西藏扎拉水电站冲击式水轮机选型设计探讨

何 峰，胡定辉，何志锋，何昌炎

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010）

1 工程背景

扎拉水电站是西藏自治区玉曲河干流下游河段七级开发方案中的第六级，其主要任务是发电。电站采用混合式开发方式，引水线路长约5 km，引水系统采用1洞1室2管4机布置。电站装机规模（不含生态电站）为1 000 MW，采用4×250 MW 冲击式水轮机组的装机方案，水轮机额定功率为254.84 MW，单机容量居于国内冲击式机组电站的首位。

2 水轮机选型设计

2.1 基本参数

2.1.1 水位

扎拉水电站校核洪水位（P=0.1%）为2 816.25 m，设计洪水位（P=1%）为2 815.00 m，正常蓄水位为2 815.00 m，死水位为2 811.50 m，厂房处设计洪水位（P=1%）为2 120.92 m。

2.1.2 主要动能指标

扎拉水电站装机容量为1 000 MW，最大水头为690.55 m，加权平均水头为675.67 m，额定水头为667.40 m，最小水头为677.35 m，保证出力为129 MW。

2.1.3 泥沙

多年平均过机泥沙含量为0.2 kg/m3。

2.2 水轮机选型设计特点和难点

扎拉水电站最大水头690.55 m，水头较高，多年平均过机泥沙含量0.2 kg/m3，泥沙含量较高，容易造成喷嘴、转轮等过流部件严重磨损，水轮机性能参数不宜过高［1］。

扎拉水电站单台水轮机的额定功率为254.84MW，单机容量大。考虑到电站以发电为主，水轮机性能参数亦不能偏低。

此外，扎拉水电站单机容量超过了国内制造厂商已有的冲击式水轮机制造难度系数，对于国内制造厂商的生产能力是一次挑战。

3 水轮机参数选择

（1）比转速［2-3］。冲击式水轮机的比转速ns与喷嘴数的平方根成正比，增加喷嘴数可提高比转速，大型冲击式水轮机的喷嘴数大多为4～6 个。考虑比转速、运行平衡性、负荷调节灵活性和稳定性等因素，扎拉水电站推荐选择6喷嘴水轮机。

根据理论分析和资料统计，单个喷嘴的比转速在11.5～23 之间。通过统计公式ns1=284.2Hr-0.4388和ns1=85.49Hr-0.243的计算结果，其中Hr 为额定水头，同时结合电站汛期含沙量较大的特性，初步确定扎拉水电站水轮机单喷嘴比转速在15.0～19.5之间。

（2）单位转速。冲击式水轮机的单位转速取决于喷嘴的速度系数和转轮节圆线速度与射流速度的比值，一般为（38.0～41.0）r/min。水斗式水轮机基本原理模型最优速度比为0.5，则最优单位转速应约为41.66 r/min。近年国内厂商制造的大容量冲击式水轮机的单位转速较高，如金窝电站为40.89 r/min，厄瓜多尔科卡科多-辛克雷电站为40.87 r/min。

实际水轮机在运行中会产生各种能量损失，按照目前的技术水平，扎拉水电站水轮机最优单位转速在40 r/min左右。

（3）相对直径D1/d0。D1/d0与水轮机效率、单位流量、比转速、水力性能、水轮机结构和机械强度等密切相关，减小相对直径可以提高比转速，但过多减小相对直径，将会带来结构布置上的困难，水斗数少，水斗根部强度差，容易产生裂纹或断斗，而且水轮机效率偏低。增加相对直径可以提高水轮机效率，但过多增加相对直径，将导致水轮机转轮较薄，水斗数多，水斗尺寸小，制造困难。转轮斗叶的应力水平与水头成正比，而与D1/d0的平方成反比，为使斗叶应力保持在允许水平，高水头水轮机应选择合适的D1/d0值。

根据统计公式D1/d0=248.55ns1-1.055，计算得D1/d0的范围为10～18，且真机的相对直径应尽量与模型一致。根据已开发的转轮资料，扎拉水电站水轮机的相对直径在11.0～16.5之间。

（4）水轮机效率。水轮机效率是表征水轮机能量特性的重要指标，直接影响电站的发电效益。

水斗式水轮机的效率随D1/d0的增大而提高。目前，水斗式水轮机制造水平不断提升（D1/d0增大），水轮机模型效率不断在提高，其平均效率在91.5%以上。本阶段推荐扎拉水电站水轮机额定点效率取值不低于91.5%。

（5）排出高度。冲击式水轮机的排出高度应考虑以下几个方面：①尾水渠中的涡流及溅起的水花不能对转轮起制动作用；②保证水雾消散的空间，不增加水轮机的风损；③保证必须的通气高度，所需通气量约为机组额定流量的70%。

排出高度对水轮机效率影响较大，如果排出高度不足，尾水位逐渐接近转轮，水轮机效率将逐渐下降，本阶段初步确定扎拉水电站水轮机排出高度为4.8 m。

（6）水轮机参数。经分析计算，扎拉水电站水轮机主要技术参数见表1。

4 大容量冲击式水轮机制造可行性

4.1 水轮机制造难点分析

（1）水轮机转轮。扎拉水电站转轮节圆直径3.49 m，外圆直径4.45 m，其尺寸较大，制造加工难度较高。水轮机转轮加工工艺主要有整体锻造+数控加工和锻焊+数控加工成型两种方式。

整体锻造+数控加工成型方式，其材料致密度及综合性能较好，内部几乎没有缺陷，转轮质量较好。目前，锻件最大尺寸可达5 m，满足扎拉水电站转轮的加工尺寸要求。

锻焊+数控加工成型方式锻件尺寸较小，锻件性能容易得到保证，转轮组装时需要高质量焊接，转轮机械性能相对较低，转轮形状相对难控制。如果制造厂采用数控加工+无损探伤的加工手段并且能强化质量控制，可以保证冲击式转轮的强度、转轮水斗型线和精度。

扎拉水电站转轮采用整体锻造+数控加工或锻焊+数控加工成型方式均是可行的。国内厂家在厄瓜多尔美纳斯项目的转轮制造（转轮节圆直径2.46 m，外径3.17 m）中成功采用了整体锻造+数控加工工艺，转轮已加工完成并交付业主，并形成了一套具有自主知识产权的工艺技术。锻焊+数控加工方式对焊接质量要求非常高，国内制造厂尚未有大容量冲击式水轮机应用实例。扎拉水电站转轮推荐采用整体锻造+数控加工的制造方式。

（2）水轮机喷嘴。前些年，国内对冲击式水轮机喷嘴的研究不足，大容量水轮机喷嘴的设计制造均需依靠国外技术。近年来，哈电、东电与安德里茨等水电公司合作，通过将关键部件分包给国外公司，学习并吸收了许多关键技术。

在直流喷管的设计上，由国内设计并制造的吉牛电站的直流喷管已经在2013 年成功投运。扎拉水电站水轮机喷嘴在国内进行设计制造加工是可行的。

（3）配水环管。配水环管制造难度系数通常用配水环管进口断面的最大设计（工作）水压P（m）与进口直径D（m）的乘积来表征。随着机组的容量和水头增加，配水环管制造难度系数增大，钢板的应力水平及厚度选择都需要慎重考虑。

表1 扎拉水电站水轮机主要技术参数

近年来，国内厂家已具备在厄瓜多尔科卡科多-辛克雷冲击式电站（额定功率为188.3 MW，额定水头为604 m）中采用屈服强度为500 MPa级的钢板进行配水环管设计制造的能力［4］。在混流式抽水蓄能电站如仙居、敦化（制造难度系数为2415）等项目上，钢岔管采用800 MPa级钢板，国内厂家也拥有成熟的焊接工艺及制造能力。

扎拉水电站配水环管制造难度系数为1920，在国内生产的冲击式机组中最大，但相较于混流式机组，其制造难度不大，国内厂家已经具备成熟的设计和制造能力。

4.2 水轮机国内制造可行性分析

经过调研，国内外已投产单机功率100 MW 以上冲击式机组统计情况见表2。

从上述统计表可以看出，目前世界上使用水头最高、容量最大的冲击式水轮机以瑞士毕奥德隆水电站为代表，该电站水轮机额定容量为423 MW，额定水头1 869 m。

我国冲击式水轮发电机组起步较晚，但近年发展迅速，与国外公司合作生产的田湾河大发电站单机功率120 MW、四川仁宗海电站单机功率120 MW、四川金窝电站单机最大功率160 MW，为厄瓜多尔辛克雷水电站生产的8 台单机功率187.5 MW 的冲击式机组均已投入运行。与冲击式水轮机配套的发电机在国内具有成熟的设计制造经验。

扎拉水电站单机功率250MW，相关设置与设计和制造在国际上具有成熟的经验，对于国内厂家来说，这是一次对其制造和生产能力的挑战。目前，国内厂家在大容量水轮机转轮、喷嘴和配水环管制造等关键技术上已经积累了大量经验，因此，扎拉水电站水轮机立足于国内完成设计制造，技术上是可行的。

5 结 语

（1）在考虑经济效益最大化和保证电站安全稳定运行的基础上，确定了扎拉水电站冲击式水轮机主要参数，其方法和思路可为类似高水头大容量冲击式水轮机的选型设计提供参考。

（2）经过调研，国外具备大容量冲击式机组设计能力，但国内厂家通过在多个项目中与国外厂家的合作，引进、消化冲击式水轮机设计制造关键技术，积累了一定的冲击式机组结构设计经验。国内厂家的机加工设备种类齐全，并均已建有冲击式水轮机模型试验台，积累了一定的冲击式水轮机模型水力设计经验。扎拉水电站254.84MW冲击式水轮机可以立足于国内完成设计制造，提高我国在冲击式水轮机方面设计制造水平，进而加强我国装备制造能力。

表2 单机功率100 MW以上冲击式机组统计