超高水頭水電站沖擊式水輪機的選型設(shè)計

(貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550001)

隨著科學(xué)研究水平、制造技術(shù)的提高，各型水輪機的最高使用水頭都在不同程度地提高，從而擴大了各型水輪機的使用范圍。從常規(guī)各型水輪機的使用范圍(見下頁圖[1])可以看出，高水頭段主要應(yīng)用的是混流式水輪機和沖擊式水輪機，隨著水輪機設(shè)計技術(shù)和轉(zhuǎn)輪材料升級，混流式水輪機的使用水頭也進入過去認為只能使用沖擊式水輪機的范圍內(nèi)，如水頭300～700m，但是在700m以上的基本還是沖擊式水輪機領(lǐng)域。

不同型式水輪機選用范圍圖

1 工程概況

聽命河水電站位于云南省怒江州瀘水縣境內(nèi)，是一座以發(fā)電為單一目標的引水式電站，工程樞紐建筑物由取水壩、引水隧洞、壓力前池、壓力管道和主、副廠房及開關(guān)站組成，電站工程主要任務(wù)為發(fā)電，裝機容量2×20MW，年利用小時數(shù)4790h。

2 電站基本參數(shù)

a.前池水位。最高運行水位1943.24m，正常水位1942.81m，最低水位1941.35m。

b.廠房尾水位。校核洪水水位1016.65m，設(shè)計洪水位1016.53m。

c.電站水頭。最大水頭921.5m，加權(quán)平均水頭895.3m，額定水頭893.0m，最小水頭875.2m。

d.發(fā)電引用流量5.38m3/s。

3 水輪機機型選擇

聽命河水電站運行水頭范圍為875.20～921.50m，已經(jīng)超過了混流式水輪機的運行范圍極限，只能選擇沖擊式水輪機。沖擊式水輪機是按照動量定理來進行能量轉(zhuǎn)換的，它與反擊式水輪機的工作原理截然不同，其結(jié)構(gòu)主要由噴嘴和轉(zhuǎn)輪組成，轉(zhuǎn)輪和噴嘴各司其職，從機構(gòu)上來說，兩者互不干涉。沖擊式水輪機通常分為雙擊式水輪機、斜擊式水輪機和水斗式水輪機；它們共同的特點是借助于特殊導(dǎo)水裝置(如噴嘴)引出的具有動能的自由射流，將水能傳遞給轉(zhuǎn)輪。雙擊式水輪機是一種小型的特殊的沖擊式水輪機，國內(nèi)于20世紀60年代曾進行過大量的研制工作，由于其自身的先天缺陷，諸如效率低下、運行不夠穩(wěn)定、不可能用于高水頭大出力的電站等，目前基本退出應(yīng)用市場；斜擊式水輪機與水斗式水輪機都是由噴嘴和轉(zhuǎn)輪構(gòu)成。噴嘴作為水力元件，可與任何大小的水輪機轉(zhuǎn)輪匹配，因此，在沖擊式水輪機中，噴嘴是一個獨立的組成元件，它為轉(zhuǎn)輪提供射流，與轉(zhuǎn)輪進行能量交換。斜擊式水輪機與水斗式水輪機，從轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)來看，差異甚大，但是理論上卻完全一樣，都屬于沖擊式水輪機。按沖擊式水輪機基本原理模型理論，水斗式水輪機就是射流入射角為0°時的斜擊式水輪機，而且水斗式水輪機是所有斜擊式水輪機中效率最高者。正因為如此，水斗式水輪機獲得了廣泛應(yīng)用，而斜擊式水輪機也逐步被淘汰?，F(xiàn)在所說的沖擊式水輪機基本上都是水斗式水輪機。聽命河水電站水輪機也應(yīng)采用水斗式。

4 轉(zhuǎn)輪型號選擇

國內(nèi)目前比較通用的水斗式水輪機轉(zhuǎn)輪型號主要有A237、A475、A870、105、C601等等。A237從原蘇聯(lián)K- 461改型而來，機型較老，A475從挪威引進。目前國內(nèi)A237主要應(yīng)用水頭為300～600m，最近幾年由于A237在實際的使用中發(fā)現(xiàn)在空蝕性能和效率方面存在缺陷，基本被A475取代；A475國內(nèi)主要用于150～600m水頭，在600m水頭以上由于設(shè)計、制造技術(shù)的限制，在強度方面存在問題，使用較少。在600～800m水頭段主要應(yīng)用的是A870、105和C601，A870是VOITH的改型轉(zhuǎn)輪，最早用于西藏羊卓雍湖電站。800m水頭以上105和C601應(yīng)用較多，而C601轉(zhuǎn)輪為最新開發(fā)出來的，其轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力和效率都較為優(yōu)秀，推薦聽命河水電站采用C601轉(zhuǎn)輪。

5 水輪機基本尺寸的選擇

水斗式水輪機主要結(jié)構(gòu)由噴嘴和轉(zhuǎn)輪組成，雖然說轉(zhuǎn)輪和噴嘴各司其職，但是噴嘴數(shù)量和直徑與轉(zhuǎn)輪直徑有密切關(guān)系，如果噴嘴直徑和轉(zhuǎn)輪直徑不匹配，水輪機的能量轉(zhuǎn)換將大打折扣。

5.1 射流直徑和噴嘴數(shù)量的選擇

水斗式水輪機的噴嘴為水輪機提供自由射流，其流量的大小完全能決定水輪機的出力。計算公式為

(1)

式中d0——射流直徑，mm；

Q——水輪機額定流量，mm；

Z0——噴嘴數(shù)；

H——額定水頭， m。

當噴嘴數(shù)為1時，射流直徑為165mm，當噴嘴數(shù)為2時，射流直徑為116mm，當噴嘴數(shù)為4時，射流直徑為82mm，由于3噴嘴在實際工程應(yīng)用較少，所以不對3噴嘴進行分析計算。射流直徑的大小，決定噴嘴過流量的大小，根據(jù)以上對三種噴嘴數(shù)量的射流直徑的計算，隨著噴嘴數(shù)量的不同射流直徑變化比較大，而受到水輪機結(jié)構(gòu)和直徑比m值(D1/d0)限制，單噴嘴射流直徑不宜大于130mm，若大于130mm，將帶來水輪機結(jié)構(gòu)成本的增加；而噴嘴射流直徑偏小又影響到機組出力性能，噴嘴射流直徑小就意味著噴嘴數(shù)量的增加，也將增加水輪機結(jié)構(gòu)的成本，因此聽命河水電站推薦射流直徑為116mm，噴嘴直徑為118mm，噴嘴數(shù)量為2個。

5.2 轉(zhuǎn)輪直徑和直徑比m值的選擇

水輪機出力公式為

N=9.81HQη

(2)

式中N——水輪機出力，kW；

η——水輪機效率，mm。

(3)

式中v1——射流速度，m/s；

φ——射流速度系數(shù)。

從式(2)、式(3)可以推導(dǎo)出

(4)

從式(4)可以看出水斗式水輪機的出力僅與射流直徑和水頭有關(guān)，與轉(zhuǎn)輪直徑無關(guān)，但是轉(zhuǎn)輪直徑卻與水輪機的轉(zhuǎn)速有重要關(guān)系；水電站為了獲得最佳的發(fā)電效益，水斗式水輪機必須保證在最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速的條件下運行，按照現(xiàn)有的水斗式水輪機模型數(shù)據(jù)，最優(yōu)轉(zhuǎn)速都是40r/min左右。轉(zhuǎn)速計算公式為

(5)

式中n——原型轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，r/min；

n11——模型轉(zhuǎn)輪單位轉(zhuǎn)速，r/min；

D1——原型轉(zhuǎn)輪直徑，m。

從式(5)可以看出水輪機原型轉(zhuǎn)輪直徑與單位轉(zhuǎn)速、原型轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速和水頭有關(guān)，為了保證水電站有較好的發(fā)電效益，水輪機應(yīng)在單位轉(zhuǎn)速40r/min上、下運行。同時水斗式水輪機還有一個重要參數(shù)，即轉(zhuǎn)輪直徑和射流直徑之比m值，水輪機的效率隨著m值的減小而降低。由于受限于水斗結(jié)構(gòu)布置，m值不能過小和過大，通常模型水斗式水輪機的m值在12左右，最高模型效率為90%～91%，從理想的狀態(tài)下考慮，假如m值為0，水輪機的最高效率可達到96%以上[2]，但是m值和水頭有密切的關(guān)系，隨著水頭高低的變化，m值的取值范圍也跟著變化。目前有對于水斗式水輪機的m值缺乏有效的理論計算公式，下面結(jié)合該電站的水頭段，參考在該水頭段多數(shù)電站采用的m值來確定該電站的m值。下表為國內(nèi)高水頭段水斗式水輪機參數(shù)。

國內(nèi)高水頭段水斗式水輪機參數(shù)表

根據(jù)試驗和已生產(chǎn)的沖擊式水輪機參數(shù)資料統(tǒng)計，水斗式水輪機的轉(zhuǎn)輪直徑D1與射流直徑d0之比m(m=D1/d0)值在10～20之間時，上表統(tǒng)計的電站水頭在520～1022.4m范圍，m值在13.0～18.5范圍，水頭越高m值越大，水頭越低m值越小。當電站承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，運行中負荷變化比較大，處于部分負荷運行的工況比較多時，m值應(yīng)采取較小的值，這樣選擇水輪機的效率比較高，比轉(zhuǎn)速也較高。但m取小值，會造成轉(zhuǎn)輪直徑減小、機組轉(zhuǎn)速增高，轉(zhuǎn)輪所承受的應(yīng)力增大和水斗應(yīng)力交變頻率加快，對轉(zhuǎn)輪不利。結(jié)合以上情況和已建電站的統(tǒng)計資料，該電站m值在16～17之間比較合理。因此從單位轉(zhuǎn)速和m值綜合考慮，聽命河水電站的轉(zhuǎn)輪直徑取200cm，m值為17，單位轉(zhuǎn)速為40.1r/min，m值和單位轉(zhuǎn)速都在較為合理的范圍。因此聽命河水電站推薦水輪機型號為CJC601-L-200/2×11.8。

6 結(jié) 語

水斗式水輪機的工作原理不同于反擊式水輪機，其計算理論還不夠完善，目前，在水輪機選型時基本采用唯轉(zhuǎn)速的原則，即單位轉(zhuǎn)速應(yīng)在40r/min左右，m值則參考已經(jīng)成功投入運行電站的數(shù)據(jù)。通過以上分析和計算，聽命河水電站水輪機推薦型號為CJC601-L-200/2×11.8，m值為17， 單位轉(zhuǎn)速為40.1r/min。