越南松蘿4電站燈泡貫流式水輪機參數(shù)選擇

解再益，郭衛(wèi)中，肖 園

（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙400100）

1 概況

貫流式水輪機是一種開發(fā)利用低水頭、大流量水力資源的主要機型，因其轉輪效率高、過流量大、土建開挖量少、建設周期短、總體投資省等優(yōu)點，在25 m以下水頭段的水力資源開發(fā)中，具有較強的優(yōu)勢，在國內外都有著廣闊的市場，具有良好的發(fā)展前景。

越南的水電項目在近幾年的開發(fā)過程中，低水頭的水力資源日趨增多，貫流式水輪發(fā)電機組紛紛上馬。由我公司中標的越南松蘿4電站，位于中越邊境的河江省境內，是瀘江流域梯級開發(fā)的首個燈泡貫流式水電站，該電站為河床式電站，其樞紐主要建筑物包括溢流壩段、兩岸連接壩及電站廠房等。電站裝有3臺單機容量為8 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量24 MW。

電站水庫正常蓄水位72.0 m，發(fā)電消落水位1.0 m，3臺機發(fā)電最低尾水位置64.54 m，最高尾水位65.0 m。電站最大水頭9.26 m，電站額定水頭6.71 m，最小水頭4.17 m，額定流量134.9 m3/s。越南松蘿4電站水輪機型號GZY1149-WP-450，發(fā)電機型號為SFWG8000-60/5050，機組具備長期超發(fā)10%出力的能力。

2 水輪機基本參數(shù)

水輪機型號：GZY1149-WP-450

水輪機轉輪直徑：4.5 m

轉輪葉片數(shù)：4

最大水頭：9.26 m

額定水頭：6.71 m

最小水頭：4.17 m

額定流量：134.9 m3/s

額定出力：8.29 MW

電站要求長期超110%額定出力

額定轉速：100 r/min

飛逸轉速；334 r/min

比轉速：845 m·kW

最大水推力（正/反）129/170 t

吸出高度：-4.55 m

機組轉輪中心線高程：59.0 m

3 水輪機性能參數(shù)的確定

根據(jù)越南松蘿4電站的基本參數(shù)，經(jīng)初步設計和技術經(jīng)濟比較論證計算，最終選用GZY1149-WP-450型水輪機，該機型的各項經(jīng)濟技術指標完全滿足技術協(xié)議和合同要求。

3.1 比轉速和比速系數(shù)選擇

水輪機比轉速ns和比速系數(shù)K是衡量水輪機能量特性、經(jīng)濟性和先進性的綜合性能指標，也反映設計、制造技術的水平。水輪機比轉速ns在數(shù)值上等于工作水頭H為1 m發(fā)出1 kW功率時水輪機所具有的轉速，可見ns越大機組轉速越高，則單位千瓦的造價越低。為縮小機組及廠房尺寸，節(jié)省投資，提高電站的經(jīng)濟效益，在可能的條件下，傾向于選擇較高的比轉速ns和比速系數(shù)K。

對于新設計的轉輪，都將ns值作為評判轉輪先進性的重要指標，根據(jù)國內現(xiàn)階段的燈泡貫流式水輪機發(fā)展水平，新開發(fā)轉輪ns的推薦計算公式為：

水輪機比轉速的表達式為：

根據(jù)經(jīng)驗關系，推出對目前國內轉輪模型最優(yōu)工況的ns0與推薦選用設計工況的ns有如下關系：

隨著水輪機設計制造水平的提高，水輪機比轉速和比速系數(shù)有所提高。但是比轉速的提高受到水輪機強度、空化性能、泥沙磨損、運行穩(wěn)定性等因素的制約，不能單方面追求過高的指標。所以需要針對電站的具體情況，對比轉速ns和比速系數(shù)K進行技術經(jīng)濟比較論證分析確定。

GZY1149轉輪模型最優(yōu)工況的ns0為624.1 m·kW，我們采用比轉速的計算公式（2），計算越南松蘿4電站的比轉速，在額定水頭發(fā)額定出力時，比轉速845.3 m·kW，是ns0的1.35倍，在額定水頭長期超發(fā)110%額定出力時，比轉速886.5 m·kW，是ns0的1.42倍，考慮電站長期超發(fā)110%額定出力的實際情況，按此工況作為本水輪機的設計工況，按式（3）進行驗算是符合推薦值要求的。

3.2 轉輪型號選擇

根據(jù)電站適用的水頭范圍、水輪機的吸出高度，來確定轉輪的葉片數(shù)量，再根據(jù)相同葉片數(shù)量的模型轉輪性能比較，再確定轉輪型號。根據(jù)越南松蘿4電站設計水頭6.71 m，最高水頭9.26 m的實際情況，轉輪葉片考慮選取4葉片轉輪形式。

在進行轉輪型號選擇時，盡量選擇較小的輪轂比，以得到較大的單位流量、較低的轉輪出口相對流速和減少空蝕。目前從國內常用4葉片轉輪模型中選擇，主要參數(shù)見表1，從表中可以看出GZY1149模型轉輪的最優(yōu)效率更高，輪轂比小，過流能力更大，空化性能好，是越南松蘿4電站推薦的轉輪模型。

表1 模型轉輪主要參數(shù)表

3.3 轉輪直徑、額定轉速的選擇

燈泡貫流式水輪機轉輪直徑的選擇不同于常規(guī)機組，水輪機限制工況的出力不取決于水輪機5%的出力限制線，而取決于電站允許的空化裝置系數(shù)σy，根據(jù)越南松蘿4電站的水頭、裝機容量以及模型轉輪的性能情況，來選擇轉輪直徑，若選擇轉輪直徑過大，會因單位轉速較高，偏離最優(yōu)工況單位轉速，將影響水輪機在低水頭下的運行；若選擇轉輪直徑太小，其設計工況點將落在更大的單位流量上，其空化系數(shù)值較大，將導致水輪機在高水頭大出力時空蝕狀況的惡化。

綜合考慮上述因素，同時兼顧水輪機效率指標，經(jīng)初步設計和技術經(jīng)濟比較論證計算比較，最終選用GZY1149-WP-450型水輪機，該轉輪具有單位轉速高、單位流量大、效率高、高效區(qū)寬廣、效率變化平緩、大流量區(qū)效率高等特點。最終選取轉輪直徑4.5 m，額定轉速100 r/min。

此時，水輪機的運行范圍（見圖1）位于模型綜合特性曲線的理想?yún)^(qū)域，水輪機既可以得到較高的綜合平均效率，又可以改善水輪機轉輪的空蝕性能，降低機組的安裝高程。

圖1 GZY1149-WP-450 水輪機真機運行區(qū)圖

3.4 安裝高程確定

燈泡貫流式水輪機安裝高程的確定，需要同時滿足以下2個條件：

（1）在各種可能出現(xiàn)的運行工況下避免空化的要求；

（2）尾水管出口最小淹沒深度不小于0.5 m。

貫流式水輪機的出力限制主要是由空化條件來決定的，控制空化的主要措施之一是通過調整機組安裝高程來調整裝置空化系數(shù)σp，使得水輪機運行時滿足σp＞σc。降低安裝高程的目的主要是汛期可以增大機組的過機流量，減少棄水，獲得更多的汛期電量。顯然，一味地降低安裝高程，會大幅增加電站的投資，因此需要找到一個經(jīng)濟技術的平衡點。

由于轉槳式水輪機同樣具有出力限制線，安裝高程小到一定值時，再降低安裝高程，電量也不再增加，這時的安裝高程為臨界安裝高程，為水輪機選擇高程的下限值。而滿足水輪機出口淹沒深度不小于0.5 m，為水輪機選擇安裝高程的上限值。

因此，我們需要從2個方面進行計算、比較，最終確定本站的安裝高程：

首先，我們計算本站的吸出高度，一般地計算公式為：

由于模型水輪機轉輪直徑小，在模型試驗時，轉輪槳葉頂部與底部之間的空化系數(shù)差別很小，可以忽略不計。但對真機，轉輪直徑很大，即轉輪頂部到底部的垂直距離很大，空化系數(shù)的差別也隨之增大，選擇不同的計算點，吸出高度Hs有較大的差異，因此取轉輪直徑上部的一半，作為計算點，來計算吸出高度，計算公式為：

式中，▽為水輪機主軸中心線高程，▽為59 m；σc為臨界空化系數(shù)；K為空化安全系數(shù)，取1.05；H為額定工況點的水頭；D1為轉輪直徑。

相應地，越南松蘿4吸出高度按額定水頭10%超出力的工況選取，σc取1.5274，要求的吸出高度Hs=-1.95 m。

另一方面，我們驗算尾水淹沒要求。在計算吸出高度時，考慮到尾水管出口高度8.1 m，尾水管出口到機組中心線距離4.05 m，為保證機組運行在任何工況下，尾水管出口不進氣，機組的出口應有一定的淹沒深度，任何工況下的尾水位均應至少高于尾水管出管0.5 m，由這一條件決定安裝高程的上限。由于本電站的水頭較低，機組安裝高程由尾水管淹沒深度的條件決定。

本電站的吸出高度Hs=-4.55 m即可達到設計要求，這種況條件是足夠安全的。

最終，經(jīng)與相關專業(yè)協(xié)商、綜合評比后，在本著增加汛期發(fā)電量的目標，降低0.9 m吸出高度，最終確定本電站的吸出高度Hs=-5.45 m。

4 結束語

首臺機組已于2017年10月正式投運，全部3臺機組于2017年11月底正式投入商業(yè)運行。3臺機組投運后，電站無法發(fā)足裝機容量。此時機組運行狀態(tài)穩(wěn)定，但是由于過機流量的增加，下游水位上升，實際工作水頭下降，設計水頭達不到設計值，影響了機組出力。在弄清楚問題所在后，電站清理了電站尾水，而恰好前期的參數(shù)選擇時，降低了安裝高程0.9 m，從而使得尾水位有降低的可能，在實際尾水位下降0.5 m，保證了3臺機同時發(fā)額定出力。

這是燈泡貫流式水輪機電站設計時，必須要重視的一個問題，即燈泡貫流式水輪機的額定水頭的確定問題。燈泡貫流式水輪機的額定水頭是指電站發(fā)足裝機容量所需發(fā)電流量對應的上下游水位差并扣除水頭損失后的水頭，而不是機組發(fā)額定出力時的最小水頭，否則難以發(fā)足電站裝機容量。

日前，電站正常運行近半年多，各項技術指標如下：有功功率8.396 MW，工作水頭6.7 m，機組額定轉速100 r/min，導葉開度89.8%，槳葉開度78.2%，機組振動不超過0.02 mm，擺度不超過0.2 mm。正推瓦瓦溫度約42.6℃，反推瓦瓦溫度36.9℃，定子最高溫度約74℃。

3臺機滿足出力及水力性能的要求，瓦溫穩(wěn)定，振動、擺度等運行參數(shù)均滿足合同要求，該電站的成功運行，為我公司進軍越南低水頭水力資源開發(fā)打下了堅實的基礎。