冗各水电站水轮机选型分析

葛 曦，张 华，黄正财，杨 超，张建勋

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002；2.贵州省农村水电及电气化发展局，贵州 贵阳 550002)

1 概述

冗各水电站位于贵州省黔南布依族苗族自治州罗甸县逢亭镇冗各乡，是蒙江流域的第8级电站，该水电站位于蒙江干流上，其上游梯级为双河口水电站，下游梯级为石门坎水电站，坝址以上流域集水面积5158km2。电站距罗甸县城约30km，距贵阳市约165km。

电站在正常蓄水位495m时的有效库容3440万m3，装机容量为3×30MW，冗各水电站最大水头50.29m，最小水头44.31m，水库具有周调节性能。本电站建成后，在系统中主要担任峰荷、调频作用。

主要建筑物包括混凝土重力坝、泄洪建筑物、隧洞引水建筑物、右岸布置三洞三管三机地下式厂房等。

电站于2016年6月建成首台机发电，设计参数见表1。

表1 电站参数表

2 水轮机选型分析

2.1 额定水头选择

额定水头Hr的选择涉及到水能利用、机组设备投资、水轮机稳定运行、土建投资等多种因素。本电站水头机率统计成果见表2。

表2 水头机率统计表

从表2可以看出，冗各水电站在电能加权平均水头至最大水头间运行频率占的比例较大，大约为60.42%，因此额定水头初步拟定在加权平均水头附近较合理。从机组出力受阻情况来看，额定水头越高，受阻容量越大，本电站是水库调节性能较差(周调节)的中低水头电站，它的最小水头往往由于下游水位的壅高出现在洪水期。如果额定水头选得过高，将会出现洪水期有流量但水头受阻，在枯水期有水头而流量不足，造成全年发不足额定容量的情况，这时额定水头就应该选得低一些，尽量靠近最低水头。加之本电站的水头变幅(5.94m)较小，因此额定水头选为45.5m。

表3 模型转轮基本参数表

2.2 水轮机型式选择

冗各电站的水头运行范围在44.34～50.28m，水头变幅为5.94m，此水头段适合的水轮机型式主要为混流式。由于电站单机容量较小，在招投标过程中，本类型电站主要都是中小型生产企业参与投标，考虑到生产企业的实力和对转轮的开发、运用程度，我们在转轮选型时既要考虑转轮的先进性，又要考虑转轮的成熟性，所选水轮机有大量成功运行的经验，机组参数较优，在确保电站发电效益的同时又能保证电站安全可靠地运行。

在70m左右水头段，中小型水电站国内常用的优秀转轮有A551、A551c、A616、A904a等，其模型参数见表3。从表3可以看出，最优工况HLA551c的单位转速最高，单位流量最大，HLA904a的效率最高。

针对表3中4个转轮，选型计算比较如下：

(1)A551转轮：初选工况点Q1′=1.2m3/s，n1′=83r/min，Q=73.72m3/s，D1=3.02m。n=200r/min，在水头运行范围，计算得n1′=85.1～90.74r/min。因A551转轮的最优运行范围为77～86r/min，在本电站水头运行范围内已偏离了A551转轮的最优运行区域。

(2)A551c转轮：初选工况点Q1′=1.3m3/s，n1′=85r/min，Q=73.33m3/s。D1=2.9m。n=200r/min，在水头运行范围，计算得n1′=81.7～87.2r/min。因A551c转轮的最优运行范围为79～88r/min，在本电站水头运行范围内A551c转轮完全满足要求。

(3)A616转轮：初选工况点Q1′=1.15m3/s，n1′=82r/min，Q=74.11m3/s。D1=3.09m。n=200r/min∶n1′=87.14～92.87r/min。因A616转轮的最优运行范围为75～85r/min，在本电站水头运行范围内偏离了A616转轮的最优运行区域。

(4)A904a转轮：初选工况点Q1′=1.08m3/s，n1′=81r/min，Q=73.33m3/s。D1=3.18m。n=200r/min，在水头运行范围，计算得n1′=89.68～95.33r/min。因A904a转轮的最优运行范围为72～83r/min，在本电站水头运行范围内偏离了A904a转轮的最优运行区域。

通过以上同水头段的转轮的选型分析：冗各电站采用HLA551c-LJ- 288是最合理的，运行工况最优，其运行范围如图1所示。

图1 HLA551C- 35.2模型综合特性曲线(真机D1=2.88m，n=200r/min)

从图1可看出，运行范围涵盖了大部分高效率区，机组选型留有余量，提高功率因数到0.95能连续长期安全运行)，因此我们考虑了在水头H=48.43m以上有11.2%的超发空间，此时功率因数提高到0.95，(在最大水头，功率因数提高到1的时候，可超发17%，在图1中用虚线框表示)，这样在夏季丰水期，用电高峰期，能尽可能地多发电。

冗各水电站的设计尾水位为445.170m，推荐的水轮机吸出高度Hs≥-0.32m。为不影响总体枢纽布置，并留足安全余量(地下式厂房，工程量影响不大)，最终取吸出高度Hs=-4.43m(k=2)，固定导叶高度为2.52m。因此，确定水轮机的安装高程为442.00m。

2.3 水轮机结构型式确定

机组采用立轴布置，轴系为三支点悬式形式，支撑在发电机的推力轴承上。轴系由水轮机主轴、发电机主轴、转子支架等组成。

水轮机进、排水方式：采用包角为345°的金属蜗壳进水，进水方向与厂房x-x轴线垂直，排水为弯肘形，其直锥段和肘管段为金属里衬，水机与发电机为直连型式。

在结构设计中，满足机组性能，选用优质材料，以先进工艺确保各项指标，结构维修方便。水轮机保证在不拆发电机定子、转子和水轮机主轴的情况下，可更换和检修水导轴承、主轴密封及导水机构中的传动件，同时，水轮机导水机构所有零件均能通过电机定子及机坑内径。

2.3.1 转轮与主轴

转轮为铸焊结构，采用ZG00Cr13Ni5Mo，AOD精炼组焊而成，叶片数为13，数控加工成型。转轮上冠止漏形式采用阶梯式密封结构，密封后设有叶片泵，叶片泵起到减小轴向水推力和二次密封作用，经过叶片泵的有压水由钢管排至机组排水管上；转轮下环设有间隙式密封结构。

主轴采用优质锻钢20SiMn材料制作，主轴为带外法兰中空结构形式，作为尾水补气通道，主轴上法兰与电机主轴采用精配螺栓联接和传递扭矩，下端与转轮采用螺栓联接，靠磨擦传递扭矩，上下法兰均为止口定位。机组轴系刚度安全裕度为大于1.25倍飞逸转速。

2.3.2 导水机构部分

导水机构采用内调节式，导叶数为24只，导叶结构为3支点，导叶支承轴套采用自润滑钢背复合材料。导叶选用ZG06Cr13Ni4Mo材料，数控加工成型。导叶立面间隙为金属硬接触密封，端面密封采用间隙金属密封。在额定水头下，新装导叶总漏水量不大余3‰额定流量。导叶具有自关闭趋势的水力矩特性。导叶开口设计时，能满足电站各个工况下要求的开口，其最大开口留有一定裕量。

导叶臂与导叶套筒上设有导叶限位装置，导叶中轴颈密封采用YX形密封，为防止泥沙进入下轴颈设有YX形密封圈以减小对下轴颈的磨损。

顶盖上设有压力排水管道及自流排水孔，同时设置备用补气管口。

顶盖采用整体结构，其过流面设有一定厚度用不锈钢耐磨材料制作的护板及止漏护环，与转轮材质有一定硬度差值。顶盖为钢板焊接结构。

导叶传动机构采用叉头可调式结构。导叶臂上装有导叶限位挡销，当剪断销被剪断时，限位销能够限制导叶的偏摆。

控制环采用钢板焊接结构，控制环的底面装有环向导轨具有自润滑性能的抗磨块，抗磨块采用螺钉连接，可更换。

底环采用整体结构，用螺栓与座环联接。在底环过流面上设有不锈钢材料制作的护板，与转轮下环处设不锈钢止漏环。

2.3.3 油轴承

采用稀油润滑油浸式分块瓦轴承。轴瓦采用8块分块瓦材料为：2SnSb11Cu6锡基轴承合金，轴领下部开有成一定角度径向的通油孔。当主轴旋转时，此孔起着油泵作用。将经过冷却器冷却后的润滑油输送到轴瓦及轴承体空腔内，工作后的热油经轴承体上部油孔和顶部流向冷却器，形成油循环。

2.3.4 主轴密封

主轴密封采用先进的不接触间隙式泵板工作密封和空气围带式停机密封两部分组成。该密封安全、可靠，在电站已得到成功应用。

3 机组试运行情况验证

2016年6月23～26日，冗各水电站进行了3#机72h试运行，根据电站机组72h试运行结果，机组的振动、摆度、轴承温度等均较理想，由于电站蓄水未达到水库正常蓄水位，电站尾水河道尚有弃渣未清理，因此电站在47m水头以下运行占一年72.3%的时段，全年有64.7%的时段运行在机组额定出力的45%以下(即≤13.5MW)，低于混流式机组的稳定运行范围。根据电站运行数据统计，在机组投入商业运行以来，机组各轴承、空冷器、定子绕组和定子铁芯的最高温度见表4，机组各部位的最大振摆度见表5。

表4 机组各部温度最大值 单位：℃

表5 机组各部振摆度最大值

从上述统计数据可以看出，机组各部温升达到规范要求，除个别数据略高规范值外，大部分振摆度值基本达到规范要求。说明机组在合理的运行条件下，是能够稳定运行的，是经得住运行检验的，冗各水电站的水轮机选择HLA551c-LJ- 288是合适的。

4 结语

在中小水电的设计过程中，应更注重转轮的成熟性，不能一味追求更高的性能指标，以便于招标阶段更好更快地采购到满足电站实际运行的转轮为前提。在招标阶段，应对机组主要部件的结构型式、材质进行约定，如转轮、主轴、导水机构、轴承等。即有利于控制设备质量，又有利于投标方在同一个起跑线上报价。从运行情况反馈可以看出，冗各水电站的水轮机选型是合适的，是满足电站实际运行需要的，但是在一些电站投入商业运行初期，为了追求更大的利益，往往在不具备安全稳定运行条件的前提下提前发电，我们应该合理分析，以避免这种情况对机组造成损坏，消除安全隐患。

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