水府庙水电站水轮机选型方案

周艳辉，谢智树，朱柱霞，王 鑫，彭忠年

（1.湖南省水府庙水电站，湘潭市 411424；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

湖南省水府庙水电站位于湘江支流涟水中游双峰、湘乡、娄底三县(市)交界处的溪口，是集灌溉、防洪、发电、供水、旅游、养殖等综合效益于一体的大型水利枢纽工程。水库控制流域面积3160平方公里，总库容5.6亿m3，有效库容3.7亿m3，为不完全季调节水库，灌溉面积100万亩。1958年9月动工修建，1960年9月第一台机组投产发电。电站为坝式水电站，安装4台立式混流式水轮发电机组，单机容量为7.5MW，总装机容量为30MW。

1 水轮机改造的必要性

（1）能量指标偏低。电站原HL365-LH-230水轮机为低水头混流式，属于套用美国30～40年代技术的机型，仿原苏联模型PO-365产品，相当于国产HL365型号产品，在水力设计与性能方面存在缺陷，目前已属于淘汰机型。并且由于受当时生产工艺、加工水平和生产能力的限制，水轮机实际额定点效率达不到设计要求。

（2）机组过流部件磨损严重。电站投运至今已超过设计使用年限，转轮磨损、汽蚀愈来愈严重，叶片翼型偏离设计型线，水轮机效率降低，耗水率高，机组运行中振动不断加大。

（3）选型与电站实际情况不符。经多年运行经验和重新核算，电站实际额定水头在24.0m左右，而原选型HL365水轮机设计水头为27.7m，两者相差较大，导致水轮机无法在最优工况运行，不利于电站经济运行。

2 水轮机技术改造方案

2.1 改造基本技术要求

考虑到电站现有设备的实际情况以及土建工程等因素，在不改变水工建筑物、引水系统及水轮机蜗壳、座环和尾水管等埋入部分的前提下，采取更换水轮发电机组其它部件，以达到明显提高机组运行效率的方案。设定在额定水头Hr＝24m时，发电机出力增容至9MW左右的目标，并保证水轮机的空化、机组的飞逸转速、稳定性等其它技术指标的安全可靠。水轮机技术改造的特征水头为：最大水头27.5m，最小水头17.5m，加权平均水头为24.62m，额定水头为24m。

2.2 参数的选择

受水轮机埋入部分结构尺寸与电站装置空化系数的限制，技改机组仍然采用导叶相对高度为b0=0.391D1的混流式水轮发电机组。

技改后的水轮机额定水头初步选定为24m，机组额定转速选定为187.5r/min以下。在水头为24m时，水轮机出力Nr达到9.0MW，相应的发电机组出力Ng为8.7MW；在水头为24.6m，水轮机出力Nr达到9.4MW，相应的发电机组出力Ng为9MW。

机组的运行特点为带基荷运行，因此在选择技改水轮机的水力参数时，应尽量使水轮机的主要运行工况位于水轮机性能最优区。

2.3 改造方案

目前国内开展水头段低于40m的混流式水轮机转轮的研发较少，因此无法选择已有转轮模型。中国水利水电科学研究院于2011年完成了应用于20～45m水头段的JF36系列（b0=0.365D1）新型水轮机开发研究试验，转轮的模型最优效率突破了94%，达到国内领先水平。本次技术改造选择了中国水利水电科学院提供的两种转轮技改方案，并进行了比较。

方案1：选择JF36系列中的JF3635D型转轮，转轮直径仍为D1＝2300mm，机组的额定转速为166.7r/min。

本方案以水轮机埋入部分几何尺寸为约束条件，将JF3635D的导叶由原高度b0＝0.365D1延长至b0＝0.391D1后作为技改水轮机的导叶，并将JF3635D型转轮上冠和下环流线进口处进行局部修改，使之与导叶相匹配。同时对尾水锥管进口作局部处理，使之与转轮出口相匹配。修改后的水轮机型号命名为JF3920A-LH-230，水轮机流道如图1所示。

对JF3920A-LH-230型水轮机的导叶区、转轮区和尾水管内部进行CFD流场分析，根据CFD分析结果及经验，预估的JF3920A-35水轮机模型综合特性曲线、JF3920A-230运转综合特性曲线如图2所示。技改水轮机的主要性能参数如下：

A.水轮机型号及额定转速

JF3920A-LH-230, n=166.7r/min

B.水轮机最优工况参数

n'10=74.23r/min, Q'10=1.294m3/s

ηmmax=94.34%

C.额定工况参数

H=24m n'1=78.26r/min Q'1=1.678m3/s,

Qr=43.49m3/s ηp=88.5% ηm=88.0%,

σm=0.24 ns=298.5m-kW

水轮机出力：Nr=9.062MW

发电机出力：Ng=8.7MW

（取发电机效率ηg=96%，考虑到尾水管的影响，水轮机原、模型效率修正值Δη=ηp-ηm=0.5%，下同）

D.机组出力达到9MW的最低水头及其工况参数

H=24.79m n'1=77.01r/min

Q'1=1.644m3/s Q=43.3m3/s

ηp=89.0% ηm=88.5% σm=0.225

水轮机出力：Nr=9.375MW

发电机出力：Ng=9.0MW

E.吸出高度

取汽蚀安全系数k=1.4，则额定工况点水轮机要求的吸出高度Hs=+2.0m；H=24.79m、发电机出力为9 M W 时要求的吸出高度Hs=+2.1m。

F.最高飞逸转速

JF3920A型水轮机模型最高单位飞逸转速n'1Rmax=134.6r/min，在最高水头27.5m下，原型水轮机最高飞逸转速nRmax=307r/min。

G.轴向水推力

J F 3 9 2 0 A 型水轮机模型水推力系数K=0.30～0.48，在最高水头27.5m下，原型水轮机最大水推力为538kN。

方案2：选择JF36系列中的JF3633F型转轮作为技改方案，技改机组的额定转速与原转速一致，为187.5r/min。水轮机的型号命名为JF3917-LH-230，水轮机流道简图如图3所示。

同样，对JF3917-LH-230型水轮机的导叶区、转轮区和尾水管内部进行CFD流动分析。根据CFD分析结果及经验，预估的JF3917-35水轮机模型综合特性曲线、JF3917-230运转特性曲线如图4所示。本技改方案水轮机的主要性能参数如下：

A.水轮机型号及额定转速

JF3917-LJ-230 n=187.5r/min

B.水轮机最优工况参数

n'10=82.74r/min Q'10=1.312m3/s

ηmmax=93.49%

C.额定工况参数

H=24m n´1=88.03r/min,

Q'1=1.671m3/s Qr=43.31m3/s,

ηp=88.87% ηm=88.37% σm=0.241

ns=335.8m-kW

水轮机出力：Nr=9.062MW

发电机出力：Ng=8.7MW

（取发电机效率ηg=96%，考虑到尾水管的影响，水轮机原、模型效率修正值Δη=ηp-ηm=0.5%，下同）

D.机组出力达到9MW的最低水头及其工况参数

H=24.72m n'1=86.73r/min,

Q'1=1.6515m3/s Q=43.44m3/s,

ηp=88.97% ηm=88.47% σm=0.24。

水轮机出力：Nr=9.375MW

发电机出力：Ng=9MW

E.吸出高度

取汽蚀安全系数k=1.4，则额定工况点水轮机要求的吸出高度Hs=+1.86m；H=24.72m、发电机出力为9MW时要求的吸出高度Hs=+1.63m。

F.最高飞逸转速

JF3917型水轮机模型最高单位飞逸转速n'1Rmax=165r/min，在最高水头27.5m下，原型水轮机最高飞逸转速nRmax=376.2r/min。

G.轴向水推力

J F 3 9 1 7 型水轮机模型水推力系数K=0.30～0.48，在最高水头27.5m下，原型水轮机最大水推力为538kN。

2.4 方案比较

1）技术手段。方案1：JF3920-LH-230型水轮机是将完整的JF3635D型转轮叶片应用于技改水轮机流道中，并经过CFD分析比较验证而获得。方案2：JF3917-LH-230型水轮机是以JF3633F型转轮叶片为基础，将转轮设计单位转速提高3.5 r/min（设计单位流量不变）后，进行转轮叶片水力优化设计并经CFD分析比较验证而获得。方案1的基础转轮JF3635D，经过完全的CFD分析及模型试验测试验证，性能曲线、数据完整详实，而方案2转轮由原有JF3633F型转轮改进优化设计后，根据CFD分析结果及经验预估，得出相关的性能曲线未经试验验证，因此方案1的技术基础更为坚实。

2）水力性能。在24m额定水头下的机组出力均可以达到8.7MW，在24.8m以上水头下的机组出力均可以达到9MW。两个方案的水轮机均具有很高的效率水平，水轮机主要运行区均位于性能最优区，水轮机转轮均具有较大的空蚀安全裕量。方案1的额定转速低于方案2，在相同水头、相同出力的工况点，方案1的比转速低于方案2。从水轮机效率、空化及水力稳定性等参数方面进行比较，方案1均优于方案2。

3）经济性。由于方案1的额定转速低于方案2，因此方案1的机组造价高于方案2。

经综合比较，选择技改方案1：JF3920-LH-230型水轮机。

3 技术改造效果

水府庙水电站水轮机增效扩容技术改造工作于2012年12月完成，投入实际运行后机组出力有了大幅提高：净水头为23m时，原机组出力约为6.5MW左右，而技改机组出力可达8.3MW，较原机组提高约27.7%。机组振动基本消失，运行稳定性获得明显改善，技术改造取得良好效果。

4 结语

有针对性的机组增效扩容改造，可以有效的解决我国早期建成的许多水电站都存在的水力模型落后、选型不当、设备陈旧、运行效率低、稳定性差等问题。老旧电站的增效扩容改造，可以有效提高机组能量参数指标，减少机组维护工作量和维护成本，合理有效利用水资源，提高发电效益，消除机组存在的安全隐患，保证机组安全稳定运行，具有显著的经济效益和社会效益。

[1]武汉水利水电学院.水轮机[M].北京: 水利电力出版社, 1989.

[2]JF3920A-35型、JF3917-35型水轮机CFD分析结果[R].北京: 中国水利水电科学研究院, 2011.

[3]水府庙水电站增效扩容改造工程初步设计报告[R].长沙: 湖南省水利水电勘测设计总院, 2011.