敦化抽水蓄能电站水轮机选型设计

王飞龙

（江西省水利水电建设有限公司 江西 南昌 330025）

1 工程概况

敦化抽水蓄能电站位于吉林省敦化市北部，与黑龙江省海林市交界。电站距长春市直线距离220km，距敦化市公路里程111km，距吉林市公路里程280km，距敦包500kV线路敦化变电站70km。电站装机容量1400Mw，为一等工程，大（Ⅰ）型规模。枢纽工程由上水库、下水库、水道系统、地下厂房系统和地面GIS开关站等部分组成。

敦化抽水蓄能电站上、下水库为抽水蓄能电站专用水库，无其他综合利用要求。吉林敦化抽水蓄能电站主要承担系统调峰填谷、调频、调相、事故备用及黑启动等任务，并可根据系统需求配合风电运行，维护电网安全稳定运行。

2 水轮机型式比选

2.1 选型设计中关键参数的选择

（1）转轮直径D1的选择

转轮直径D1可以通过下式求得：

式中：Pr——水轮机额定出力；Q11——单位流量；H——工作水头；η——水轮机效率；

在进行转轮直径设计与计算时，对原型水轮机效率仍然未知，可以先求得设计工况点模型效率作为转轮直径，而后按照莫迪公式进行修正。（相关数据及计算结果详见2.3转轮模型的选择）

（2）转速n的选择

水轮机转速的选择首先必须考虑转速与转轮机组尺寸的关系，因为提高转速可以减少机组的尺寸，并且降低其造价；其次必须考虑转速提高会加大转轮内的流速，使空气性能变坏，根据经验，转速的合理范围应为38 r/min～142 r/min，此外必须考虑转速增大时转轮的离心力会增大等情况。

水轮机的转轮直径与转速两个变量之间密切联系，在实际的水轮机设计与选型过程中需要反复计算。

（3）水轮机实际工作范围的检验

通过上述两步确定了水轮机转轮直径和转速的基础上，可以根据换算公式，计算各特征水头所对应的单位转速，公式如下：

计算出相应结果之后，将最大水头Hmax和最小水头Hmin所对应的单位转速之间的范围绘制在模型特性曲线上，并且使加权平均水头所对应的转速尽可能接近最优单位转速，本工程加权平均水头所对应的转速与最优单位转速之间偏离较少，说明所选水轮机转轮直径与转速的取值较为合理。

2.2 装置型式的选择

本电站运行水头15.5m～18.5m，属20m水头段，可选用灯泡贯流式水轮机组或轴流式水轮机组。这两种装置型式在国内低水头水电站中均有广泛和成熟的应用，两机组形式相比较具有如下特点：

表1 轴流定桨水轮机主要参数表

图1 JP502转轮（Φ=0°）模型综合特性曲线

表2 方案比较表

（1）贯流式的水流条件好，同样过流面积时，贯流式水流通过容易，单位流量大，无蜗壳和肘形尾水管，流道水力损失小，运行效率比轴流式高。

（2）贯流式水轮机为了满足安装高程的要求，需从引水室入口至尾水管全部开挖到相应深度；而轴流式只需对尾水管部分进行深开挖，因此，贯流式机组的土建开挖量一般较轴流式大。

（3）灯泡贯流式水轮发电机组全部处于水下，要求有严密的封闭结构及良好的通风防潮措施，维护、检修较困难；而轴流式机组安装、检修技术成熟，维护管理方便。

通过上述比较可知，灯泡贯流式水轮机组水力条件好，但机组结构较轴流式复杂，因此考虑本电站建成后的运行、管理和维护，推荐采用轴流式水轮机组。

轴流式水轮机分为转桨式和定桨式。转桨式水轮机的转轮内有一套叶片转动操作机构叶片相对转轮体可以转动，在运行中可根据不同负荷和水头进行调节，获得较高的水力效率和稳定运行的特性，较适用于水头变化较大出力变化较大的电站。本电站水头变化幅度不大，选用轴流定桨式水轮机具有结构简单、安装检修方便的优点。

综上所述，本站推荐选用轴流定桨式水轮发电机组。

2.3 转轮模型的选择

根据国内现有的中小型轴流定桨式水轮机性能表可知，适合该站使用模型转轮主要有JP401和JP502两种，主要参数如表1。从表1可知两水力模型总体性能良好，虽然方案一的空化系数较方案二稍大，但考虑到机组安装高程应留有足够安全裕量，防止机组翼型出现严重空化现象的发生，认为两方案站房开挖工程量基本相等。由于JP502模型的最优工况点效率较JP401模型约高出2%，因此本阶段推荐选用JP502轴流定桨水轮机模型，其综合特性曲线如图1。

2.4 机组台数选择

机组台数的选择将直接影响到电站的动能经济指标与运行的灵活性、可靠性因此，本站确定机组台数时主要考虑机组台数对工程建设费用、运行效率及运行维护等方面的因素。针对本电站总装机规模，选用JP502模型转轮换算成2台、3台和4台机组方案进行经济比较，即通过分析2.4Mw×2、1.6×3Mw、1.2×4Mw三种方案，各方案的特征参数见表2。

图2 JP502转轮（Φ=0°）模型工作区域图

表3 水轮发电机组主要参数

从上表可以看出，2台机方案时，机组额定流量为21.5m3/s，不仅运行、检修欠灵活，而且枯水期时单机不能保证发40%额定出力的要求，若机组长期低负荷运行容易引起空蚀振动等，使水轮机转轮等部件受损，降低使用寿命，减少电站收益；4台机方案可以充分利用枯水月份流量，机组能够保证在枯水期时也较安全稳定运行，但厂房长度较长，机组设备总造价较高；3台机方案时，厂房尺寸及设备总造价适中，枯水期时机组也能够满足安全稳定运行。考虑本电站土建与机电设备制造、运输、安装、运行、操作、控制、检修与维护的灵活性与经济性，综合比较后确定机组台数为3台，则水轮发电机组的主要参数见表3，水轮机工作范围如图2。

3 水轮机选型计算通用程序设计

当前设计人员仍然依靠模型特性曲线进行水轮机机组的选型，而收集资料绘制模型特性曲线本身也是一个不断积累和改进的过程，而不同电站所需的机型不尽相同，所以很难建立起一个有关水轮机模型特性数据库以便选择。可以考虑将重复的选型设计计算过程通过计算机编程来完成，以避免复杂繁琐的计算，亦可以提高设计效率，提高选型工作质量。

3.1 选择设计工况点

在设计工况点时，先计算转轮直径D1和转速n，再计算吸出高度、安装高程，根据计算结果判断是否需要调整上述设计工况点，如需调整则应调用循环模块重新计算。

3.2 转轮直径和转速的圆整

根据公式计算的转轮直径D1和转速n不能与实际偏离太多，计算出的这两个参数取值必须保证设计工况出力与额定出力以及水轮机运行范围在合理范围内。而这个圆整的过程只需设计一个局部循环程序即可实现。

3.3 水轮机效率的修正

在效率修正程序的设计过程中，应该选择相应的效率修正系数，进行修正值的计算，进而可以根据修正值的大小去判断水轮机的效率是否合理，如不合理应回过头来进行复核。

4 结语

本文结合敦化抽水蓄能电站实际情况，抓住影响水轮机选型设计的三大核心要素，即装置型式、转轮模型及机组台数，依据水轮机模型特性曲线，重在进行水轮机选型关键参数的设计与选择，进而确定了本站宜选用轴流定桨式水轮发电机组，选用JP502轴流定桨水轮机模型，机组台数为3台。基于上述分析，可以将重复的选型设计计算过程通过计算机编程来完成，以避免复杂繁琐的计算，从而提高设计效率，提高选型工作质量。但是受到笔者的研究领域与知识等的限制，对这一部分尚未进行较为透彻的分析研究，以期起到抛砖引玉之作用。陕西水利

[1]王永泽.浅析中小型反击式水轮机选型设计[J].水电站设计.2010,（3）:50-54.

[2]端润生.抽水蓄能电站建设及可逆式水泵水轮机的若干技术问题 [J].水力发电.2012,（12）:47-50.

[3]戴然.白山抽水蓄能电站水泵水轮机设计[J].水利水电技术.2008,（6）:25-27.