高水頭電站水輪機主要參數(shù)及材料選擇

高普新

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津300222）

1 工程概況

本電站主要任務(wù)是發(fā)電，裝機容量100MW。電站在系統(tǒng)中的運行方式為調(diào)峰運行。電站廠房為岸邊式半地下廠房，引水方式為一管二機引水，引水隧洞長約16km。尾水管出口后接尾水池、溢流堰和出水渠，沿地形直線通往下游水庫。

2 電站基本參數(shù)

2.1 特征水位

（1）上游水位

水庫調(diào)節(jié)方式年調(diào)節(jié)；

正常蓄水位2018.00m；

汛期排沙限制水位2016.00m；

死水位1985.00m。

（2）下游水位

正常尾水位1619.00m；

設(shè)計洪水尾水位1622.31m；

校核洪水尾水位1622.38m；

尾水池水位與流量關(guān)系曲線見表1。

表1 尾水池水位～流量關(guān)系表

2.2 電站引水系統(tǒng)水頭損失

引水系統(tǒng)總水頭損失（進水口至蝸殼進口斷面的局部損失和沿程損失，包括尾水門槽）按公式計算：Δh=0.0204Q2。

2.3 電站凈水頭

最大水頭398.4m；

最小水頭346.4m；

加權(quán)平均水頭386.5m。

2.4 泥沙特性

（1）電站過機含沙量

預計建庫后多年月平均過機水流含沙量見表2。

表2 電站過機水流含沙量/kg/m3

（2）礦物組成

對懸移質(zhì)泥沙進行了礦物組成分析，結(jié)果為：

石英62.1%，長石12.2%，方解石5.7%，粘土19.9%。

2.5 河水水質(zhì)

河水和地下水水質(zhì)均良好，壩線附近河水pH值為7.82，工江口附近河水pH值為8.31，地下水pH值為8.31。

3 水輪機主要參數(shù)選擇

3.1 水輪機額定水頭

根據(jù)規(guī)范要求，中、高水頭水輪機的額定水頭宜在加權(quán)平均水頭 0.95～1（即 367.2～386.5m）范圍內(nèi)選取，同時參考最大凈水頭與額定水頭的比值。因此初步確定本電站額定水頭在367m、376m、385m三個水頭內(nèi)選擇。不同額定水頭的比較結(jié)果見表3。

表3 額定水頭方案比較表

通過表3比較分析：①方案I、方案II、方案Ⅲ轉(zhuǎn)輪直徑、機組投資及土建投資相差不大，但隨著額定水頭的提高，年發(fā)電效益相差明顯，發(fā)電量下降；②相對于本電站的水頭和轉(zhuǎn)輪直徑范圍，其轉(zhuǎn)輪的制造難度隨著直徑的變小而增大；③本電站屬于高水頭、高轉(zhuǎn)速的電站，395.0m段水頭權(quán)重為47.29%，所以其額定水頭的選擇應滿足高水頭下穩(wěn)定運行的要求；④方案II，額定水頭376m，既能滿足低水頭條件下多發(fā)電，又能使水輪機在高水頭條件下穩(wěn)定運行。因此，選定水輪機的額定水頭為376m。

3.2 機型和裝機臺數(shù)

電站的水頭范圍為398.4～346.4m，目前國內(nèi)該水頭段大、中型水電站基本都采用混流式水輪機?；炝魇剿啓C是中、高水頭段應用最成熟和最廣泛的一種機型，其最高效率和額定工況點效率高，有較高的比轉(zhuǎn)速。因此本電站選用混流式水輪機。

電站發(fā)電最終送往省電網(wǎng)，由云南省調(diào)直接調(diào)度。本電站單機容量在大電網(wǎng)中并不算大，單臺機組跳閘不會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。同時，作為調(diào)峰電站，電站臺數(shù)不宜過多，所以本裝機臺數(shù)選擇2臺機組方案。

3.3 水輪機參數(shù)選擇

（1）比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)

根據(jù)國內(nèi)、外不同比轉(zhuǎn)速計算公式計算出本電站水輪機比轉(zhuǎn)速ns大體在80～117m·kW之間，相應的比速系數(shù)K的范圍大致為1561～2281。同時參考國內(nèi)已應用中高水頭混流式水輪機參數(shù)統(tǒng)計，與本電站水頭相近電站水輪機比轉(zhuǎn)速大都在78.53～97.11m·kW之間，比速系數(shù)K在1494～1737之間。經(jīng)計算分析比較，推薦本電站水輪機比轉(zhuǎn)速ns=78～95m·kW，比速系數(shù)K=1512～1842。

（2）單位流量及單位轉(zhuǎn)速

根據(jù)統(tǒng)計公式，同時參考類似電站并結(jié)合現(xiàn)有的水輪機模型參數(shù)，推薦本電站轉(zhuǎn)輪最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速及限制工況單位流量范圍：

（3）水輪發(fā)電機組同步轉(zhuǎn)速

從上面的分析可以看出，相對于本電站水輪機比轉(zhuǎn)速78～95m·kW的選擇范圍，可選擇的同步轉(zhuǎn)速范圍為570～695r/min，對應的常用的轉(zhuǎn)速為600r/min。

（4）水輪機效率

隨著國內(nèi)魯布革、周寧、獅子坪等中高水頭電站引進的水輪機設(shè)計制造先進技術(shù)工藝，水輪機的效率得到不斷的提高。這些電站的最高效率都在93.67%～95.05%之間，額定點的效率在92.0%～94.64%附近。因此，水輪機模型的最高效率不應小于93.2%，額定點的效率不應小于92%。

（5）空化系數(shù)選擇

根據(jù)統(tǒng)計公式并參考現(xiàn)有水輪機轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)，得出推薦范圍為：σm＝ 0.024～0.033，σz＝0.029～0.047。取額定工況下模型空化系數(shù)σm不大于0.035，電站空化系數(shù)σz不大于0.047。

（6）推薦模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)

比轉(zhuǎn)速ns：78～95m·kW

比速系數(shù)：1512～1842

最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n110：58.6～60.9r/min

單位流量Q11：0.18～0.22m3/s

額定點效率ηm：≥92%

空化系數(shù)：≤0.035

（7）根據(jù)上述分析，并考慮到本電站的特點，推薦預測水輪機真機參數(shù)如下：

水輪機額定水頭：376m

水輪機直徑D1：2.0m

額定轉(zhuǎn)速nr：600r/min

額定流量Qr：15.1m3/s

額定出力：51.28MW

最高效率ηtmax：≥93.5%

額定工況點效率ηtr：≥92.5%

額定點比轉(zhuǎn)速ns：82.9m·kW

額定點比速系數(shù)K：1592

3.4 安裝高程確定

本電站為高水頭電站，在確定機組安裝高程時，分別計算最高水頭和額定水頭的Hs，設(shè)計尾水位按1臺水輪機50%額定流量時對應的尾水位1619.34m確定，空蝕安全系數(shù)K按不小于1.35考慮。經(jīng)計算，安裝高程為1609.30m。

4 水輪機主要結(jié)構(gòu)型式及材料選擇

水輪機為立軸混流式，帶有金屬蝸殼和彎肘形尾水管（帶鋼襯），水輪機主軸與發(fā)電機軸直接聯(lián)接，水輪機旋轉(zhuǎn)方向為俯視順時針。

4.1 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪材料性能指標不低于ZGOCr16Ni5Mo，采用焊接結(jié)構(gòu)，葉片采用精鑄成型數(shù)控加工或不銹鋼鋼板模壓成型。表面拋光，模壓后應進行必要的定形處理。上冠和下環(huán)采用VOD精煉鑄造工藝。轉(zhuǎn)輪表面粗糙度、流道尺寸型線和模型轉(zhuǎn)輪相似偏差均應滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定。轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)外緣應設(shè)有止漏環(huán)。止漏環(huán)直接在轉(zhuǎn)輪上加工成型，其硬度應高于相對應的頂蓋和底環(huán)部位止漏環(huán)的硬度。轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)設(shè)計應滿足水輪機頂蓋取水要求。在額定工況下，轉(zhuǎn)輪葉片出口平均相對流速W2宜小于38m/s。

4.2 導水機構(gòu)

導水機構(gòu)主要包括頂蓋、底環(huán)、導葉及導葉調(diào)節(jié)裝置。

頂蓋：頂蓋采用性能指標不低于Q345C的鋼板焊接制造，應具有足夠的強度和剛度，能安全可靠地承受最大水壓力（包括水錘壓力）、徑向推力、最大水壓脈動和在最大飛逸轉(zhuǎn)速下連續(xù)運行所產(chǎn)生的振動，以及在工作水頭下導葉端面間隙在規(guī)范允許范圍內(nèi)。在頂蓋上應設(shè)置機組冷卻用水的取水孔及其配管系統(tǒng)。

底環(huán)：底環(huán)宜做成單獨件，可以從座環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)上拆下，采用性能指標不低于Q345C的鑄鋼或鋼板焊接制造，并進行應力釋放。底環(huán)上應帶有不銹鋼抗磨板。

導葉：導葉的型線尺寸、數(shù)量和位置應和模型水輪機相似。導葉從全開到接近空載開度位置的范圍內(nèi)，應具有自關(guān)閉趨勢的水力矩特性。導葉采用抗空蝕磨損性能和焊接性能良好的低碳鎳鉻優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料制造。

4.3 主軸

主軸采用經(jīng)熱處理的優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛制，材料性能指標不低于20SiMn。兩端有法蘭與轉(zhuǎn)輪及發(fā)電機主軸連接。主軸采用中空結(jié)構(gòu)。水輪機和發(fā)電機連接起來的旋轉(zhuǎn)部分的第一臨界轉(zhuǎn)速至少比最大飛逸轉(zhuǎn)速高25%。表面粗糙度達到0.4μm。軸心通孔應加工到足夠光潔，以便從孔內(nèi)檢查軸的質(zhì)量，或取其孔內(nèi)材料用其他合適的方法進行檢驗。

4.4 主軸密封

主軸密封采用無接觸間隙式密封結(jié)構(gòu)，不需要外部提供清潔密封水。若制造廠家認為還需設(shè)置自動補償型密封，則軸封應嚴密、耐磨、結(jié)構(gòu)簡單、便于檢修和更換。密封元件為自補償型。固定部分為摩擦系數(shù)小且抗磨的材料。轉(zhuǎn)動部分及組合螺栓為不銹鋼材料。

主軸還應設(shè)有一套充氣圍帶式檢修密封，以便在水壓下更換主軸密封，防止漏水。

4.5 水導軸承

（1）水導軸承應是稀油潤滑的自潤滑軸承，宜采用分塊瓦或可拆卸的分瓣軸承。潤滑油型號為：L-TSA32。軸承潤滑采用自潤滑循環(huán)方式。在連續(xù)運轉(zhuǎn)條件下，當冷卻水進口最高溫度25℃時，軸瓦的最高溫度應不超過70℃。軸承油溫應不超過65℃。油冷卻器應設(shè)置在油槽內(nèi)，其換熱管應采用紫銅管制成。

4.6 座環(huán)

座環(huán)采用無蝶形邊的箱式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q345R/Z35抗層狀撕裂鋼板。

4.7 蝸殼

蝸殼的材料應選用可焊性好的低合金壓力容器鋼板制作，材料的各項性能指標應不低于Q345R，設(shè)計時應考慮有不少于2mm的腐蝕裕量。蝸殼為焊接結(jié)構(gòu)，并應根據(jù)運輸條件，采用盡量少的分瓣數(shù)運至工地。

4.8 接力器

水輪機應裝有二個直缸搖擺液壓活塞式接力器。其額定操作油壓為6.3MPa。

4.9 尾水管和尾水管里襯

尾水管：尾水管的型式應與驗收后的模型水輪機尾水管相似。

尾水管里襯：尾水管鋼里襯要延伸到額定工況下平均流速小于或等于5m/s的位置；其錐管鋼板的厚度應不小于25mm，肘管段厚度應不小于20mm；材料的各項性能指標應不低于Q235B。

5 水輪機附屬設(shè)備

5.1 進水球閥

本電站水頭范圍為346.4～398.4m，為長引水高水頭、“一洞二管”電站，為保證每臺機組能分流發(fā)電、停機檢修和事故時斷水保護，故在每臺水輪機蝸殼進口處設(shè)置一個進水球閥。根據(jù)水輪機蝸殼進口尺寸，進水球閥直徑初定為1.3m。根據(jù)電站的上、下游水位，進水球閥的最大凈水壓為410m，考慮水擊壓力時的最大升壓水頭約為495.74m水頭，因此進水球閥的公稱壓力為5.0MPa。球閥中心線到機組中心線距離為6200mm。

型式：液動球閥

數(shù)量：2套

接力器操作油壓：16MPa

閥軸的布置方式：臥軸

操作機構(gòu)型式和操作方式：接力器型式

閥門公稱直徑DN：1300mm

閥門公稱壓力：5.0MPa

旁通閥直徑DN：150mm

閥門的開啟時間：30～90s（可調(diào)）

閥門的關(guān)閉時間：90～200s（可調(diào)）

5.2 調(diào)速系統(tǒng)

（1）型式及基本配置

調(diào)速器應是微機控制的具有PID調(diào)節(jié)規(guī)律的電液調(diào)速器。

調(diào)速系統(tǒng)的控制部分采用雙處理器、雙電源的微機系統(tǒng)，當其中1個微機系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動無擾動切換到備用控制系統(tǒng)；當2套系統(tǒng)同時故障時應能平滑無擾動地自動切換到手動運行。

調(diào)速系統(tǒng)由數(shù)字式控制單元、功率放大單元、電液執(zhí)行機構(gòu)、反饋裝置、壓力油罐、回油箱、油泵、自動控制元件等設(shè)備組成。

（2）油壓裝置

調(diào)速器為油壓操作，每臺調(diào)速器配一套獨立的操作供油系統(tǒng)。操作油壓的額定工作壓力為6.3MPa。

操作供油系統(tǒng)應包括油泵、壓力油罐、回油箱和全部操作及自動控制所需要的各種閥門、管路、變送器、指示表計、控制裝置和電纜等。

6 結(jié)束語

從電站水輪機運行水頭段和機組容量分析，其制造技術(shù)較為成熟，難度不大。但應充分考慮高水頭電站在泥沙、空化等方面的影響，優(yōu)化水輪機參數(shù)，使機組在整個運行范圍內(nèi)能夠長期、連續(xù)、安全、穩(wěn)定運行。同時盡量減少過機含沙量和減輕泥沙磨損危害，延長水輪機通流部件使用壽命，進而延長水輪機大修周期，達到提高設(shè)備利用率，增加發(fā)電量的目的。