恰木萨水电站水轮机选型设计

李 超，刘双志

(江河机电装备工程有限公司，北京市100070)

1 工程概况

恰木萨水电站是新疆叶尔羌河下游河道规划梯级开发中的第2级电站，为引水式电站，其上游为錾高水电站，下游为亚贝西水电站。工程主要由拦河引水枢纽、发电引水系统、压力前池、压力管道、电站厂房等组成，属中型Ⅲ等工程。电站位于新疆维吾尔自治区喀什地区莎车县境内，距莎车县城约60 km，距喀什市约255 km。电站为径流式电站，采用引水式开发，装机容量为200 MW，工程开发任务是发电。

2 电站基本参数

电站前池最高水位1 548.125 m，正常水位1 547.334 m，最低水位1 543.439 m，调节性能无。电站校核洪水尾水位(P=0.5%，Q=6 178 m3/s)1 483.469 m，设计洪水尾水位(P=1%，Q=5 720 m3/s)1 483.283 m，正常尾水位(Q=350.72 m3/s)1 479.55 m，设计尾水位(Q=87.68 m3/s)1 478.25 m。电站最大水头(毛水头)69.99 m，加权平均水头(净水头)67.10 m，额定水头(净水头)63.50 m，最小水头(净水头)59.20 m。

电站多年平均悬移质含沙量(闸址处)1.29 kg/m3，预想汛期含沙量如下所示(见表1)。

表1 恰木萨水电站预想汛期含沙量

电站装机容量200 MW，多年平均年发电量5.96亿kW·h，年利用小时数2 980 h。

3 水轮机机型与额定水头的选择

本电站水头范围为59.2～69.99 m，可选择混流式和轴流式机型，混流式机型在该水头段应用广泛，具有成熟制造和运行经验，故本阶段选择混流式机型。

水轮机额定水头是指发电机组发出额定出力的最小水头，本电站属于径流式电站，根据《水力发电厂机电设计规范》(DL 5186—2004)4.1.5第2条“对于径流式水电厂，水轮机水头主要取决于水电厂的下泄流量及其相应的下游尾水位。水轮机额定水头应按水电厂发足装机容量时运行净水头选定。选择额定水头时应计入额定工况下水轮机流道的全部水头损失，并留有适量的裕度。”的要求，额定水头应小于66 m并留有适当裕度。合理选择额定水头直接关系机组的稳定运行性能和电站发电效益，以及机组设备投资、土建投资和枢纽运行方式等。电站加权平均水头66.00 m，为确定电站额定水头，在上述额定水头选取范围内，拟定3个额定水头进行综合比较(见表2)。

表2 额定水头比较

从表2可知，各方案水轮机转轮直径差别不大，设备投资差别较小，对厂房的工程量影响不大，提高额定水头有利于减小转轮直径，降低设备投资。考虑在汛期运行时下游尾水位受电站弃水影响而有所抬高，且汛期是本电站的发电高峰期；为此，适当降低额定水头有利于机组在汛期时获得较多电量。

综合考虑，推荐电站额定水头为63.5 m。

4 机组台数及单机容量选择

机组台数的确定应考虑单机容量占系统比重、机组运行方式、机组制造水平等因素，通过技术经济综合比较确定。预测南疆四地州电网2025年最大负荷达到15 951 MW，故机组单机容量占系统比重较小；电站在电力系统承担基荷，枯水期12月、1月、2月、3月4台机分别安排检修维护，其中1月、2月电站不发电。额定水头63.5m，单机容量40～67 MW区间，在此水头段和单机容量下国内已有成熟的制造和运行经验，不存在制造难度。综合考虑以上因素，暂定装机3台、4台、5台方案(见表3)。

4.1 技术比较

(1)本电站为径流式电站，无调节能力，为保证水轮机能够安全稳定运行。单机容量不宜过大。

(2) 根据规划专业提供的57年长系列电站逐月可发电流量及相应水头(去掉不发电月份)，对本电站逐月出力及所占时间比重进行了统计(见表4)。考虑电站泥沙含量较大，单机出力应多数时间在额定出力的50%以上，以利于机组的长期安全稳定运行。当单机容量为66.7 MW时，出力在额定出力50%以上的时间约为97.81%；当单机容量为50 MW时，出力在额定出力50%以上的时间约为98.25%；当单机容量为40 MW时，出力在额定出力50%以上的时间约为98.68%。对比参数可知，随着机组台数的增加，水能利用率逐渐增加，适当增加机组台数可以增加水能利用率、增加机组安全稳定运行时间并且获得更多电量。

表3 装机台数比较

表4 电站出力统计

(3)恰木萨水电站接錾高水电站尾水发电，錾高水电站单机额定流量95 m3/s左右，考虑将来与錾高水电站联合发电，为方便调度并减少水能浪费，单机流量差别不宜过大。恰木萨水电站采用4台机方案的单机额定流量与錾高水电站单机额定流量相匹配。

(4)从电站运行角度来说，机组台数越少管理越方便；机组台数越多则运行越灵活。

(5)电站建成后担任基荷运行，无调峰任务，无备用容量和调峰调度灵活性的需求，因此不需要过多的机组台数。

4.2 经济比较

(1)由表3可以看出，方案一和方案二投资较少，方案三工程总投资较多。

(2)机组台数越少，投入运行后每年的维护、检修工作量和费用也越少。

综合以上分析，本阶段推荐方案二，即4台机装机方案。

5 水轮机主要参数选择

水轮机参数选择，直接影响到电站建设的经济性和今后运行的安全可靠性。水轮机主要技术参数的选择应在确保机组稳定可靠的前提下，使水轮机的性能较为先进，符合国内外技术发展水平，参数之间达到总体的最优配合。

阿尔塔什水利枢纽工程位于本电站上游，是本河段的控制性水利枢纽工程，考虑本工程可能先于阿尔塔什水枢纽工程发电，过机泥沙含量不能及时得到改善，故水轮机主要参数选择时应充分考虑多泥沙工况运行的要求。同时，由于阿尔塔什水利枢纽工程总库容22.45亿m3，调节库容12.60亿m3，建成后将大大改善下游各梯级电站的泥沙工况。因此，招标时应根据两个工程的进度情况，优选相似水头段流道尺寸和清水转轮相近的浑水转轮模型；后期根据泥沙改善情况，改用效率相对较高的清水转轮，改善水轮机运行工况并获得较多电量。

5.1 比转速及比速系数

比转速ns是衡量水轮机综合性能的重要指标，ns直接反映了水轮机的设计制造水平及其能量、空蚀性能的优劣；比速系数K(K=ns×H0.5)则反映了水轮机的技术发展水平。一般来说，在水头相同的情况下，选用较高比转速的水轮机可以提高机组转速、减小机组尺寸、降低机组造价；但水轮机比转速的提高，往往受到水轮机效率、运行稳定性、空化、磨蚀性能以及强度等许多因素的制约。因此，比转速ns的选择应结合电站的具体情况合理选择。

为确定本电站的比转速和比速系数，对国内外比转速、比速系数经验公式和国内部分在建、已建的相近水头段水电站的比转速和比速系数分别进行了统计(见表5、表6)。

表5 比转速及比速系数经验公式统计

表6 国内部分在建、已建电站比转速及比速系数经验公式统计

由表5得出，比转速ns在158～275 m·kW之间，比速系数K值在1 600～2 196之间。

由表6得出，国内在建、已建的相近水头段电站比转速ns在215～262 m·kW之间，比速系数K值在1 877～2 352之间。

叶尔羌河泥沙含量大，考虑适当降低机组参数以减少转轮的磨蚀，利于机组的长期安全稳定运行。初拟恰木萨水电站比速系数K值为1 500～1 700，相应比转速ns为188.24～213.34 m·kW。

5.2 单位转速n1′和单位流量Q1′的选择

单位转速的选择应符合比速系数的水平，从比转速计算公式ns=3.13n1′(Q1′×η)1/2可以看出，比转速主要由单位转速、单位流量和效率3个参数决定。只有选择合适的单位转速和单位流量，使二者达到最佳匹配关系，才能获得最优的水轮机综合性能。提高n1′可以减小发电机的外形尺寸，降低造价，有较大的经济效益；但n1′的提高使水轮机转轮过流流速加大，离心力增加，促使叶片应力增大，故它又受到转轮叶片强度、泥沙、空蚀、稳定性、材质等诸多因素的限制。提高Q1′的好处是显而易见的，它的提高可以减小水轮机尺寸、提高出力、降低造价，但Q1′的提高往往受到空蚀的限制。随着技术的进步，单位转速和单位流量都有了较大提高。

结合本电站过机含沙量大的实际情况，n1′应适当降低以减小过机流速、减少转轮的磨蚀，综合以上分析，认为n1′和Q1′在如下范围较为合理：

n1′=69～78 r/min

Q1′=0.72～1.05 m3/s

5.3 效率

水轮机效率是评价水轮机能量特性的重要指标，直接影响电站的发电效益。近年来，随着水轮机设计技术的发展和采取现代化的制造手段与先进工艺，水轮机的效率得到不断提高。

目前，国内相近水头段的模型水轮机，其最优效率均已超过92%，额定点效率高于90%，因此可以预计水轮机模型最优效率应大于或等于92%，原型水轮机最高效率大于93.5%，原型水轮机额定点效率不低于91%。

5.4 装置气蚀系数和吸出高度

水轮机空蚀性能直接影响机组安全稳定运行、检修周期和使用寿命，因此水轮机应具有良好的空蚀性能，并合理选取水轮机装置空化系数和安装高程。原型水轮机的空蚀破坏还与制造和安装质量、运行工况等因素有关。

表7为按统计公式计算的空化系数值(水轮机额定比转速ns初拟定为188.24～213.34 m·kW，见表7)。

表7 空化系数统计公式计算

表7中，统计公式计算的恰木萨水电站装置气蚀系数σp范围为0.109～0.169；适当提高临界空化系数有利于机组的抗磨蚀性能，考虑本电站泥沙含量较大，装置气蚀系数取值不宜过小，现阶段暂定恰木萨水电站装置气蚀系数σp取为0.18。根据公式Hs=10-▽/900-σpHr，计算出相应的Hs=-3.1 m。

5.5 水轮机目标参数

根据上述选择分析，恰木萨水电站水轮机的参数范围选择如下：

6 结 语

恰木萨水电站水轮机选型和参数选择均是以机组能够长期安全稳定运行为前提条件，并结合电站自身特点，参照国内同类型电站的参数，运用经验统计公式进行计算选取，基本保证了机组能量指标、稳定性指标和综合性能指标均保持在较为先进的水平。