公格爾水電站大型水斗式水輪機設計

安 剛

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000)

1 工程概況

公格爾水電站是蓋孜河流域梯級開發(fā)的第一級電站，是蓋孜河梯級開發(fā)的龍頭水庫工程，位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾克孜州阿克陶縣境內。電站采用壩后引水式開發(fā)，裝機容量為200 MW，工程開發(fā)任務是灌溉、發(fā)電和防洪。電站在系統(tǒng)中擔任調峰、調頻、事故備用和部分基荷運行任務，主要由大壩、溢洪道、導流兼泄洪沖沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)(設置調壓井)、壓力管道(一管三機，約18 km)和地面電站廠房等建筑物組成。

2 電站基本參數(shù)

水庫正常蓄水位3 290.0 m，死水位3 280.0 m，調節(jié)性能為不完全多年調節(jié)。最高尾水位2 627.34 m，正常尾水位(3臺機滿發(fā))2 625.49 m；最大水頭(毛水頭)665 m，加權平均水頭(凈水頭)632.6 m，額定水頭(凈水頭)607.0 m，最小水頭(凈水頭)607.0 m；多年平均懸移質含沙量(天然河道)1.181 9 kg/m3。

電站裝機容量200 MW，多年平均年發(fā)電量6.7億kW·h，年利用小時數(shù)3 350 h，保證出力71.5 MW。

3 水輪機的選擇

水斗式水輪機以其使用水頭高、結構簡單的優(yōu)點，廣泛用于高水頭水電站。目前，水頭超過450 m左右的水電站大多采用水斗式水輪機。水斗式水輪機的流量與轉輪直徑無關，僅和射流直徑有關。因此，和反擊式水輪機不同，同一個型號的水斗式水輪機轉輪，根據(jù)電站的實際情況選擇合理的轉輪直徑、轉速和射流直徑就可以在很大的水頭范圍內獲得良好的水輪機能量性能。這一點從理論上和實踐上都得到了很好的證明。

在能量性能得到保證的同時，保證水斗具有足夠的強度更為重要。根據(jù)對水斗各斷面應力的分析和計算，水斗應力與水斗轉輪直徑和單個射流直徑的比值(m值)有關。在同樣水頭下，m越大，應力越低；m越小，應力越高；即在保持水斗同樣應力的情況下，高水頭必須選擇大的m值，低水頭m值可取小一些。因此從轉輪強度看，同一個型號的水斗式轉輪，也可在很大的水頭范圍內安全運行。

但是，在電站參數(shù)已定的情況下，大m值對應的轉輪直徑大，水輪機尺寸也大，工程造價就高，反之亦然。因此在水輪機選型和確定水輪機各參數(shù)時，應根據(jù)強度、能量性能和工程造價選擇合理的數(shù)值(見表1)。

表1 國內大型水斗式水輪機統(tǒng)計

(1)轉輪

轉輪是水輪機的心臟，是實現(xiàn)能量轉換的關鍵部件，轉輪的特性對水輪機性能的好壞起著決定性的作用。通過對公格爾水電站機組參數(shù)詳細分析和計算，選用了奧地利安德里茨(ANDRITZ)集團的進口整鍛轉輪及配套噴嘴和噴針。模型轉輪采用(PV6)，水輪機參數(shù)如下所示(見表2)。

表2 水輪機參數(shù)

轉輪及斗葉都是由 X—3CrNiMo134不銹鋼整體鍛造出來。由于轉輪采用整體鍛造，斗葉通過數(shù)控銑床銑出，故其材質要比鑄造品質要好很多，整鍛轉輪及水斗幾乎不存在任何缺陷，具有良好的抗疲勞性能，能夠有效地防止轉輪斗葉的斷斗和掉塊現(xiàn)象的發(fā)生(見圖1)。

(2)噴嘴裝配

每臺機包含6個噴嘴，噴嘴為直流式，配內置式接力器。在安裝階段，可以通過調節(jié)法蘭調整噴嘴的位置，整個噴嘴可以從配水環(huán)管上拆除和檢修，噴針頭和噴嘴口環(huán)噴有碳化鎢抗磨涂層(或等同材料)，噴涂后的部件可以有效地延長使用壽命。噴嘴設有保護板，可使其不受濺流的沖擊。折向器由油壓操作，在緊急關機時動作。折向器的接力器為雙向，開啟為油壓作用，由彈簧關閉(見表3)。

表3 噴嘴裝配主要材料

(3)配水環(huán)管

配水環(huán)管采用可焊性好的高強度鋼板WDL610D制作，采用鋼板焊接結構，將根據(jù)運輸條件限制進行分瓣運輸，配水環(huán)管上預留現(xiàn)場組焊所需的精加工焊縫坡口。配水環(huán)管將在廠內進行預裝。配水環(huán)管的設計壓力為800 m，采用保壓澆注。

(4)機殼及轉輪室

機殼采用鋼板焊接結構，機殼上部設有機殼蓋，機殼蓋現(xiàn)場調節(jié)后焊接固定在機殼上，機殼蓋上裝有水導軸承支座。機殼上設有裝拆轉輪和噴嘴的吊具，機殼底采用全鋼襯結構。在尾水出流方向，機殼下緣和最高機坑水位之間保證有必要的通氣高度。為滿足運輸和便于安裝，機殼分為兩瓣，現(xiàn)場螺栓把合。

轉輪室至球閥層設置寬3.4 m的轉輪運輸通道、密封門和軌道，轉輪室底部設有平水柵。

(5)水導軸承

水導軸承采用6塊瓦、巴氏合金瓦襯、稀油自循環(huán)潤滑軸承，其軸瓦材料為Q345C和巴氏合金。

4 水輪機補氣措施

由于水斗式水輪機轉輪的通風效應，水輪機轉輪室內可能出現(xiàn)幾種壓力。水輪機在運行過程中由于水流從轉輪上跌落排出，將在轉輪室產(chǎn)生真空而影響水輪機效率；為了避免機殼內出現(xiàn)不良的運行工況，必需采取補氣的方法將機殼內的壓力與大氣應力進行平衡。

從轉輪室到尾水渠之間設6根DN200埋管，埋管離轉輪室有足夠的距離。管道的供氣量為水輪機最大流量的20%～30%，空氣流速控制在20～30 m/s，6個噴嘴補氣管對稱布置，自然補氣。

另外，在水輪機導軸承的周圍空間設置額外的2根DN150中心補氣孔補氣管。

5 結 語

截止目前，公格爾水電站已安全穩(wěn)定運行4 a，累計發(fā)電量約30億kW·h，為邊疆地區(qū)發(fā)展創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。工程建設過程中積累了許多高水頭水輪發(fā)電機組制造、設計、安裝、運行等方面經(jīng)驗，希望對國內水斗式水輪機應用選型時提供一定的借鑒參考。