大渡河安谷水电站水轮机选型设计

吕 勤 川， 何 仕 明

(1.四川省水利水电勘测设计研究院，四川 成都 610072；2.中国水电建设集团圣达水电有限公司，四川 乐山 614013)

1 工程概述

安谷水电站工程是大渡河干流水电梯级开发中的最后一级，坝址位于乐山安谷河段的生姜坡，距上游沙湾水电站约35 km，下游距乐山市区约15 km，有省道S103从枢纽区左岸通过，对外交通较方便。

安谷水电站的开发任务为发电、防洪、航运、灌溉和供水等。电站装机容量为772 MW，正常蓄水位高程398 m，正常蓄水位以下库容为6 330万m3。其中大机组4×190 MW，额定水头33 m，设计引用流量2 576 m3/s，年利用小时数为4 023 h，多年平均发电量为30.58亿kW·h，保证出力193 MW；小机组1×12 MW，额定水头21 m，设计引用流量为64.9 m3/s，年利用小时数为7 235 h，多年平均发电量为0.87亿kW·h，保证出力10 MW。电站采用一级混合开发方式，即建坝壅水高20 m，河床式厂房，厂后接长约9 450 m的尾水渠，尾水渠利用落差15.5 m。

2 电站基本设计参数

(1)上游水位。

正常蓄水位高程 398 m

发电限制水位高程 397 m

设计洪水位高程 395.35 m

校核洪水位高程 397.55 m

(2)电站水头。

最大水头 36.23 m

最小水头 31.14 m

额定水头 33 m

年加权平均水头 34.27 m

(3)下游水位。

最低尾水位高程 361.18 m(Q=644 m3/s)

正常尾水位高程 363.82 m(Q=4×644 m3/s)

设计洪水位高程 380.84 m

校核洪水位高程 381.65 m

(4)动能参数。

多年平均发电量 31.98亿kW·h

年利用小时 4 023 h

保证出力 193 MW

(5)泥 沙。

多年平均含沙量 0.25 kg/m3

汛期多年平均含沙量 0.726 kg/m3

泥沙级配见表1。

平均粒径为0.012 9 mm。

莫氏硬度大于、等于5的硬矿物主要为石英、长石、角闪石，各粒径组硬矿物含量为33%～72%。各粒径组硬矿物组成情况见表2。

(6)水 质。

表1 泥沙级配表

pH值 8.23～8.49

表2 各粒径组硬矿物组成情况表

悬浮物 8.23～8.49 g/L

硫化物 0.008～0.45 mg/L

有机物 0.063～0.105 mg/L

(7)气 温。

多年平均气温 17.1 ℃

极端最高气温 36.8 ℃(1988年5月3日)

极端最低气温 -2.9 ℃

3 机组台数和单机容量选择

拟定装机3台、4台、5台机三个方案进行机组台数比较，单机容量分别为253 MW、190 MW、152 MW。机组台数采用ZZD345E转轮进行比较。从机组台数初步比较表(表3)中可以看出：三个方案中的水轮机转轮直径分别为10 m、8.8 m、7.8 m，技术上三个方案均可行，水轮机制造难度相当；3台机方案，发电机单机容量达到253 MW。目前国内轴流转桨式机组中最大单机容量的电站为水口电站，单机容量为200 MW，3台机方案发电机推力轴承的负荷较大，推力轴承和发电机制造具有一定难度，故不推荐3台机方案。从经济上考虑，4台机方案机组总重量比3台机方案机组总重量增加了1 195 t，5台机机组总重量比4台机方案机组总重量增加了584 t，工程总投资4台机方案比3台机方案多5 904万元，5台机方案比4台机方案多8 067万元，多年平均发电量4台机方案比3台机方案多1 167万kW·h，5台机方案比4台机方案多432万kW·h。从技术经济比较看，4台机方案明显优于5台机方案，同时，考虑到安谷水电站上游的沙湾、铜街子水电站的装机台数均为4台，按照上下游梯级电站协调同步运行要求，安谷水电站推荐4台机方案。

4 额定水头的选择

根据水能计算成果，尾水渠机组最大水头为36.23 m，最小水头为31.14 m，年加权平均水头为34.27 m，汛期加权平均水头为33.6 m。

该电站受阻主要在7～10月四个月。结合汛期水头分布情况，本着控制电站受阻时间、减少电站引用流量，从而节约尾水渠工程量和投资的原则，按水头保证率在75%～95%之间拟定了32 m、33 m、34 m三个额定水头方案进行比较(表4)。

表3 机组台数比较表

表4 额定水头比较表

由表4可见，额定水头由34 m降到33 m，电站年发电量增加1 057万kW·h，投资增加1 584万元，增加单位电能投资1.499元/ kW·h，低于基本方案的单位电能投资，说明额定水头由34 m降到33 m是经济的；额定水头由33 m降到32 m，电站年发电量仅增加718万kW·h，投资增加2 453万元，增加单位电能投资达3.416元/ kW·h,高于基本方案的单位电能投资，说明额定水头不宜再降低。因此，安谷水电站额定水头选定为33 m。

5 机组机型的选择

根据安谷水电站的运行水头范围，安谷水电站可以选择轴流转桨式水轮机和混流式水轮机。目前，50 m水头段比较典型的混流式水轮机A551C转轮(用于柘林电站)限制工况单位流量为1 420 L/s，最优单位转速为83.5 r/min，而轴流转桨式D345E水轮机(用于万安扩机和沙湾电站)限制工况单位流量为1 800 L/s，最优单位转速为125 r/min。两模型转轮比较情况见表5，真机比较情况见表6。从表中可以看出：A551C混流式水轮机相比轴流转桨式D345E水轮机过机单位流量偏小，最优单位转速偏低，4台机组总重量比转桨式重6 592 t，机组造价和土建投资偏大，故该电站推荐选用轴流转桨式水轮机。

表5 模型转轮比较表

表6 真机机型比较表

6 水轮机主要参数的确定

表7为上海伏伊特西门子水电设备有限公司(以下简称VOITH)、东方电气集团东方电机有限公司(以下简称东方电机)、哈尔滨电机厂有限责任公司(以下简称哈电)及浙江富春江水电设备有限公司(以下简称浙富)设计的安谷水电站水轮发电机组设计制造技术交流方案。

(1)额定转速的选择。

从各制造厂的方案看，所推荐的安谷水电站水轮发电机组的同步转速均为88.2 r/min。东方电机、哈电和浙富认为同步转速88.2 r/min是稳妥、先进的；VOITH认为安谷水电站水轮发电机组的同步转速可以适当提高，结合发电机出口电压的选取，发电机出口电压如选取15.75 kV，同步转速将提高到90.9 r/min较优，比转速ns=506 m·kW，比速系数K=2 907。

推荐安谷水电站水轮发电机组的同步转速为88.2 r/min，则比转速ns=491 m·kW，比速系数K=2 821。

(2)额定点单位流量和最优单位流量的合理范围。

表7 安谷水电站主机厂方案比较表

额定点单位流量的选择应考虑水轮机空化性能及泥沙磨损性能，由于额定水头较高，空化安全系数对吸出高度影响较大，根据经验，空化安全系数应取1.1左右，故暂定安谷水电站水轮机安装高程(桨叶中心)为351.38 m，额定点吸出高度为-9.8 m，电站空化系数约为0.588，故额定点临界空化系数应为0.535左右，相应额定点单位流量应为1.5 m3/s量级，兼顾各种负荷的性能，最优单位流量应为1 m3/s量级。从水轮机额定单位转速的选择观点看，对于各个水头段的可使用转轮，其模型最优单位转速变化不大，5叶片转轮最优单位转速一般为130 r/min左右，6叶片转轮最优单位转速一般为120 r/min左右。在模型水力参数一定的情况下，可以通过选择不同的真机转速来获得不同的比转速，从对稳定性要求出发，要控制最高水头对应的单位转速不小于0.9倍最优单位转速，如需要使用高比转速，可以选择最高水头对应的单位转速大于最优单位转速(这种方式已经在许多电站采用)，但要注意最低水头下单位转速不要偏离最优单位转速太远，一般认为，1.5倍最优单位转速以下的区域尾水管压力脉动指标较好，单位转速过高的运行区尾水管压力脉动急剧增大。

(3)转轮桨叶数的选择。

近十年来，已投运的或正在建设的轴流转桨式电站的实际情况表明：桨叶数为5片的转轮可以应用到40 m水头范围，根据水头的高低配以不同的轮毂比，完全能够满足强度、空化和稳定性的要求。已设计制造的、与安谷水电站机组水头接近的机组有高坝洲(Hmax=40 m)、铜街子(Hmax=39.5 m)均采用5叶片，运行良好。安谷水电站Hmax=36.23 m，采用5叶片转轮是完全可行的。

对于37 m水头段轴流转桨式水轮机，采用5叶片或6叶片轴流转桨式转轮，水轮机的效率、空化、单位转速及单位流量均可获得较好水平。

从各制造厂推荐的方案看：VOITH、东方电机和哈电推荐5叶片转轮，浙富推荐6叶片转轮。对于37 m水头段轴流转桨式水轮机，采用5叶片或6叶片轴流转桨式转轮，水轮机的效率、空化、单位转速及单位流量均可获得较好水平。

笔者建议在招标文件中对安谷水电站水轮机转轮使用5叶片或6叶片不作限制。

(4)水轮机安装高程的确定。

水轮机的安装高程将直接影响土建的开挖量、混凝土工程量和运行水轮机的汽蚀。特别是对于大型轴流转桨式水轮机，合理确定水轮机的吸出高度Hs和设计尾水位尤其重要。

吸出高度Hs=10-363.18/900-KσσcH。取临界空化系数σc=0.47，Ko=1.3，Hr=33，Hs=-10.56 m。从各制造厂推荐的方案看，要求Ko=σp/σc大于1.3，水轮机额定工况点的吸出高度要大于各主机厂提出的-9.8 m，推荐水轮机额定工况点的吸出高度Hs为-10.8 m。

按照水电站机电设计手册，装设四台机的电站按一台机的水轮机过机流量确定设计尾水位。安谷水电站一台机的水轮机额定流量为644 m3/s ，对应下游水位高程为361.18 m，以该水位确定的机组安装高程为350.38 m。对于低水头轴流转桨式机组，以此水位作为确定安装高程的设计尾水位过于保守。

安谷水电站机组空蚀最不利的工况为额定工况。机组额定水头33 m，电站上游发电限制水位高程397 m，电站水头损失为0.82 m，确定安装高程的设计尾水位为高程397-0.82-33=363.18(m)(相当于四台机满发时的尾水位)，将水轮机安装高程(桨叶中心)最终确定为352.38 m，较按水电站机电设计手册确定的安装高程提高了2 m，因此而减少了大量的土建工程量。

(5)蜗壳形式的选择。

推荐采用蜗壳包角在210°～220°范围内可以使蜗形部分流速分布均匀并具有合理的流速系数。蜗壳断面采用T型，可以使蜗壳断面中的流速分布比较均匀。如果采用Г型蜗壳，则由于蜗壳断面下伸太大，使断面中、上部流速大，下部流速小，存在很大的流速差，水力损失大。

7 结 语

合理选择水轮机参数对机组和电站的安全运行至关重要。笔者对水轮机的参数选择进行了综合论证，提出了较为合理的水轮机设计参数，为安谷水电站水轮发电机组安全、稳定、高效运行奠定了基础。现安谷水电站机组已全部投产发电，机组运行稳定、可靠。其水轮机安装高程的确定方法对低水头轴流转桨式机组具有广泛的借鉴意义。