越南松萝4电站灯泡贯流式水轮机参数选择

解再益，郭卫中，肖 园

（湖南云箭集团有限公司，湖南 长沙400100）

1 概况

贯流式水轮机是一种开发利用低水头、大流量水力资源的主要机型，因其转轮效率高、过流量大、土建开挖量少、建设周期短、总体投资省等优点，在25 m以下水头段的水力资源开发中，具有较强的优势，在国内外都有着广阔的市场，具有良好的发展前景。

越南的水电项目在近几年的开发过程中，低水头的水力资源日趋增多，贯流式水轮发电机组纷纷上马。由我公司中标的越南松萝4电站，位于中越边境的河江省境内，是泸江流域梯级开发的首个灯泡贯流式水电站，该电站为河床式电站，其枢纽主要建筑物包括溢流坝段、两岸连接坝及电站厂房等。电站装有3台单机容量为8 MW的灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量24 MW。

电站水库正常蓄水位72.0 m，发电消落水位1.0 m，3台机发电最低尾水位置64.54 m，最高尾水位65.0 m。电站最大水头9.26 m，电站额定水头6.71 m，最小水头4.17 m，额定流量134.9 m3/s。越南松萝4电站水轮机型号GZY1149-WP-450，发电机型号为SFWG8000-60/5050，机组具备长期超发10%出力的能力。

2 水轮机基本参数

水轮机型号：GZY1149-WP-450

水轮机转轮直径：4.5 m

转轮叶片数：4

最大水头：9.26 m

额定水头：6.71 m

最小水头：4.17 m

额定流量：134.9 m3/s

额定出力：8.29 MW

电站要求长期超110%额定出力

额定转速：100 r/min

飞逸转速；334 r/min

比转速：845 m·kW

最大水推力（正/反）129/170 t

吸出高度：-4.55 m

机组转轮中心线高程：59.0 m

3 水轮机性能参数的确定

根据越南松萝4电站的基本参数，经初步设计和技术经济比较论证计算，最终选用GZY1149-WP-450型水轮机，该机型的各项经济技术指标完全满足技术协议和合同要求。

3.1 比转速和比速系数选择

水轮机比转速ns和比速系数K是衡量水轮机能量特性、经济性和先进性的综合性能指标，也反映设计、制造技术的水平。水轮机比转速ns在数值上等于工作水头H为1 m发出1 kW功率时水轮机所具有的转速，可见ns越大机组转速越高，则单位千瓦的造价越低。为缩小机组及厂房尺寸，节省投资，提高电站的经济效益，在可能的条件下，倾向于选择较高的比转速ns和比速系数K。

对于新设计的转轮，都将ns值作为评判转轮先进性的重要指标，根据国内现阶段的灯泡贯流式水轮机发展水平，新开发转轮ns的推荐计算公式为：

水轮机比转速的表达式为：

根据经验关系，推出对目前国内转轮模型最优工况的ns0与推荐选用设计工况的ns有如下关系：

随着水轮机设计制造水平的提高，水轮机比转速和比速系数有所提高。但是比转速的提高受到水轮机强度、空化性能、泥沙磨损、运行稳定性等因素的制约，不能单方面追求过高的指标。所以需要针对电站的具体情况，对比转速ns和比速系数K进行技术经济比较论证分析确定。

GZY1149转轮模型最优工况的ns0为624.1 m·kW，我们采用比转速的计算公式（2），计算越南松萝4电站的比转速，在额定水头发额定出力时，比转速845.3 m·kW，是ns0的1.35倍，在额定水头长期超发110%额定出力时，比转速886.5 m·kW，是ns0的1.42倍，考虑电站长期超发110%额定出力的实际情况，按此工况作为本水轮机的设计工况，按式（3）进行验算是符合推荐值要求的。

3.2 转轮型号选择

根据电站适用的水头范围、水轮机的吸出高度，来确定转轮的叶片数量，再根据相同叶片数量的模型转轮性能比较，再确定转轮型号。根据越南松萝4电站设计水头6.71 m，最高水头9.26 m的实际情况，转轮叶片考虑选取4叶片转轮形式。

在进行转轮型号选择时，尽量选择较小的轮毂比，以得到较大的单位流量、较低的转轮出口相对流速和减少空蚀。目前从国内常用4叶片转轮模型中选择，主要参数见表1，从表中可以看出GZY1149模型转轮的最优效率更高，轮毂比小，过流能力更大，空化性能好，是越南松萝4电站推荐的转轮模型。

表1 模型转轮主要参数表

3.3 转轮直径、额定转速的选择

灯泡贯流式水轮机转轮直径的选择不同于常规机组，水轮机限制工况的出力不取决于水轮机5%的出力限制线，而取决于电站允许的空化装置系数σy，根据越南松萝4电站的水头、装机容量以及模型转轮的性能情况，来选择转轮直径，若选择转轮直径过大，会因单位转速较高，偏离最优工况单位转速，将影响水轮机在低水头下的运行；若选择转轮直径太小，其设计工况点将落在更大的单位流量上，其空化系数值较大，将导致水轮机在高水头大出力时空蚀状况的恶化。

综合考虑上述因素，同时兼顾水轮机效率指标，经初步设计和技术经济比较论证计算比较，最终选用GZY1149-WP-450型水轮机，该转轮具有单位转速高、单位流量大、效率高、高效区宽广、效率变化平缓、大流量区效率高等特点。最终选取转轮直径4.5 m，额定转速100 r/min。

此时，水轮机的运行范围（见图1）位于模型综合特性曲线的理想区域，水轮机既可以得到较高的综合平均效率，又可以改善水轮机转轮的空蚀性能，降低机组的安装高程。

图1 GZY1149-WP-450 水轮机真机运行区图

3.4 安装高程确定

灯泡贯流式水轮机安装高程的确定，需要同时满足以下2个条件：

（1）在各种可能出现的运行工况下避免空化的要求；

（2）尾水管出口最小淹没深度不小于0.5 m。

贯流式水轮机的出力限制主要是由空化条件来决定的，控制空化的主要措施之一是通过调整机组安装高程来调整装置空化系数σp，使得水轮机运行时满足σp＞σc。降低安装高程的目的主要是汛期可以增大机组的过机流量，减少弃水，获得更多的汛期电量。显然，一味地降低安装高程，会大幅增加电站的投资，因此需要找到一个经济技术的平衡点。

由于转桨式水轮机同样具有出力限制线，安装高程小到一定值时，再降低安装高程，电量也不再增加，这时的安装高程为临界安装高程，为水轮机选择高程的下限值。而满足水轮机出口淹没深度不小于0.5 m，为水轮机选择安装高程的上限值。

因此，我们需要从2个方面进行计算、比较，最终确定本站的安装高程：

首先，我们计算本站的吸出高度，一般地计算公式为：

由于模型水轮机转轮直径小，在模型试验时，转轮桨叶顶部与底部之间的空化系数差别很小，可以忽略不计。但对真机，转轮直径很大，即转轮顶部到底部的垂直距离很大，空化系数的差别也随之增大，选择不同的计算点，吸出高度Hs有较大的差异，因此取转轮直径上部的一半，作为计算点，来计算吸出高度，计算公式为：

式中，▽为水轮机主轴中心线高程，▽为59 m；σc为临界空化系数；K为空化安全系数，取1.05；H为额定工况点的水头；D1为转轮直径。

相应地，越南松萝4吸出高度按额定水头10%超出力的工况选取，σc取1.5274，要求的吸出高度Hs=-1.95 m。

另一方面，我们验算尾水淹没要求。在计算吸出高度时，考虑到尾水管出口高度8.1 m，尾水管出口到机组中心线距离4.05 m，为保证机组运行在任何工况下，尾水管出口不进气，机组的出口应有一定的淹没深度，任何工况下的尾水位均应至少高于尾水管出管0.5 m，由这一条件决定安装高程的上限。由于本电站的水头较低，机组安装高程由尾水管淹没深度的条件决定。

本电站的吸出高度Hs=-4.55 m即可达到设计要求，这种况条件是足够安全的。

最终，经与相关专业协商、综合评比后，在本着增加汛期发电量的目标，降低0.9 m吸出高度，最终确定本电站的吸出高度Hs=-5.45 m。

4 结束语

首台机组已于2017年10月正式投运，全部3台机组于2017年11月底正式投入商业运行。3台机组投运后，电站无法发足装机容量。此时机组运行状态稳定，但是由于过机流量的增加，下游水位上升，实际工作水头下降，设计水头达不到设计值，影响了机组出力。在弄清楚问题所在后，电站清理了电站尾水，而恰好前期的参数选择时，降低了安装高程0.9 m，从而使得尾水位有降低的可能，在实际尾水位下降0.5 m，保证了3台机同时发额定出力。

这是灯泡贯流式水轮机电站设计时，必须要重视的一个问题，即灯泡贯流式水轮机的额定水头的确定问题。灯泡贯流式水轮机的额定水头是指电站发足装机容量所需发电流量对应的上下游水位差并扣除水头损失后的水头，而不是机组发额定出力时的最小水头，否则难以发足电站装机容量。

日前，电站正常运行近半年多，各项技术指标如下：有功功率8.396 MW，工作水头6.7 m，机组额定转速100 r/min，导叶开度89.8%，桨叶开度78.2%，机组振动不超过0.02 mm，摆度不超过0.2 mm。正推瓦瓦温度约42.6℃，反推瓦瓦温度36.9℃，定子最高温度约74℃。

3台机满足出力及水力性能的要求，瓦温稳定，振动、摆度等运行参数均满足合同要求，该电站的成功运行，为我公司进军越南低水头水力资源开发打下了坚实的基础。