平寨水库电站水轮机选型设计及结构特点分析

杨 超，葛 曦

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

惠水县平寨水库所在河流坝王河，属珠江流域红水河水系蒙江的一级支流。水库工程位于坝王河中上游河段，坝址位于惠水县雅水镇打白寨附近。工程规模为中型，正常蓄水位1067m，相应库容7170万m3，校核洪水位1070.2m，死水位1021m，水库有效库容6557万m3，总库容0.7978亿m3。工程主要任务是解决惠水、平塘、罗甸3县7个乡镇共13.63万集镇人口、9.28万农村人口及9.28万头大小牲畜的人畜饮水问题，并提供136733亩灌溉面积的灌溉用水及边阳工业园区的供水，同时兼顾发电。

电站所有建筑物均布置于右岸，总布置形式为：取水口→引水隧洞→压力钢管→发电厂房。电站最大净水头75.99m，加权平均净水头74.3m，最小净水头33.9m，装机容量3200kW，多年平均发电量974万kW·h。

2 水轮机选型设计

2.1 机组台数选择

机组台数的选择原则主要考虑机组的运行稳定性和运行维护管理、机电设备和厂房土建工程量等因素。电站装机容量为3200kW，保证出力为304kW，电站引用流量为5.53m3/s，水库下放环境水流量为0.591m3/s。综合考虑电站机组的运行维护管理、机电设备和厂房土建工程量等因素[1- 2]，可选用2台或3台的装机方案进行技术经济比较，见表1。

表1 不同机组台数方案设备投资比较表

从表1可知，方案1比方案2投资节省382.8万元。虽然方案2装机台数多，有750kW小机组，便于机组日常灵活组合和枯水期发电[3]。但据水文专业统计分析，电站在出力为304～720kW(方案1单机保证出力)之间发电的几率仅占年平均发电量的5.7%，即方案1比方案2每年少发约60万kW·h，折合人民币13万元，仅占方案1比方案2投资节省额的4.1%。此外，方案2比方案1的检修、运行维护工作量大[4]。因此推荐方案1，即装机方案为2×1600kW。

2.2 水轮机额定水头选择

平寨水库附属电站水库校核水位为1070.2m，正常蓄水位为1067m，死水位为1021m，电站水头运行范围33.90～75.99m，水头变幅42.09m。按规范要求，对于中高水头的水轮机，其额定水头宜在加权平均水头的0.95～1倍范围内选定[5- 6]。电站水头几率，见表2。

表2 电站水头几率统计表

从表2可以看出，电站最大水头为75.99m，加权平均水头为74.30m，最小水头为33.90m，水头变幅很大为Hmax/Hmin=75.99/33.90=2.24，水轮机的运行很难兼顾整个水头段[7]。根据目前国内外已运行的稳定性较好的水电站水轮机运行水头统计规律：最大水头与最小水头的比值小于1.5，另最大水头与设计水头的比值在1.07～1.1之间，最小水头与设计水头的比值大于或等于0.65。因此，确定水轮机最小运行水头为51.0m，从平寨水库附属电站实际情况可以看出，当水头在51.0～75.99m之间时，出现几率为97.7%，此水头段能保证机组正常稳定运行。

电站出力和水头关系几率统计成果表明：电站出力集中在60%额定出力及以下，占到了74.5%，且该项数据中，50m水头以上能发足60%额定出力及以下为72.2%，全出力段为97.7%。33.9～51.0m之间占的出力比例较小，如另装低水头机组发电不经济。从工程任务来说，虽然主要功能供水与灌溉，但库容较大，具有一定发电调蓄能力[8]。因此，在实际运行过程中，可对电站运行方式进行合理调节，以适应合适的水头段与出力段。

因此，水轮机额定运行水头设置为71.0m，最小运行水头设置为51.0m。即水头在51.0～75.99m之间时，机组正常发电，而水头在33.9～51.0m之间时，机组停机不发电，通过水库把低水头段的能量蓄积起来，待水量充足时且机组在运行水头范围内才开机发电，确保能量不流失。

2.3 水轮机机型选择

水库正常蓄水位为1065m，水头运行范围为51.0～75.99m，水头变幅为24.99m，此水头段适合的水轮机型式为混流式。电站可选机型有HLA678、HLA696、HLA384等几种模型转轮，其模型转轮主要技术参数，见表3。

在机组选型计算过程中，选择HLA678-WJ-74(方案1)、HLA696-WJ-61(方案2)和HLA384-WJ-63(方案3)，3种方案从机组稳定性、能量指标、气蚀性能、运行工况、额定转速以及厂房尺寸等方面进行优化比选[9]，计算成果为：

(1)效率：HLA696机型的模型最高效率93.79%、原型最高效率91.79%。水轮机额定效率91.2%、最大水头时效率91.5%、最小水头时效率90%。在3个选型方案中HLA696机型效率是最高；HLA678机型效率次之；HLA384机型效率较低。

(2)空蚀性能：HL696和HL678空化系数均为0.08，吸出高度均为+2.2m，抗空蚀性能较好。HLA384最大空化系数高0.096，吸出高度为+1.5m，抗空蚀性能较差。

表3 水轮机模型转轮技术参数比较表

图1 HLA696-WJ-61水轮机模型特性曲线及运行范围图

(3)能量指标方面：3个方案中HLA696转轮直径最小为0.61m、额定转速1000r/min；HLA384转轮直径次之为0.63m、额定转速1000r/min；HLA678转轮直径最大为0.74m、额定转速750r/min。

此外，综合考虑到电站设备及土建工程量、电站运行维护管理等因素。方案1机组尺寸较大，增加厂房土建投资。方案2造价和方案3基本相当，但方案2比方案3水轮机抗空蚀性能和运行范围均较好。因此，推荐HLA696-WJ-61为代表机型，其真机参数为：转轮直径0.61m，额定出力1633kW，额定水头71.0m，额定流量2.6m3/s，额定转速1000r/min，额定工况效率92.5%，吸出高度+2m。HLA696运行工况处于高效率区的范围较广，如图1所示。

3 水轮机结构特点

水轮机转轮采用铸焊结构，上冠、叶片、下环材料为ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢。为了减少机组容积损失和轴向力，在转轮的上冠设有梳齿型密封，下环设有间隙式密封。在转轮上冠上平面与前盖之间设置有足够的间隙，以满足机组轴向串动，转轮和主轴采用法兰联接键传递扭矩。转轮表面粗糙度满足Ra3.2的要求，流道尺寸型线及流道表面粗糙度应符合GB/T10969《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机通流部件技术条件》的要求，过流表面应光滑，呈流线型，无裂纹或凹凸不平等缺陷。

水轮机导水机构设有16个导叶，材料为ZG230- 450铸钢，导叶轴套采用钢背复合自润滑轴承，有自润滑功能，轴套前设有O型密封圈。导叶漏水量在额定水头下，新导叶漏水量不大于额定流量的3‰。导叶的设计应使从全开度位置至空载附近开度位置范围内，导叶的水力矩特性具有自关闭趋势。最大开口留有一定的裕量，当剪断销剪断，导叶应不会碰撞转轮。导叶装有剪断销信号装置，当剪断销破断时，能自动报警。导叶装有保护装置，该装置应能在导叶剪断销剪断后不产生摆动和不稳定运动，不碰撞相邻导叶。导叶限位保护装置装于导叶拐臂处。

蜗壳采用345°的金属蜗壳，蜗壳采用Q235钢板焊制，具有足够的刚度和强度能承受106.5m水压力。全部焊缝按GB8564《水轮发电机组安装技术规范》的要求进行无损探伤检查，探伤按国家标准执行。座环采用ZG230-450焊接结构。蜗壳底部设有Φ50排水阀。上部设有放气阀。蜗壳进口应装有测量进口水压的压力表及压力变送器。

尾水管为弯后直锥形尾水管，尾水管内设有补气管。尾水管材质应能适应当地气温变化，尾水管厚度不能低于10mm。水轮机主轴密封采用甩水环等密封方式进行密封。前、后盖板采用铸件ZG230-450，应具有足够强度和刚度。前、后盖板上塞焊厚度不小于6mm的不锈钢抗磨板。水轮机主要部件上设有吊环螺栓、吊耳、吊环等以便吊装。导叶接力器采用容器钢。

4 结语

平寨水库电站由于水头变幅较大为Hmax/Hmin=2.24，常规水轮机运行很难兼顾整个水头段。如按照大小机组合防渗，以满足高低水头段发电需求，则会大大增加工程投资，不经济。结合水库具有多年调节特性，合理舍弃部分低水头段，优选合理运行水头和水轮机机型尤为重要。经详细技术结构、综合投资、调控运行等因素的论证分析，最终确定水轮机额定的运行水头为71m，同时选择高效且结构稳定的HLA696机型，能减少土建开挖工程量，减少水库弃水提高水能利用率，增加发电量，最大限度发挥工程灌溉供水和引水发电效益。