水電站水輪機選擇設計實例剖析

郭建偉

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽550001)

水電站水輪機選擇設計實例剖析

郭建偉

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽550001)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水電站作為一項重要的基礎設置其建設規(guī)模以及建設技術要求在不斷的提高。在水電站建設和設計中，水輪機的選擇設計是非常重要的組成部分，其合理的選擇對于水電站機組的長效運行以及經(jīng)濟效益的高低具有重要的影響。響水水電站水輪機組具有多泥沙的特點，因而在進行水輪機的選擇和設計時應該依據(jù)這一特征，選擇符合響水水電站實際情況的水輪機型號。

電站;水輪機;泥沙;高水頭;機型

0 引言

在水電站建設和設計中，水輪機的選擇是非常重要的。水輪機的選擇設計主要包括對水輪機型號的選擇、參數(shù)的確定以及其他相關因素的分析和確定等。所以，再進行水輪機的選擇設計時，需要綜合各個方面的因素，征集各方意見，從多種方案中選擇最為合理的方案，不僅滿足經(jīng)濟上的要求，還能夠對技術上的先進性以及可靠性進行滿足。

1 水輪機選型的原則

水輪機選型設計的一般原則如下:

1)選擇的水輪機應該具備良好的空蝕性能，并且能夠進行穩(wěn)定運行，在運行過程中保持可靠和安全。

2)在進行水輪機的選擇時，應該保證所選擇的水輪機的額尺寸不能過大，要保證其結構的合理性，能夠對其進行方便運輸和安裝，并且還需要保證選擇的水輪機的先進性，方便及時進行檢查和維修。

3)轉輪選擇比較時，應盡可能選用ns較高的水輪機，這樣轉速較高，相應的機組尺寸就小，并且使所選的水輪機經(jīng)常在最優(yōu)區(qū)運行［1］。選擇轉輪參數(shù)時應該使n11值稍高于n10，而且 Q11值應接近于Q11max值。

2 高水頭、泥沙多情況下水輪機的選擇研究

水輪機在進行正常運行時，如果通過其內(nèi)部的泥沙量過大，堅硬的泥沙就會對水輪機產(chǎn)生磨損以及不同程度的撞擊，導致水輪機產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，如果現(xiàn)象嚴重還會對水輪機產(chǎn)生嚴重的損壞。通常把泥沙對水輪機的這種影響稱為水輪機的磨損。一旦水輪機發(fā)生磨損，其后果是非常嚴重的，輕則需要對水輪機進行及時的處理和維修，重則需要對水輪機損壞的零件或者是整個水輪機組進行更換。此外，如果水輪機發(fā)生磨損現(xiàn)象，還會導致氣蝕破壞的加重，導致水輪機的震動過大，從而對水輪機的正常運行產(chǎn)生嚴重的影響［2］。從上述分析可以得知，泥沙的磨損對于水輪機的影響和破壞是非常大的。

水輪機的選擇是一個綜合技術經(jīng)濟比較問題，需要全面考慮各種因素，以選定最佳方案，為了改善和減輕水輪機泥砂磨損的危害性，在水輪機選擇中，應注意合理選擇水輪機的型號及工作參數(shù)。

3 案例分析

3.1 工程概況

響水水電站增容工程位于北盤江上游云貴兩省邊緣的界河上，利用原響水電站大壩取水，引水系統(tǒng)和廠房為新建。新建廠房廠址靠原廠房上游側布置。工程距貴州省六盤水市92 km，距云南省宣威縣城122 km，貴昆鐵路分別通過兩市，且分別有公路通至電站廠房。

3.2 額定水頭初擬

本電站的水頭變幅為203.8～222.1 m(上廠址)，根據(jù)水文專業(yè)提供的電站水頭出現(xiàn)概率，對不同水頭段的權重系數(shù)統(tǒng)計。

將指標權重集A1=[0.666 7,0.333 3]與R1代入公式(3)，由B1,B2,B3可得U(綠色礦山綜合評價)對應的模糊評價矩陣R：

通過統(tǒng)計分析可知，在高水頭219.8～222.1出現(xiàn)概率為42.09%，權重最大;在電站加權平均水頭215.6 m時累計權重為56.62%，其他水頭段出現(xiàn)概率較均勻。盡管電站水頭變幅絕對值為18.3 m，但相對變幅值僅為8.24%。為了保證大部分水頭段機組發(fā)足額定輸出功率，且留有一定出力裕度，推薦累計權重在80%左右，對應水頭208～209 m作為機組額定水頭。

3.3 水輪發(fā)電機組選型

3.3.1 機組臺數(shù)比選

本增容工程裝機規(guī)模經(jīng)過對120 MW、140 MW、160 MW、180 MW及200 MW5個方案綜合技術經(jīng)濟比較，最終確定總裝機規(guī)模144 MW?？蛇x1臺、2臺和3臺機組3種裝機臺數(shù)方案進行技術經(jīng)濟比較。

通過比較發(fā)現(xiàn)，裝機3臺方案，機組臺數(shù)多，廠房尺寸大，廠房土建投資高，機電設備總價高;從水機專業(yè)出發(fā)，電站保證出力58.51MW，2臺機方案比3臺機方案的能量指標好，即2臺機方案在保證出力時運行效率高，能穩(wěn)定運行，年平均發(fā)電量及年運行小時高;而3臺機方案單機容量只有48 MW，在保證出力時調(diào)度困難。1臺方案投資沒有明顯優(yōu)勢，且從運行調(diào)度、零配件互換、大件運輸和輔機設備投資等均不利。故結合水工和水文專業(yè)的推薦意見，最后共同確定本電站的裝機臺數(shù)為2臺。

3.3.2 機型選擇

根據(jù)國家《“八五”、“九五”大中型水電站機組前期科研工作會議紀要》提出的“八五”、“九五”水輪機制造方面的關鍵技術科研攻關課題，230 m水頭段轉輪參數(shù)范圍為:n1’=64 ～70 r/min，Q1’=590～640 L/s，σm=0.06～0.065，ηmax=92.5～93% 。以上參數(shù)針對的是清水河流提出的目標參數(shù)。

本電站的水頭范圍203.8～222.1 m(上廠址)，河流含砂量大，特別在汛期的5—9月，平均含沙量達1.75 kg/m3，形成對機組流道的沖刷和和磨損。230 m水頭段轉輪參數(shù)范圍為:n1’=64～70 r/min，Q1'=590～640 L/s，σm=0.06～0.065，ηmax=92.5%～93% 。以上參數(shù)針對的是清水河流提出的目標參數(shù)。結合本站實際，適當?shù)販p小n1’、Q1’值，即增大轉輪和導葉分布圓直徑，應用高一級水頭段的轉輪，減小流道內(nèi)相對流速，這在原響水電站實際運行中證明是成功的［3］。

基于以上理念，本階段人們著重選擇300～400 m水頭段轉輪作比較，該水頭段較優(yōu)秀的轉輪有A351、D54、A542、A543、A550、A520 等，經(jīng)初步篩選，將A351、D54、A550列入本次比選。A351轉輪是從挪威KB公司引進，應用于云南魯布格水電站，具有長短X型葉片的轉輪;D54、A550為普通17片長葉片，在高水頭電站也廣泛采用。

本次選型也將原響水電站HL120轉輪列入比選。

根據(jù)分析，A550、120這兩種轉輪分別適用于250 m和300 m水頭段，單位過流量Q1’大，轉輪直徑小，機組轉速高。在泥沙含量低的河流運行有節(jié)約投資、減小廠房尺寸的優(yōu)點，但導水葉和轉輪葉片出口流速高。若加大轉輪直徑，機組運行工況勢必向轉輪特性曲線的左側方向移動，在額定出力時機組運行穩(wěn)定，但在部分負荷運行時振動、氣蝕嚴重。特別是本站保證出力58.5MW，老機組吃不完，新機組只能運行在70% ～80%負荷，加重了機組老化。另一方面，這兩個轉輪吸出高度低(-9.4～-11.5 m)，廠房開挖量大，所以不宜推薦。

針對以上分析，人們著重對D54、A351兩個轉輪進行比較。

兩個轉輪使用的最大水頭均為400 m。HLA351轉輪是80年代后期魯布格水電站通過國際招標從挪威KB公司引進，在我國高水頭電站得到廣泛應用。

根據(jù)分析，A351轉輪綜合技術指標優(yōu)于D54，經(jīng)濟綜合指標比D54節(jié)省，模型轉輪效率比D54高1.2%;機組轉速提高二檔，發(fā)電機效率估計能提高0.3%～0.5%，在相同水量下每年可多發(fā)電600～700萬度電，經(jīng)濟效益可觀。A351氣蝕系數(shù)大，機組安裝高度低，下一階段對廠房防洪、尾水泥沙淤積以及廠房施工圍堰等問題作深入分析，探討提高機組安裝高度的可能性。綜合以上分析，本階段推薦HLA351作為本站參考轉輪。并以此選用其他輔助設備。選定機組的主要參數(shù)見表1和表2。

表1 水輪機主要參數(shù)

3.4 水輪機安裝高程

根據(jù)電站的實際運行情況，按一臺機的50%額定出力對應流量從下游水位與流量關系曲線中確定設計尾水位。根據(jù)水文專業(yè)提供的廠址處尾水位與流量關系曲線，該設計尾水位為918.50 m，為留有裕量，選定的水輪機吸出高度為-7.5 m(采用整體不銹鋼轉輪)，因此，確定水輪機的安裝高程為911.18 m。

表2 發(fā)電機主要參數(shù)

3.5 調(diào)保計算

本電站上廠址方案(推薦方案)壓力隧洞長4 344 m，隧洞內(nèi)徑5.0 m，隧洞出口設置調(diào)壓井一座。壓力鋼管總管直徑4.6 m，長度677 m，岔管直徑1.85 m，長度為30 m，一管兩機。

根據(jù)《水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范》(DL/T 5186—2004)，機組不擔負調(diào)頻。本電站的調(diào)保計算結果如下:

1)水輪發(fā)電機組的GD2≥2 188 tm2;

2)機組一段關閉，直線關閉時間為20 s;

3)機組甩負荷的最大轉速升高率為48.5%≤60%;

4)機組甩負荷的最大蝸殼壓力絕對值為280.645 m;相對值≤30%。

5)尾水管內(nèi)的最大真空度為-8 m水柱。

以上計算值均在設計規(guī)范內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

4 結語

經(jīng)過以上論述，在泥沙多高水頭的水電站水輪機選擇中，需要全面考慮各種因素，以選定最佳方案。在本工程中主要采用兩臺HLA351水輪機。在今后的水輪機選擇設計中，只有引入新結構、新工藝、新方法、新材料，可有效提高機組綜合效率，減輕多泥沙電站的磨蝕，提高高水頭電站機組穩(wěn)定性。

［1］張富欽，史光輝.中小型水輪機的合理選型［J］.東方電機，1994(01):61-66.

［2］趙明，張巖山.新疆拉斯特水電站水輪機選型設計［J］.新疆水利，2007(02):38-40.

［3］羅洪，郭建偉，王泉龍.多泥沙河流高水頭水輪機選型研究［J］.人民珠江，2011(05):26-28.

Hydropower Turbine Design Example for Hydropower Station

GUO Jian-wei
(Guizhou Province Water Conservancy ＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Guiyang 550001，China)

With the development of society and economy，the construction scale and construction technical requirements for hydropower station continue to heighten as an important infrastructure.In the construction of the hydropower station and the design，selection and design of hydraulic turbine is a very important part，reasonable choice has important influence on the long-term operation of hydropower station and the level of economic benefits.Xiangshui Hydropower Station is characteristic of much sediment and the selected and designed turbine unit should be one that is in conformity with the actual situation of Xiangshui Hydropower Station.

hydropower station;turbine;sediment;high water head;turbine type

TV734

B

1007-7596(2014)05-0022-03

2013-11-26

郭建偉(1966-)，男，貴州貴陽人，高級工程師，從事水利水電勘察設計工作。