波波娜水電站水輪機(jī)主要目標(biāo)參數(shù)選擇

劉　峰，安　剛

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

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波波娜水電站水輪機(jī)主要目標(biāo)參數(shù)選擇

劉峰，安剛

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

摘要：根據(jù)波波娜水電站的工程特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)部分相同水頭段水輪機(jī)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)和分析，提出適合本電站運(yùn)行條件的預(yù)期模型水輪機(jī)和原型水輪機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，為電站長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；目標(biāo)參數(shù)選擇；水力穩(wěn)定性

0　前言

波波娜水電站位于新疆和田地區(qū)喀拉喀什河上，為引水式電站。電站距上游烏魯瓦提水利樞紐工程約30 km，距和田市41 km。該電站是一個(gè)以發(fā)電為主的工程，該工程的任務(wù)是：利用烏魯瓦提水庫(kù)調(diào)節(jié)后的下泄水量發(fā)電，向和田電力系統(tǒng)提供電量，承擔(dān)電力系統(tǒng)部分調(diào)峰和備用任務(wù)。

本電站發(fā)電引水系統(tǒng)采用“1洞3機(jī)”布置型式，壓力管道長(zhǎng)度11.63 km，叉管上游設(shè)置阻抗式調(diào)壓井。廠內(nèi)安裝三臺(tái)單機(jī)容量50 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，電站裝機(jī)總?cè)萘繛?50 MW。最大水頭259.68m，加權(quán)平均水頭243.13m，額定水頭242m，最小水頭236.39 m，電站保證出力34.8 MW，年利用小時(shí)數(shù)4 439 h，年發(fā)電量6.66億kW·h，多年平均含沙量2.41 kg/m3。

1　水輪機(jī)主要目標(biāo)參數(shù)選擇

波波娜水電站因?yàn)槔脼豸斖咛崴畮?kù)調(diào)節(jié)后的下泄水量發(fā)電，所以上游水庫(kù)保證了電站的引水在正常時(shí)間內(nèi)水質(zhì)較好，當(dāng)水庫(kù)因運(yùn)行需要排洪時(shí)，河水水質(zhì)較差，泥沙較大。因此在水輪機(jī)目標(biāo)參數(shù)選擇時(shí)，應(yīng)結(jié)合制造廠家資料，重點(diǎn)考慮單位轉(zhuǎn)速和單位流量參數(shù)的匹配。

1.1比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)

比轉(zhuǎn)速ns是衡量水輪機(jī)綜合性能的重要技術(shù)指標(biāo)。ns直接反映了水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造水平及其能量、空蝕性能的優(yōu)劣，比速系數(shù)K（K=ns×H0.5）則反映了水輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展水平。一般來(lái)說，在水頭相同的情況下，選用較高比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)，可以提高機(jī)組轉(zhuǎn)速，減小機(jī)組尺寸，降低機(jī)組造價(jià)。但水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的提高，往往受到水輪機(jī)效率、運(yùn)行穩(wěn)定性、空化、磨蝕性能以及強(qiáng)度等諸多因素的制約。通常采用經(jīng)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)公式來(lái)表征比轉(zhuǎn)速與水頭的關(guān)系，并認(rèn)為比速系數(shù)K值是代表比轉(zhuǎn)速的特征參數(shù)。本電站屬中高水頭段，水輪機(jī)參數(shù)選擇首先應(yīng)考慮水力穩(wěn)定性，其次是能量特性，因此比速系數(shù)不宜選擇過高。對(duì)國(guó)內(nèi)與本電站水頭相近水電站所用水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見表1。經(jīng)綜合分析本電站水輪機(jī)比速系數(shù)的合理選擇范圍在1500～1700之間，相應(yīng)比轉(zhuǎn)速在ns=97～110 m·kW內(nèi)。

表1　國(guó)內(nèi)部分同水頭段大中水電站比速系數(shù)、比轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)

1.2單位轉(zhuǎn)速及單位流量

（1）提高單位轉(zhuǎn)速n1憶，降低單位流量Q1憶?？梢蕴岣邫C(jī)組的同步轉(zhuǎn)速，減輕發(fā)電機(jī)重量，進(jìn)而降低機(jī)組造價(jià)。提高單位轉(zhuǎn)速n1憶后，還可有效地使水輪機(jī)在運(yùn)行中避開葉道渦區(qū)域，通常取最大水頭對(duì)應(yīng)的n1max為0.95倍的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10。但提高單位轉(zhuǎn)速n1憶應(yīng)適量，過高的n1憶會(huì)使Q1憶減小，進(jìn)而引起葉片出口相對(duì)速度的增加，特別在多泥沙河流會(huì)加重水輪機(jī)的空蝕性；同時(shí)Q1憶減小后，轉(zhuǎn)輪直徑也會(huì)增加，水輪機(jī)重量要加大，機(jī)組造價(jià)將提高。

（2）提高單位流量Q1憶，降低單位轉(zhuǎn)速n1憶?？梢詼p小水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，減輕機(jī)組重量，縮小尾水管高度，減少?gòu)S房開挖量。但過大的單位流量Q1憶會(huì)使水輪機(jī)臨界空化系數(shù)增加很快，吸出高度Hs變小，機(jī)組安裝高程降低，廠房開挖量增加，土建投資擴(kuò)大；也會(huì)使機(jī)組過流面流速增大，磨損加劇，機(jī)組強(qiáng)度受到嚴(yán)峻的考驗(yàn)，降低機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

參數(shù)匹配的含義是通過調(diào)整單位轉(zhuǎn)速n1憶和單位流量Q1憶，使原型水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域按照徑流特點(diǎn)處于最佳狀態(tài)。一般而言，對(duì)于水頭變幅較小，單機(jī)容量較大的電站，參數(shù)之間容易實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

由國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)統(tǒng)計(jì)可知，當(dāng)ns在97～110 m·kW時(shí)，n1憶在60～65 r/min之間較合適。計(jì)算出相應(yīng)單位流量Q1憶=0.29～0.33 m3/s之間。

1.3水輪機(jī)效率

水輪機(jī)效率是評(píng)價(jià)水輪機(jī)能量特性的重要指標(biāo)，直接影響電站的發(fā)電效益，近年來(lái)，隨著水輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和采取現(xiàn)代化的制造手段和先進(jìn)工藝，水輪機(jī)效率得到不斷提高。

資料統(tǒng)計(jì)表明，目前在300 m水頭段的水輪機(jī)，國(guó)內(nèi)已有部分轉(zhuǎn)輪的模型最高效率超過92.5 %，但大部分模型轉(zhuǎn)輪最高效率則在91 %左右，額定點(diǎn)效率超過87 %，因此選定本水電站水輪機(jī)模型最高效率應(yīng)不低于91.5 %，額定點(diǎn)效率應(yīng)不低于87.5 %，真機(jī)最高效率應(yīng)不低于93 %，額定點(diǎn)效率應(yīng)不低于89 %，真機(jī)效率由模型效率按Moody公式計(jì)算值的2/3修正而得出。

1.4空化系數(shù)

水輪機(jī)空蝕性能的好壞直接影響機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性和電站的經(jīng)濟(jì)性，電站裝置空蝕系數(shù)應(yīng)合理選擇，取值過低將加重水輪機(jī)的空蝕破壞；取值過高并不能使空蝕破壞得以明顯改善，反而造成吸出高度負(fù)值過大，增加廠房地基開挖深度，并且機(jī)組自然補(bǔ)氣困難。根據(jù)不同的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得出該電站應(yīng)具有的裝置空蝕系數(shù)范圍見表2。

表2　電站裝置空蝕系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從表2中可看出電站裝置空蝕系數(shù)在0.04～0.062之間，國(guó)內(nèi)裝置空蝕系數(shù)高于其它國(guó)家。同樣因受地形地質(zhì)等因素所影響，決定選取較小的裝置氣蝕系數(shù)，提高水輪機(jī)的吸出高度。綜合考慮，選定本電站的裝置氣蝕系數(shù)不得大于0.045，相應(yīng)的水輪機(jī)吸出高度不得低于-6 m。

2　水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的目標(biāo)參數(shù)

機(jī)組型式：立軸混流式

比轉(zhuǎn)速：97～110 m·kW

單位轉(zhuǎn)速：60～65 r/min

單位流量：0.29～0.33 m3/s

裝置空蝕系數(shù)：0.045～0.055

本電站運(yùn)行水頭為236.39～259.68 m，采用混流式水輪機(jī)，目前國(guó)內(nèi)這一水頭段比較優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪有A351、A520、A550等，對(duì)這些轉(zhuǎn)輪進(jìn)行比較，參數(shù)見表3。

對(duì)表3進(jìn)行綜合分析，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)比較認(rèn)為，HLA351轉(zhuǎn)輪參數(shù)滿足目標(biāo)參數(shù)且設(shè)備及土建投資均較優(yōu)，推薦HLA351轉(zhuǎn)輪開展設(shè)計(jì)工作。

A351轉(zhuǎn)輪是哈爾濱大電機(jī)研究所針對(duì)魯布革電站的運(yùn)行情況研發(fā)出的改進(jìn)轉(zhuǎn)輪，是國(guó)內(nèi)目前400 m水頭段技術(shù)較成熟的轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪所采用的長(zhǎng)、短葉片，經(jīng)分析也是較適合于新疆波波娜水電站穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)輪。

表3　水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪比較表

3　水輪機(jī)參數(shù)的確定

按A351型轉(zhuǎn)輪，確定水輪機(jī)主要參數(shù)如下：

水輪機(jī)額定出力：51.28 MW

額定水頭：242 m

轉(zhuǎn)輪直徑D1：2.35 m

額定轉(zhuǎn)速：428.6 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：700 r/min

額定流量：23.4 m3/s

額定效率：92.2 %

最高效率：94.3 %

額定比轉(zhuǎn)速：102 m·kW

比速系數(shù)：1 578

吸出高度Hs：-6 m

4　結(jié)束語(yǔ)

波波娜水電站已于2011年4月3臺(tái)機(jī)組全部投入商業(yè)運(yùn)行，截止到2015年10月，3臺(tái)機(jī)組累計(jì)發(fā)電量已超過30.7億kW·h，電站的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益初步顯現(xiàn)。從機(jī)組投入運(yùn)行后的情況來(lái)看，水輪機(jī)的主要參數(shù)和性能指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求，水輪機(jī)主要參數(shù)的選擇是先進(jìn)、合理和可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳勝華，黃靖乾，陸星，等.錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)主要參數(shù)選擇［J］.水力機(jī)械技術(shù)，2015（3）：9-18.

作者簡(jiǎn)介：劉峰（1981-），男，工程師，從事水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015-12-23

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.004

中圖分類號(hào)：TK730.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2016）04-0014-03