水头变化幅度大条件下水电工程水轮机组选型研究

范欣柯

摘要： 水电工程具有防洪、灌溉、蓄水、发电等功能，是关系国计民生的基础设施。本文结合某的水电工程，根据水电站机组的特点，对两种机组选型方案进行分析，对水轮机组进行选型。

Abstract： Hydropower projects have the functions of flood control， irrigation， water storage and power generation， and are the infrastructure related to national economy and people's livelihood. In this paper， based on a hydropower project， according to the characteristics of hydropower units， the selection of two types of unit is analyzed for turbine unit selection.

关键词： 水电工程；机组；转轮；水头

Key words： hydropower project；unit；runner；water head

中图分类号：TV734.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）02-0104-02

0 引言

随着经济社会的发展，人们对电力需求不断增加。国家大力建设水利工程，水电工程具有发电、防洪、灌溉等功能，水电站的机组选型是水电站建设的重点和难点。水电站的机组直接关系到水电站运行效率和经济效益，因此，水电站建设之前，必须做好充分准备，了解水电站的特点，选择合适的机组，才能确保水电站的投产以后的经济效益。

1 水电站水轮机选型内容

水轮机选型主要内容有确定水轮发电机单机容量和机组台数、水轮机型号、水轮机出力、同步转速、水轮机最大允许吸出高度和高程、飞逸转速、绘制水轮机运转综合特性曲线、水轮机组外形尺寸、重量和价格，根据现有的水力资料上确定下年平均发电量和水头预想出力。

1.1 水轮机组装机容量

水电站装机容量一般考虑到两个因素，一是河流径流大小以及特性、水库调节性能、水电站利用水头等，另外则是水电站的供电范围、电力系统的负荷发展规模等。机组容量应该要满足最小下泄流量的容量。水电站的装机容量公式为：N=gQHη，其中g表示水电站机组所在地的重力加速度、Q表示水电站发电引用流量、H表示水轮机运行水头、η表示水轮机发电机组的效率。

1.2 水轮机组数量

水电站水轮机组数量则根据水电站的实际情况进行设置。如果水电站的水头变化幅度小，水电站就设置在大坝附近或者大坝处就有泄水闸门，则按照最少的机组台数设置，要就是1组。如果水电站的下泄流量比较大、水头变化幅度大，机组运行的灵活性比较差，所以选择卧式机组，机组按照2台设置。

1.3 额定水头和水轮机转轮直径和转速选择

水轮机在水电站整个水头运行范围内都必须保证恒定的下泄流量，根据水电站的实际情况核算流量值。水轮机按照常规水电站那样设置额定水头。具体根据水电站的实际运行水头变化进行选择。如果水头变化幅度比较小，那么水电站加权平均水头的90%-95%作为额定水头，选择水轮机的转轮直径和转速，并确定最大水头和最小水头流量是否满足水电站的运行流量要求。如果最大、最小水头下泄流量无法满足水电站的运行要求，那么则适当增加导叶开度。机组对水轮机的要求比较高，水轮机组必须在任何工况下，过流量保持恒定并保持不停机状态。所以水轮对机组在选择的时候，要确保机组的稳定性能，确保水轮机参数处于最佳效率区。运行水头变化幅度比较大的水电组，主要从两个方面考虑，第一个是水电组的经济效益出发，在水电站高水头段和低水头段分别安装两个转轮，水头频率出现比较高的水头段选择转轮参数，出现几率小的水头段则限制水轮机的运行工况，通过其他泄水方式下泄水电站所需的水流量。另外一个方面就是从水电站流量、最小水头的水轮机出力情况、最小水头流量，计算选择水轮机转轮直径，然后根据水轮机转轮的直径、最大水头以及水电站流量。

2 水轮机组选型基本原则

水轮机组选型必须遵循以下原则：第一，水轮机必须在满足水电工程出力要求和水电站工作运行参数，选择合适的尺寸和型号，不会出现比较大的振动和噪音。第二，缩短建设、安装周期，选择设备的时候要考虑到水库初期蓄水低水头的情况，尤其是一些大的水电站。第三，水电站机组必须具有良好的适应能力，能够适应自然环境。比如在多沙流于的水电站机组必须有良好的抗磨性，在腐蚀性比较高的河道水轮机过流部位防腐蚀性能必须好。第四，水轮机组结构便于现场安装。第五，水轮机组必须符合水电站计算机监控和无人值守或者少人值守的相关要求。第六，水轮机组技术必须符合现场水电站的水文条件，并适合电力系统布置等要求，从而确保机组有足够的运行效率。现代水轮机组选型最高效率必须达到94%，预想运行效率应该达到88%以上。

3 工程概况

某水电站采用混合开发模式，电站装机容量3×140MW，水库坝址位于河口下游1.2km，正常蓄水水位是2133m，最低水位为2063m，正常蓄水位以下库容量为5.346亿m3，调节库容量为4.43亿m3。

通过计算得出，该水电站的机组的装机容量：1×5MW，枯水期的年枯期平均出力：4.61MW，最大水头：133.68m，最小水头63.68m，额定水头：115m，全年加权平均水头：116.29m，多年平均年发电量：4230.71万kW·h，机组装年利用小时数：7422h。

该水电站水轮机水头的变化幅度比较大，按照运行要求，最大水头：133.68m，最小水头63.68m，额定水头：115m，水头变化最大幅度为70m，最大水头与额定水头比为：1.162，最大水头与最小水頭比为2.099。这对水轮机的稳定性非常高，近年来我国水电站投运的国内外著名制造厂商研制大幅度水轮机和水泵水轮机都发生了不同程度的振动和转轮叶片裂纹，有的甚至与厂房建筑物发生共振，影响到水电站的安全和稳定性。所以在选型时，要确保水轮机和水泵水轮机的安全性和稳定。endprint

3.1 水轮机组选型

按照水电站的特点，水库恒定流量为5.2m3/s，水头变化从63.8m到133.68m，机组的出力是水头的线性函数。假设水电站的发电机运行效率为93%，那么水轮机组的发电效率是89%，那么机组的出力变化则是从2688kW到5644kW，其具体运行变化图如图1。

发电机组的机组型号为SFW5000-8/2150，机组功率变化范围在2688kW-5644kW，根据上述发电机组运行效率图可以看出，发电机组40%在额定荷载上，运行效率比较高，按照2688/5000=53.76%，发电机组最低运行效率在53.67%，所以发电机组的运行效率比较高。按照这一特点，所以本水电站的机组的研究重点在于是否能确保水轮发电机在较大水头变化情况下，依然保持运行的稳定性，是否会出现振动、汽蚀，影响到水电站的安全，转轮是否能满足这么大的运行区间，根据这一情况，设计了两种机组选型方案。

3.2 水电站水轮机机组选择方案一

按照水电站的库区变化情况，从1月份到7月份中旬，水头变化范围在63.68m到102m，7月到第二年的1月，水头变化范围在102m到133.68m，那么这两个水头段的高水頭选择HLA575C-WJ-98，低水头段选择的型号为HLA788-WJ-83。为了提高水轮机运行效率，对选出的HLA575C-WJ-98的转轮进行了结构处理，从而实现了两个转轮的互换。

每年7月到HLA575C-WJ-98转轮，第二年1月的时候，HLA788-WJ-83转轮。更换转轮的时候，同时更换尾水接管，其余部件则于原来的水轮机通用，卧式机组更换比较方便，只需要半天时间。这种机组运行方案的优点是不需要增加配套费用，仅需增加HLA788-WJ-83转轮和配套的尾水管，但是增加了3个月的发电时间，两个转轮在最佳区间运行，发电效率比较高，转轮的汽蚀控制比较好。但是这种运行方式的缺点是每年7月份到第二年1月的时候需要更换水轮机和尾管，这个过程中比较复杂，但是总体方案的经济性比较高，水轮机的运行效率比较好。但是在实践过程中，其实每年需要更换两次转轮，所以更换工作比较复杂。

3.3 第二种水轮机选型方案

这种方案选择一个运行范围比较宽的转轮HLA194-WJ-90，但是考虑到出力限制性的影响，73m水头以下，转轮的运行效率不高，水头降低，容易引发转轮振动、汽蚀，水头越低，则产生的副作用越明显，这样容易影响到机组的运行。因此，低于73m的水头不适宜机组运行。

这种方案不需要拆换转轮，但是水轮机运行效率比较低，水头低于73m不能运行，所以每年损失了3个月的发电时间和发电量。

3.4 结论

通过分析对比两种方案，考虑到机组运行效率，适合选择第一种方案，高水头选择HLA575C-WJ-98，低水头段选择的型号为HLA788-WJ-83，这两个转轮的稳定性好、压力脉动小、更换成本低，只需要更换转轮和尾管即可，不会增加其他配套费用，每年增加3个月的发电时间，经济效益比较好。

4 结束语

发电站机组选型的时候，要考虑到水电站的实际情况，选择与水电站参数比较匹配的型号，机组的运行范围比较广，所以选型的时候必须进行有效的控制。上述两个机组选型方案在技术上都是可行的，但是考虑到实际运行成本和经济效益，使用了第一种运行方案。

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