敦化抽水蓄能電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)

王飛龍

（江西省水利水電建設(shè)有限公司 江西 南昌 330025）

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站位于吉林省敦化市北部，與黑龍江省海林市交界。電站距長(zhǎng)春市直線距離220km，距敦化市公路里程111km，距吉林市公路里程280km，距敦包500kV線路敦化變電站70km。電站裝機(jī)容量1400Mw，為一等工程，大（Ⅰ）型規(guī)模。樞紐工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和地面GIS開(kāi)關(guān)站等部分組成。

敦化抽水蓄能電站上、下水庫(kù)為抽水蓄能電站專用水庫(kù)，無(wú)其他綜合利用要求。吉林敦化抽水蓄能電站主要承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用及黑啟動(dòng)等任務(wù)，并可根據(jù)系統(tǒng)需求配合風(fēng)電運(yùn)行，維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 水輪機(jī)型式比選

2.1 選型設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)的選擇

（1）轉(zhuǎn)輪直徑D1的選擇

轉(zhuǎn)輪直徑D1可以通過(guò)下式求得：

式中：Pr——水輪機(jī)額定出力；Q11——單位流量；H——工作水頭；η——水輪機(jī)效率；

在進(jìn)行轉(zhuǎn)輪直徑設(shè)計(jì)與計(jì)算時(shí)，對(duì)原型水輪機(jī)效率仍然未知，可以先求得設(shè)計(jì)工況點(diǎn)模型效率作為轉(zhuǎn)輪直徑，而后按照莫迪公式進(jìn)行修正。（相關(guān)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)2.3轉(zhuǎn)輪模型的選擇）

（2）轉(zhuǎn)速n的選擇

水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇首先必須考慮轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)輪機(jī)組尺寸的關(guān)系，因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速可以減少機(jī)組的尺寸，并且降低其造價(jià)；其次必須考慮轉(zhuǎn)速提高會(huì)加大轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流速，使空氣性能變壞，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速的合理范圍應(yīng)為38 r/min～142 r/min，此外必須考慮轉(zhuǎn)速增大時(shí)轉(zhuǎn)輪的離心力會(huì)增大等情況。

水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑與轉(zhuǎn)速兩個(gè)變量之間密切聯(lián)系，在實(shí)際的水輪機(jī)設(shè)計(jì)與選型過(guò)程中需要反復(fù)計(jì)算。

（3）水輪機(jī)實(shí)際工作范圍的檢驗(yàn)

通過(guò)上述兩步確定了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)換算公式，計(jì)算各特征水頭所對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速，公式如下：

計(jì)算出相應(yīng)結(jié)果之后，將最大水頭Hmax和最小水頭Hmin所對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速之間的范圍繪制在模型特性曲線上，并且使加權(quán)平均水頭所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速盡可能接近最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，本工程加權(quán)平均水頭所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速與最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速之間偏離較少，說(shuō)明所選水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑與轉(zhuǎn)速的取值較為合理。

2.2 裝置型式的選擇

本電站運(yùn)行水頭15.5m～18.5m，屬20m水頭段，可選用燈泡貫流式水輪機(jī)組或軸流式水輪機(jī)組。這兩種裝置型式在國(guó)內(nèi)低水頭水電站中均有廣泛和成熟的應(yīng)用，兩機(jī)組形式相比較具有如下特點(diǎn)：

表1 軸流定槳水輪機(jī)主要參數(shù)表

圖1 JP502轉(zhuǎn)輪（Φ=0°）模型綜合特性曲線

表2 方案比較表

（1）貫流式的水流條件好，同樣過(guò)流面積時(shí)，貫流式水流通過(guò)容易，單位流量大，無(wú)蝸殼和肘形尾水管，流道水力損失小，運(yùn)行效率比軸流式高。

（2）貫流式水輪機(jī)為了滿足安裝高程的要求，需從引水室入口至尾水管全部開(kāi)挖到相應(yīng)深度；而軸流式只需對(duì)尾水管部分進(jìn)行深開(kāi)挖，因此，貫流式機(jī)組的土建開(kāi)挖量一般較軸流式大。

（3）燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組全部處于水下，要求有嚴(yán)密的封閉結(jié)構(gòu)及良好的通風(fēng)防潮措施，維護(hù)、檢修較困難；而軸流式機(jī)組安裝、檢修技術(shù)成熟，維護(hù)管理方便。

通過(guò)上述比較可知，燈泡貫流式水輪機(jī)組水力條件好，但機(jī)組結(jié)構(gòu)較軸流式復(fù)雜，因此考慮本電站建成后的運(yùn)行、管理和維護(hù)，推薦采用軸流式水輪機(jī)組。

軸流式水輪機(jī)分為轉(zhuǎn)槳式和定槳式。轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪內(nèi)有一套葉片轉(zhuǎn)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)葉片相對(duì)轉(zhuǎn)輪體可以轉(zhuǎn)動(dòng)，在運(yùn)行中可根據(jù)不同負(fù)荷和水頭進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得較高的水力效率和穩(wěn)定運(yùn)行的特性，較適用于水頭變化較大出力變化較大的電站。本電站水頭變化幅度不大，選用軸流定槳式水輪機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝檢修方便的優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，本站推薦選用軸流定槳式水輪發(fā)電機(jī)組。

2.3 轉(zhuǎn)輪模型的選擇

根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的中小型軸流定槳式水輪機(jī)性能表可知，適合該站使用模型轉(zhuǎn)輪主要有JP401和JP502兩種，主要參數(shù)如表1。從表1可知兩水力模型總體性能良好，雖然方案一的空化系數(shù)較方案二稍大，但考慮到機(jī)組安裝高程應(yīng)留有足夠安全裕量，防止機(jī)組翼型出現(xiàn)嚴(yán)重空化現(xiàn)象的發(fā)生，認(rèn)為兩方案站房開(kāi)挖工程量基本相等。由于JP502模型的最優(yōu)工況點(diǎn)效率較JP401模型約高出2%，因此本階段推薦選用JP502軸流定槳水輪機(jī)模型，其綜合特性曲線如圖1。

2.4 機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇

機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇將直接影響到電站的動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與運(yùn)行的靈活性、可靠性因此，本站確定機(jī)組臺(tái)數(shù)時(shí)主要考慮機(jī)組臺(tái)數(shù)對(duì)工程建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行效率及運(yùn)行維護(hù)等方面的因素。針對(duì)本電站總裝機(jī)規(guī)模，選用JP502模型轉(zhuǎn)輪換算成2臺(tái)、3臺(tái)和4臺(tái)機(jī)組方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，即通過(guò)分析2.4Mw×2、1.6×3Mw、1.2×4Mw三種方案，各方案的特征參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 JP502轉(zhuǎn)輪（Φ=0°）模型工作區(qū)域圖

表3 水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

從上表可以看出，2臺(tái)機(jī)方案時(shí)，機(jī)組額定流量為21.5m3/s，不僅運(yùn)行、檢修欠靈活，而且枯水期時(shí)單機(jī)不能保證發(fā)40%額定出力的要求，若機(jī)組長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行容易引起空蝕振動(dòng)等，使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪等部件受損，降低使用壽命，減少電站收益；4臺(tái)機(jī)方案可以充分利用枯水月份流量，機(jī)組能夠保證在枯水期時(shí)也較安全穩(wěn)定運(yùn)行，但廠房長(zhǎng)度較長(zhǎng)，機(jī)組設(shè)備總造價(jià)較高；3臺(tái)機(jī)方案時(shí)，廠房尺寸及設(shè)備總造價(jià)適中，枯水期時(shí)機(jī)組也能夠滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行?？紤]本電站土建與機(jī)電設(shè)備制造、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行、操作、控制、檢修與維護(hù)的靈活性與經(jīng)濟(jì)性，綜合比較后確定機(jī)組臺(tái)數(shù)為3臺(tái)，則水輪發(fā)電機(jī)組的主要參數(shù)見(jiàn)表3，水輪機(jī)工作范圍如圖2。

3 水輪機(jī)選型計(jì)算通用程序設(shè)計(jì)

當(dāng)前設(shè)計(jì)人員仍然依靠模型特性曲線進(jìn)行水輪機(jī)機(jī)組的選型，而收集資料繪制模型特性曲線本身也是一個(gè)不斷積累和改進(jìn)的過(guò)程，而不同電站所需的機(jī)型不盡相同，所以很難建立起一個(gè)有關(guān)水輪機(jī)模型特性數(shù)據(jù)庫(kù)以便選擇。可以考慮將重復(fù)的選型設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)編程來(lái)完成，以避免復(fù)雜繁瑣的計(jì)算，亦可以提高設(shè)計(jì)效率，提高選型工作質(zhì)量。

3.1 選擇設(shè)計(jì)工況點(diǎn)

在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，先計(jì)算轉(zhuǎn)輪直徑D1和轉(zhuǎn)速n，再計(jì)算吸出高度、安裝高程，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否需要調(diào)整上述設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，如需調(diào)整則應(yīng)調(diào)用循環(huán)模塊重新計(jì)算。

3.2 轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速的圓整

根據(jù)公式計(jì)算的轉(zhuǎn)輪直徑D1和轉(zhuǎn)速n不能與實(shí)際偏離太多，計(jì)算出的這兩個(gè)參數(shù)取值必須保證設(shè)計(jì)工況出力與額定出力以及水輪機(jī)運(yùn)行范圍在合理范圍內(nèi)。而這個(gè)圓整的過(guò)程只需設(shè)計(jì)一個(gè)局部循環(huán)程序即可實(shí)現(xiàn)。

3.3 水輪機(jī)效率的修正

在效率修正程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該選擇相應(yīng)的效率修正系數(shù)，進(jìn)行修正值的計(jì)算，進(jìn)而可以根據(jù)修正值的大小去判斷水輪機(jī)的效率是否合理，如不合理應(yīng)回過(guò)頭來(lái)進(jìn)行復(fù)核。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合敦化抽水蓄能電站實(shí)際情況，抓住影響水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的三大核心要素，即裝置型式、轉(zhuǎn)輪模型及機(jī)組臺(tái)數(shù)，依據(jù)水輪機(jī)模型特性曲線，重在進(jìn)行水輪機(jī)選型關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)與選擇，進(jìn)而確定了本站宜選用軸流定槳式水輪發(fā)電機(jī)組，選用JP502軸流定槳水輪機(jī)模型，機(jī)組臺(tái)數(shù)為3臺(tái)。基于上述分析，可以將重復(fù)的選型設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)編程來(lái)完成，以避免復(fù)雜繁瑣的計(jì)算，從而提高設(shè)計(jì)效率，提高選型工作質(zhì)量。但是受到筆者的研究領(lǐng)域與知識(shí)等的限制，對(duì)這一部分尚未進(jìn)行較為透徹的分析研究，以期起到拋磚引玉之作用。陜西水利

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