水电站水轮机选择设计实例剖析

郭建伟

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳550001)

水电站水轮机选择设计实例剖析

郭建伟

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳550001)

随着社会经济的发展，水电站作为一项重要的基础设置其建设规模以及建设技术要求在不断的提高。在水电站建设和设计中，水轮机的选择设计是非常重要的组成部分，其合理的选择对于水电站机组的长效运行以及经济效益的高低具有重要的影响。响水水电站水轮机组具有多泥沙的特点，因而在进行水轮机的选择和设计时应该依据这一特征，选择符合响水水电站实际情况的水轮机型号。

电站;水轮机;泥沙;高水头;机型

0 引言

在水电站建设和设计中，水轮机的选择是非常重要的。水轮机的选择设计主要包括对水轮机型号的选择、参数的确定以及其他相关因素的分析和确定等。所以，再进行水轮机的选择设计时，需要综合各个方面的因素，征集各方意见，从多种方案中选择最为合理的方案，不仅满足经济上的要求，还能够对技术上的先进性以及可靠性进行满足。

1 水轮机选型的原则

水轮机选型设计的一般原则如下:

1)选择的水轮机应该具备良好的空蚀性能，并且能够进行稳定运行，在运行过程中保持可靠和安全。

2)在进行水轮机的选择时，应该保证所选择的水轮机的额尺寸不能过大，要保证其结构的合理性，能够对其进行方便运输和安装，并且还需要保证选择的水轮机的先进性，方便及时进行检查和维修。

3)转轮选择比较时，应尽可能选用ns较高的水轮机，这样转速较高，相应的机组尺寸就小，并且使所选的水轮机经常在最优区运行［1］。选择转轮参数时应该使n11值稍高于n10，而且 Q11值应接近于Q11max值。

2 高水头、泥沙多情况下水轮机的选择研究

水轮机在进行正常运行时，如果通过其内部的泥沙量过大，坚硬的泥沙就会对水轮机产生磨损以及不同程度的撞击，导致水轮机产生疲劳现象，如果现象严重还会对水轮机产生严重的损坏。通常把泥沙对水轮机的这种影响称为水轮机的磨损。一旦水轮机发生磨损，其后果是非常严重的，轻则需要对水轮机进行及时的处理和维修，重则需要对水轮机损坏的零件或者是整个水轮机组进行更换。此外，如果水轮机发生磨损现象，还会导致气蚀破坏的加重，导致水轮机的震动过大，从而对水轮机的正常运行产生严重的影响［2］。从上述分析可以得知，泥沙的磨损对于水轮机的影响和破坏是非常大的。

水轮机的选择是一个综合技术经济比较问题，需要全面考虑各种因素，以选定最佳方案，为了改善和减轻水轮机泥砂磨损的危害性，在水轮机选择中，应注意合理选择水轮机的型号及工作参数。

3 案例分析

3.1 工程概况

响水水电站增容工程位于北盘江上游云贵两省边缘的界河上，利用原响水电站大坝取水，引水系统和厂房为新建。新建厂房厂址靠原厂房上游侧布置。工程距贵州省六盘水市92 km，距云南省宣威县城122 km，贵昆铁路分别通过两市，且分别有公路通至电站厂房。

3.2 额定水头初拟

本电站的水头变幅为203.8～222.1 m(上厂址)，根据水文专业提供的电站水头出现概率，对不同水头段的权重系数统计。

将指标权重集A1=[0.666 7,0.333 3]与R1代入公式(3)，由B1,B2,B3可得U(绿色矿山综合评价)对应的模糊评价矩阵R：

通过统计分析可知，在高水头219.8～222.1出现概率为42.09%，权重最大;在电站加权平均水头215.6 m时累计权重为56.62%，其他水头段出现概率较均匀。尽管电站水头变幅绝对值为18.3 m，但相对变幅值仅为8.24%。为了保证大部分水头段机组发足额定输出功率，且留有一定出力裕度，推荐累计权重在80%左右，对应水头208～209 m作为机组额定水头。

3.3 水轮发电机组选型

3.3.1 机组台数比选

本增容工程装机规模经过对120 MW、140 MW、160 MW、180 MW及200 MW5个方案综合技术经济比较，最终确定总装机规模144 MW。可选1台、2台和3台机组3种装机台数方案进行技术经济比较。

通过比较发现，装机3台方案，机组台数多，厂房尺寸大，厂房土建投资高，机电设备总价高;从水机专业出发，电站保证出力58.51MW，2台机方案比3台机方案的能量指标好，即2台机方案在保证出力时运行效率高，能稳定运行，年平均发电量及年运行小时高;而3台机方案单机容量只有48 MW，在保证出力时调度困难。1台方案投资没有明显优势，且从运行调度、零配件互换、大件运输和辅机设备投资等均不利。故结合水工和水文专业的推荐意见，最后共同确定本电站的装机台数为2台。

3.3.2 机型选择

根据国家《“八五”、“九五”大中型水电站机组前期科研工作会议纪要》提出的“八五”、“九五”水轮机制造方面的关键技术科研攻关课题，230 m水头段转轮参数范围为:n1’=64 ～70 r/min，Q1’=590～640 L/s，σm=0.06～0.065，ηmax=92.5～93% 。以上参数针对的是清水河流提出的目标参数。

本电站的水头范围203.8～222.1 m(上厂址)，河流含砂量大，特别在汛期的5—9月，平均含沙量达1.75 kg/m3，形成对机组流道的冲刷和和磨损。230 m水头段转轮参数范围为:n1’=64～70 r/min，Q1'=590～640 L/s，σm=0.06～0.065，ηmax=92.5%～93% 。以上参数针对的是清水河流提出的目标参数。结合本站实际，适当地减小n1’、Q1’值，即增大转轮和导叶分布圆直径，应用高一级水头段的转轮，减小流道内相对流速，这在原响水电站实际运行中证明是成功的［3］。

基于以上理念，本阶段人们着重选择300～400 m水头段转轮作比较，该水头段较优秀的转轮有A351、D54、A542、A543、A550、A520 等，经初步筛选，将A351、D54、A550列入本次比选。A351转轮是从挪威KB公司引进，应用于云南鲁布格水电站，具有长短X型叶片的转轮;D54、A550为普通17片长叶片，在高水头电站也广泛采用。

本次选型也将原响水电站HL120转轮列入比选。

根据分析，A550、120这两种转轮分别适用于250 m和300 m水头段，单位过流量Q1’大，转轮直径小，机组转速高。在泥沙含量低的河流运行有节约投资、减小厂房尺寸的优点，但导水叶和转轮叶片出口流速高。若加大转轮直径，机组运行工况势必向转轮特性曲线的左侧方向移动，在额定出力时机组运行稳定，但在部分负荷运行时振动、气蚀严重。特别是本站保证出力58.5MW，老机组吃不完，新机组只能运行在70% ～80%负荷，加重了机组老化。另一方面，这两个转轮吸出高度低(-9.4～-11.5 m)，厂房开挖量大，所以不宜推荐。

针对以上分析，人们着重对D54、A351两个转轮进行比较。

两个转轮使用的最大水头均为400 m。HLA351转轮是80年代后期鲁布格水电站通过国际招标从挪威KB公司引进，在我国高水头电站得到广泛应用。

根据分析，A351转轮综合技术指标优于D54，经济综合指标比D54节省，模型转轮效率比D54高1.2%;机组转速提高二档，发电机效率估计能提高0.3%～0.5%，在相同水量下每年可多发电600～700万度电，经济效益可观。A351气蚀系数大，机组安装高度低，下一阶段对厂房防洪、尾水泥沙淤积以及厂房施工围堰等问题作深入分析，探讨提高机组安装高度的可能性。综合以上分析，本阶段推荐HLA351作为本站参考转轮。并以此选用其他辅助设备。选定机组的主要参数见表1和表2。

表1 水轮机主要参数

3.4 水轮机安装高程

根据电站的实际运行情况，按一台机的50%额定出力对应流量从下游水位与流量关系曲线中确定设计尾水位。根据水文专业提供的厂址处尾水位与流量关系曲线，该设计尾水位为918.50 m，为留有裕量，选定的水轮机吸出高度为-7.5 m(采用整体不锈钢转轮)，因此，确定水轮机的安装高程为911.18 m。

表2 发电机主要参数

3.5 调保计算

本电站上厂址方案(推荐方案)压力隧洞长4 344 m，隧洞内径5.0 m，隧洞出口设置调压井一座。压力钢管总管直径4.6 m，长度677 m，岔管直径1.85 m，长度为30 m，一管两机。

根据《水力发电厂机电设计规范》(DL/T 5186—2004)，机组不担负调频。本电站的调保计算结果如下:

1)水轮发电机组的GD2≥2 188 tm2;

2)机组一段关闭，直线关闭时间为20 s;

3)机组甩负荷的最大转速升高率为48.5%≤60%;

4)机组甩负荷的最大蜗壳压力绝对值为280.645 m;相对值≤30%。

5)尾水管内的最大真空度为-8 m水柱。

以上计算值均在设计规范内，满足规范要求。

4 结语

经过以上论述，在泥沙多高水头的水电站水轮机选择中，需要全面考虑各种因素，以选定最佳方案。在本工程中主要采用两台HLA351水轮机。在今后的水轮机选择设计中，只有引入新结构、新工艺、新方法、新材料，可有效提高机组综合效率，减轻多泥沙电站的磨蚀，提高高水头电站机组稳定性。

［1］张富钦，史光辉.中小型水轮机的合理选型［J］.东方电机，1994(01):61-66.

［2］赵明，张岩山.新疆拉斯特水电站水轮机选型设计［J］.新疆水利，2007(02):38-40.

［3］罗洪，郭建伟，王泉龙.多泥沙河流高水头水轮机选型研究［J］.人民珠江，2011(05):26-28.

Hydropower Turbine Design Example for Hydropower Station

GUO Jian-wei
(Guizhou Province Water Conservancy ＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Guiyang 550001，China)

With the development of society and economy，the construction scale and construction technical requirements for hydropower station continue to heighten as an important infrastructure.In the construction of the hydropower station and the design，selection and design of hydraulic turbine is a very important part，reasonable choice has important influence on the long-term operation of hydropower station and the level of economic benefits.Xiangshui Hydropower Station is characteristic of much sediment and the selected and designed turbine unit should be one that is in conformity with the actual situation of Xiangshui Hydropower Station.

hydropower station;turbine;sediment;high water head;turbine type

TV734

B

1007-7596(2014)05-0022-03

2013-11-26

郭建伟(1966-)，男，贵州贵阳人，高级工程师，从事水利水电勘察设计工作。