4r/min和166.7r/min方案的比速系數(shù)K值分別為2 243.4和2 120.3，都低于目標(biāo)值2 250和同水頭段的小灣水輪機的比速系數(shù)，兩種轉(zhuǎn)速方案在技術(shù)上均可行。

(2)大件運輸方面：水輪機轉(zhuǎn)輪是雙江口電站機組重大件設(shè)備運輸?shù)目刂撇考?，兩方案的轉(zhuǎn)輪直徑相當(dāng)，均不能整體運到工地。

(3)發(fā)電機方面：額定轉(zhuǎn)速的選擇受發(fā)電機參數(shù)匹配、冷卻方式選擇等因素的影響。方案二(166.7r/min)6支路的定子槽電流為5 940A(18kV)或5 436A(20kV)，均是采用空冷的較佳方案。方案一(176.4r/min)2支路的定子槽電流為17 820A(18kV)或16 038A(20kV)，冷卻通風(fēng)設(shè)計難度大。而17支路方案的定子槽電流太低，使得發(fā)電機材料的利用率低，經(jīng)濟性差。如果發(fā)電機采用不對稱繞組，會產(chǎn)生一定的不對稱電流和不對稱電磁力，對機組的運行有一定影響。目前世界上采用不對稱繞組設(shè)計的發(fā)電機最大容量為465MVA(Sainte Marguerite3，Canada，2001年投運)，世界上有設(shè)計制造不對稱繞組發(fā)電機經(jīng)驗的制造廠及相關(guān)經(jīng)驗的很少，若雙江口電站的發(fā)電機采用不對稱繞組，則設(shè)計制造如此大的具有不對稱繞組的發(fā)電機技術(shù)風(fēng)險高，因此不宜采用不對稱繞組方案。

綜上所述，從水輪機參數(shù)選擇、大件運輸方式分析，兩種額定轉(zhuǎn)速方案無實質(zhì)性差別，均可用于雙江口的水輪機。結(jié)合到發(fā)電機參數(shù)和設(shè)計制造的可靠性，166.7r/min方案更合理可行。因此雙江口電站機組同步轉(zhuǎn)速選擇為166.7r/min，對應(yīng)的比轉(zhuǎn)速ns=144.6 m·kW，比速系數(shù)K=2 120.3。

4.2 單位轉(zhuǎn)速和單位流量

4.3 水輪機效率

水輪機效率是表征水輪機技術(shù)水平的重要指標(biāo)，也是能量參數(shù)的重要指標(biāo)，隨著計算機技術(shù)在水輪機設(shè)計上的應(yīng)用，水輪機水力設(shè)計取得了重大進展，水輪機效率有了很大提高。我國近年引進的二灘、天生橋Ⅰ和三峽左岸水輪機，其模型驗收最高效率均超過94%。近期，為溪洛渡電站開發(fā)的模型轉(zhuǎn)輪最高效率更是達到了95%以上。

當(dāng)今，我國水輪機研究水平也有了很大發(fā)展，設(shè)計手段有所提高，特別是通過三峽左岸工程從國外引進CFD分析軟件，可高效、快捷地設(shè)計、開發(fā)出綜合性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)輪。國內(nèi)公司近期已獨立開發(fā)出一大批模型最優(yōu)效率超過94%、且綜合性能優(yōu)良的模型轉(zhuǎn)輪。其中東方電機公司近期為瀑布溝、錦屏一級開發(fā)的水輪機模型轉(zhuǎn)輪，其最高效率已超過94.5%，原型水輪機最高效率超過96%。制造廠預(yù)期的雙江口電站原型水輪機最高效率均大于95%。

對于雙江口電站這樣的巨型水輪機，提高水輪機效率，可提高發(fā)電效益，對電站有很大的經(jīng)濟意義，因此其水輪機效率至少應(yīng)達到當(dāng)今世界已有的水平。但據(jù)已建電站的工程實踐經(jīng)驗，過高效率的轉(zhuǎn)輪在偏離最優(yōu)工況時，其水力穩(wěn)定性往往較差?，F(xiàn)階段雖未發(fā)現(xiàn)這與過分追求效率有關(guān)，但需進一步開展研究工作，對于雙江口水電站的機組，安全穩(wěn)定運行應(yīng)放在首位。在安全穩(wěn)定運行的前提下，優(yōu)先考慮水輪機整個運行范圍的合理性，并盡最大可能提高水輪機的加權(quán)平均效率。

根據(jù)以上分析，雙江口模型水輪機最高效率應(yīng)不低于94%，原型水輪機最高效率應(yīng)不低于95%。如前所述，為了使水輪機高水頭有相對大的單位流量和較寬的穩(wěn)定運行區(qū)，額定工況單位流量應(yīng)盡量靠近限制工況單位流量，本階段暫取原型水輪機額定點效率應(yīng)不低于92.5%。同時要求高效區(qū)應(yīng)覆蓋水輪機整個運行水頭區(qū)域，并趨于高水頭段。

表4 250m水頭段附近模型水輪機參數(shù)

注：*表示水輪機最大水頭；**表示額定工況單位流量。

表5 雙江口 和的統(tǒng)計公式及計算值(Hr=215m，ns=144.6m·kW)

4.4 裝置空化系數(shù)

水輪機空蝕性直接影響機組安全穩(wěn)定運行、檢修周期和使用壽命，因此水輪機應(yīng)具有良好的空蝕性能，應(yīng)合理選取水輪機裝置空化系數(shù)。原型水輪機的空蝕破壞還與制造和安裝質(zhì)量、運行工況、水頭變幅等因素有關(guān)。較為完整的做法是模型試驗時既要研究水輪機葉片出現(xiàn)初生氣泡時的空化系數(shù)，又要按外特性法研究效率下降點的空化系數(shù)，綜合兩方面的關(guān)系，并留有一定裕量來確定裝置空化系數(shù)。

對水輪機裝置空化系數(shù)σz的選擇，國內(nèi)外一直有兩種觀點：一種認(rèn)為選取較大值，即降低安裝高程，雖增加了電站深挖的土建投資，但可減輕空蝕損壞，對機組運行穩(wěn)定性有利，降低機組檢修和維護費用；另一種認(rèn)為選取較小值，可減少電站一次性深挖所需投資，而且由于大多數(shù)運行時間內(nèi)尾水位高于設(shè)計值，且又選用較好的抗磨蝕材料，轉(zhuǎn)輪的工作是安全的，機組檢修和維護費用也不會有較大的增加?；谏鲜鰞煞N觀點，國內(nèi)、外各公司提出的裝置空化系數(shù)統(tǒng)計公式有很大差異(見表6)。表6為按統(tǒng)計公式計算的空化系數(shù)值和制造廠為雙江口水輪機推薦的空化系數(shù)。從表6可看出，當(dāng)比轉(zhuǎn)速ns=144.6m·kW時，按該表計算的裝置空化系數(shù)σz=0.072～0.09，多數(shù)在0.08～0.09。制造廠為雙江口水輪機推薦的空化系數(shù)σz=0.069～0.097。

注：A、B、C、D分別代表國內(nèi)、外4家知名水輪發(fā)電機組制造商。

考慮到本電站主廠房為地下廠房，機組安裝高程對廠房投資影響不大，適當(dāng)降低安裝高程對減小尾水管壓力脈動、提高機組運行穩(wěn)定性有利。綜合考慮水輪機裝置空化系數(shù)σz對尾水管壓力脈動相對幅值ΔH/H的影響以及本電站水頭變幅較大等因素，可適當(dāng)降低機組安裝高程。本階段選擇雙江口電站裝置空化系數(shù)值σz=0.08～0.097。

4.5 水力穩(wěn)定性

隨著水輪機參數(shù)的提高和單機容量的加大，水力穩(wěn)定性已與能量指標(biāo)、空化特性一起被作為水輪機的三大性能指標(biāo)統(tǒng)一加以考慮，特別是巨型水輪發(fā)電機組，其運行穩(wěn)定性應(yīng)放在十分重要，甚至是首要的位置(如三峽電站機組)?；陔p江口水輪機的運行特點，其運行穩(wěn)定性必須予以高度重視，應(yīng)進行深入研究。

一般認(rèn)為，誘發(fā)水輪機振動的水力振源主要有：尾水管渦帶、無葉區(qū)的特殊壓力脈動帶、葉道渦、卡門渦等，其中又以尾水管壓力脈動引起的低頻壓力脈動的必然性和危害性最大，也最難以解決。其它幾個因素產(chǎn)生的振動一般出現(xiàn)在某種特殊情況，區(qū)域較窄，一旦查明原因解決較為容易，效果較明顯，通常不會造成對穩(wěn)定性的嚴(yán)重破壞。

4.5.1 尾水管壓力脈動

水輪機尾水管壓力脈動是誘發(fā)水輪機振動的主要振源，其大小直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。水輪機水力穩(wěn)定性指標(biāo)，目前尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可循，通常采用尾水管內(nèi)水壓脈動的雙振幅與水頭的比值(A=ΔH/H)來衡量，但A值在模型和原型之間的相似性和換算關(guān)系還處于研究階段。尾水管壓力脈值的大小與過流部件的水力設(shè)計、機組安裝高程、水輪機運行工況等多種因素有關(guān)。從目前已掌握的電站實際運行資料看，不同電站的水輪機對尾水管壓力脈動的敏感程度不同，多大的壓力脈動值才會對機組的運行構(gòu)成威脅，目前也還沒有一致的結(jié)論。但是有一點是被認(rèn)同的，即尾水管壓力脈動的大小與機組的安全穩(wěn)定運行直接相關(guān)，相同運行工況下，壓力脈動越大，機組的穩(wěn)定性越差。只有嚴(yán)格控制模型試驗中尾水管壓力脈動值，才能保證原型水輪機的穩(wěn)定運行。對高水頭水輪機，一般選用較小的壓力脈動相對值；低水頭水輪機，選用較大的壓力脈動相對值；對于即混流式水輪機使用水頭越高，尾水管壓力脈動相對值A(chǔ)應(yīng)越小。

通過對國內(nèi)外部分大型水輪機的水壓脈動、水力振動和模型水輪機穩(wěn)定性試驗成果的分析，目前，國內(nèi)外大型水電機組壓力脈動值(ΔH/H)大約在2%～8%。

4.5.2 葉道渦

混流式水輪機由于轉(zhuǎn)輪葉片不可調(diào)節(jié)，在高水頭偏離設(shè)計水頭的部分負(fù)荷工況區(qū)運行時，由于導(dǎo)葉開度較小，水流偏離設(shè)計工況，在葉片進口邊背面產(chǎn)生脫流，形成葉道渦并引起水力脈動。隨著研究和認(rèn)識的深入，近年來已越來越受到重視，如三峽水輪機模型驗收試驗要求整個運行區(qū)無初生葉道渦。因此應(yīng)合理的選擇參數(shù)，加大水力設(shè)計、模型試驗力度，力求在整個運行范圍內(nèi)，不出現(xiàn)葉道渦發(fā)展線。

4.5.3 卡門渦

葉道中水流對葉片的繞流運動參數(shù)配之以葉片尾部幾何尺寸不合適時，可能形成葉片尾部紊流交替的渦列，即形成卡門渦。在產(chǎn)生卡門渦列時，若振動頻率與葉片體系自振頻率相近，則可能發(fā)生共振，將激起較大振幅的振動或產(chǎn)生葉片的破壞。卡門渦一般發(fā)生在水輪機固定導(dǎo)葉、導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片的出水邊上，且葉片出水邊較厚時易發(fā)生卡門渦。主機廠應(yīng)研究水輪機轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)葉出水邊的有關(guān)幾何參數(shù)，分析計算卡門渦的頻率，以避免與水輪機零部件固有頻率發(fā)生共振。

4.5.4 導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前的高頻壓力脈動

除低頻壓力脈動外，在導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前還可能出現(xiàn)一種高頻壓力脈動(水力沖擊波)，該脈動一般出現(xiàn)在開度增加到70%～75%區(qū)域內(nèi)，振幅呈階躍性的急劇增大，頻率與轉(zhuǎn)頻相當(dāng)，危害性較大。在大古力Ⅲ水輪機運行和三峽左岸兩個供貨集團的水輪機模型驗收試驗中均在較大開度時出現(xiàn)了有較大范圍的f/fn>1，ΔH/H>4.0%的特殊壓力脈動帶；巴基斯坦的塔貝拉410MW水輪機和國內(nèi)巖灘水輪機也都出現(xiàn)了相類似振動問題。

有文獻認(rèn)為，這種高頻(近似于轉(zhuǎn)頻)的水力沖擊波出現(xiàn)在比轉(zhuǎn)速大于180～200m·kW的水輪機中。該文獻是通過對不同比轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)輪進行模型試驗后得出上述結(jié)論的，并通過進一步研究認(rèn)為增加尾水管高度、降低安裝高程和補氣都可以降低此水力沖擊波，而且補氣是一種最有效的措施，當(dāng)補入0.4%Qr的壓縮空氣時可基本消除此脈動。

根據(jù)制造廠對小灣、錦屏一級、溪洛渡等與雙江口近似水頭和比轉(zhuǎn)速的模型水輪機的研究以及模型試驗和有關(guān)文獻資料，像雙江口這樣比轉(zhuǎn)速和參數(shù)的水輪機出現(xiàn)此水力沖擊波的可能性較小，但仍然需對該區(qū)域的壓力脈動特性加以關(guān)注。

參照國內(nèi)外水輪機的運行情況，并考慮雙江口水輪機的具體運行條件，初擬雙江口水輪機原型和模型的穩(wěn)定性指標(biāo)為：

(1)原型和模型水輪機尾水管壓力脈動混頻雙振幅值ΔH/H控制值如下：

① 水頭小于額定水頭215m，出力為(70%～100%)該水頭下的預(yù)想出力，ΔH/H不大于4%；

②水頭從215m至最大水頭范圍內(nèi)，出力為(70%～100%)該水頭下的預(yù)想出力，ΔH/H不大于3%；

③在各種水頭下的其他運行工況，其ΔH/H最大值不宜超過6%。

(2)確保在保證的出力范圍內(nèi)，不出現(xiàn)葉道渦發(fā)展線。

(3)在保證的出力范圍內(nèi)，頂蓋不出f/fn>1、ΔH/H>4.0%的特殊壓力脈動帶。

(4)在任何工況下不允許壓力脈動與轉(zhuǎn)動部件及廠房結(jié)構(gòu)的頻率發(fā)生共振。

5 水輪機參數(shù)

5.1 模型水輪機主要參數(shù)

結(jié)合雙江口電站的特點，并考慮到當(dāng)今水輪機設(shè)計、制造水平和今后發(fā)展趨勢，預(yù)期的模型水輪機基本參數(shù)如下：

(1) 綜合指標(biāo)

額定點比轉(zhuǎn)速

139.7～153.4m·kW

比速系數(shù)K

2 050～2 250

(2) 最優(yōu)工況

62～65r/min

最優(yōu)單位流量

模型最高效率ηmax

≥94%

(3) 額定工況

～0.53m3/s

模型額定效率η

91%

模型空化系數(shù)σm

～0.06

裝置空化系數(shù)σz

0.08～0.097

5.2 原型水輪機主要參數(shù)

根據(jù)模型參數(shù)的選擇成果，并分析水輪機制造商為本電站提供的有關(guān)資料后，在可研階段推薦的原型水輪機主要參數(shù)如下：

水輪機型號

HL(144.6)-LJ-585

額定出力Pr

510MW

額定水頭Hr

215 m

轉(zhuǎn)輪直徑D1

5.85m

額定流量Qr

261.9m3/s

額定效率ηr

≥92.5%

最高效率ηmax

≥95.0%

額定點比轉(zhuǎn)速

144.6m·kW

比速系數(shù)K

2 120.3

額定轉(zhuǎn)速n

166.7r/min

飛逸轉(zhuǎn)速nR

325r/min

吸出高度Hs(至導(dǎo)葉中心)

-12.93m

裝置空化系數(shù)σz

0.095